虛擬仿真（VR）技術(shù)在裝備制造行業(yè)的應(yīng)用研究

何勰緋

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學院，廣東 廣州 510925）

0 引言

VR的虛擬仿真技術(shù)是通過借助或使用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等各方面科學技術(shù)的根基上高速發(fā)展起來的。它是一種將仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是更高級的仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)搭建了一個全新的模擬系統(tǒng)環(huán)境，通過將需要模擬的各類環(huán)境系統(tǒng)結(jié)合成為一個新的模擬空間進行控制，為用戶提供一種“真實”的環(huán)境感受，提前得到自己想要的虛擬“結(jié)果”。這些模擬仿真技術(shù)的實體可以是模擬器，也可以是其他的虛擬仿真系統(tǒng)，還可以是一些簡單的數(shù)學模型表示。通過這些實體或者虛擬產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中相互作用，來表現(xiàn)客觀世界的真實特征。達到用戶預(yù)期的期望結(jié)果，通過虛擬仿真技術(shù)的集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的特征，來滿足現(xiàn)代工業(yè)模擬仿真制造技術(shù)的發(fā)展需求?，F(xiàn)代裝備制造行業(yè)領(lǐng)域工業(yè)，隨著計算機技術(shù)、仿真技術(shù)、測試技術(shù)的發(fā)展，得到了高速的發(fā)展。

1 VR的虛擬仿真技術(shù)及其研究狀況

1.1 VR的虛擬仿真技術(shù)基本原理

VR的模擬仿真技術(shù)是通過利用計算機強大的計算功能，使用虛擬的系統(tǒng)軟件來模擬計算來真實的系統(tǒng)，經(jīng)過提前設(shè)定好的程序進行運算，得出相關(guān)的計算參數(shù)結(jié)果。借助計算機的強大功能來創(chuàng)建一個虛擬的系統(tǒng)環(huán)境，來讓用戶體驗這種系統(tǒng)環(huán)境帶來的感覺或感受，這種虛擬世界或概念世界。用戶可以通過各種感知渠道（例如視覺，聽覺和觸摸）自然地與虛擬世界互動。它創(chuàng)建了一個三維虛擬世界，以模擬方式實時反映物理對象的變化和交互，并通過各種輔助傳感設(shè)備為用戶提供了三維觀察和與虛擬世界的交互和數(shù)據(jù)手套。該系統(tǒng)界面允許用戶來對這種虛擬系統(tǒng)環(huán)境的親身體驗，感受虛擬環(huán)境中的各種仿真模擬角色的變化情況，達到真實的體驗效果。VR的虛擬仿真技術(shù)是通過結(jié)合計算機技術(shù)，計算機圖形學，計算機視覺，視覺生理學，視覺心理學，模擬技術(shù)，微電子技術(shù)，多媒體技術(shù)，信息技術(shù)，立體顯示技術(shù)，傳感和測量技術(shù)，軟件工程，語音識別和合成技術(shù)，人類機器接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)等方面的學科的融合。在其保證模擬仿真計算的真實度、以及實時性的交互使用上，為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供了強大的支持。

1.2 VR虛擬仿真技術(shù)的基本現(xiàn)狀

隨著為了經(jīng)濟的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)制造行業(yè)面臨著人工成本不斷地提高，項目實施周期不斷增長，數(shù)種設(shè)備間的協(xié)同合作比較困難，以及在工業(yè)化的后期生產(chǎn)維護保養(yǎng)出現(xiàn)相對困難的情況。虛擬仿真模擬工業(yè)化仿真平臺擁有強大的物理實時計算功能，可以真實模擬現(xiàn)實各種真實的物理動態(tài)特征。它提供了多種動態(tài)交互方法并可以支持多種高速電子傳輸技術(shù)碰撞替代操作。對于大多數(shù)工業(yè)仿真用戶而言，很容易就能完美地呈現(xiàn)許多只能停留在此之前的出色的交互式仿真創(chuàng)意解決方案，并將仿真方法和技術(shù)實現(xiàn)水平的革命性進步帶給大多數(shù)國內(nèi)工業(yè)仿真用戶。實現(xiàn)我國工業(yè)化4.0目標。通過利用虛擬仿真技術(shù)的改變單一的人機操作現(xiàn)象，借助三維空間的技術(shù)和多通道模擬技術(shù)，如視覺、聽覺和觸覺的模擬。將操作者帶入“真實”的操作環(huán)境中，更快地身臨其境融進操作環(huán)境中，加快工業(yè)化生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)流程。

1.3 虛擬仿真技術(shù)在裝備制造領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）設(shè)計評審時，VR虛擬仿真技術(shù)可以對產(chǎn)品的設(shè)計方案和相關(guān)信息進行動態(tài)的數(shù)據(jù)可視展現(xiàn)，使整個設(shè)計評審過程更直觀有效。

（2）運維巡檢中，企業(yè)可以結(jié)合VR全景視頻，全方位、多角度巡檢生產(chǎn)線現(xiàn)場設(shè)備，也可以結(jié)合AR交互設(shè)備遠程巡檢設(shè)備內(nèi)部運行狀況。

（3）遠程協(xié)作上，VR虛擬仿真可實現(xiàn)遠程指導(dǎo)作業(yè)，它從設(shè)備上的傳感器導(dǎo)入數(shù)據(jù)進行狀態(tài)實時監(jiān)控，使用戶在中央控制室中就能對整個工廠設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測與異常問題處理。

（4）操作培訓(xùn)方面，VR虛擬仿真通過語音及虛擬標簽進行培訓(xùn)教學，可以模擬機械操作及應(yīng)急處置等幫助學員快速學習。

2 虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬制造技術(shù)是通過計算機進行建立模型和制造過程的仿真，實現(xiàn)對產(chǎn)品的虛擬設(shè)計和生產(chǎn)的技術(shù)。它借助計算機的模擬仿真技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計制造技術(shù)。它顛覆了產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計，試生產(chǎn)，設(shè)計修改和批量生產(chǎn)的制造模式。虛擬制造技術(shù)是指對現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品的一種全過程設(shè)計生產(chǎn)模擬仿真，它的整個過程包括了傳統(tǒng)制造行業(yè)里的設(shè)計、生產(chǎn)、測試等方面內(nèi)容。虛擬仿真制造技術(shù)的出現(xiàn)，為我國的工業(yè)4.0、以及現(xiàn)代所有的制造型企業(yè)提供了設(shè)計生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)的模擬仿真技術(shù)支持，為未來工業(yè)制造企業(yè)的提供設(shè)備車間的布局設(shè)計，以及對產(chǎn)品的物流系統(tǒng)進行仿真，為新產(chǎn)品的設(shè)計，制造甚至生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品引進的各個方面進行仿真以及在車間生產(chǎn)的布置圖。上述的這些模擬仿真技術(shù)功能，為各種制造型企業(yè)在減少產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期，也大大提高了對新產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量情況。虛擬仿真制造技術(shù)改變了傳統(tǒng)意義上的設(shè)計、生產(chǎn)以及測試等環(huán)節(jié)的制造情況。為我國新時代的建設(shè)工業(yè)4.0的宏偉目標提供了強有力的支持。

從產(chǎn)品開發(fā)的工業(yè)流程上進行著手分析，虛擬仿真制造技術(shù)是通過利用計算機與相關(guān)軟件的強大性能與功能，來實現(xiàn)在對產(chǎn)品的虛擬仿真設(shè)計、生產(chǎn)制造工藝流程、以及產(chǎn)品的各零部組件的組裝裝配工藝流程的整個流程?，F(xiàn)代的虛擬仿真制造技術(shù)主要包括以下六個階段過程：

產(chǎn)品的概念設(shè)計過程階段；產(chǎn)品的整個設(shè)計方案過程階段；產(chǎn)品的生產(chǎn)加工制造的工藝設(shè)計過程階段；產(chǎn)品整機測試過程階段；產(chǎn)品的交付使用培訓(xùn)階段；產(chǎn)品的售后服務(wù)維修保養(yǎng)階段。

我國現(xiàn)代的工業(yè)4.0制造領(lǐng)域里，對虛擬制造技術(shù)環(huán)節(jié)的研究環(huán)節(jié)中，它們的每個階段都是獨立的個體，缺乏有效的反饋系統(tǒng)。例如當其中的一個環(huán)節(jié)產(chǎn)品出現(xiàn)不良因素，并流入下一道工序中時，系統(tǒng)得不到有效的反饋，只能依靠產(chǎn)品的最終測試才能發(fā)現(xiàn)這些質(zhì)量隱患，所有需要在后期的設(shè)計研究中提出其針對性的研究，具有良好的耦合性和有效的反饋機制，避免出現(xiàn)損失大量時間和經(jīng)費補救前期出現(xiàn)的質(zhì)量問題現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

隨著我國的科學技術(shù)的高速發(fā)展，計算機性能技術(shù)得到了提升，從而帶動了虛擬仿真技術(shù)和各種傳感設(shè)備技術(shù)的提高，使得虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)制造行業(yè)的地位也越來越重要，不過虛擬仿真制造技術(shù)處于新生萌芽狀態(tài)，也體現(xiàn)出了其在工業(yè)制造行業(yè)中強大的生命力，但是需要在前期頭如大量的經(jīng)費和技術(shù)人員支持，加速虛擬仿真制造技術(shù)在工業(yè)裝備制造行業(yè)中的進一步的設(shè)計研究和完善。將工業(yè)制造產(chǎn)品的生命周期覆蓋在虛擬制造技術(shù)的全流程上，讓產(chǎn)品在早期的設(shè)計方案中，進行產(chǎn)品的性能功能仿真測試分析，模擬仿真產(chǎn)品制造過程中的每個環(huán)節(jié)，優(yōu)化和改善虛擬制造中的各項性能指標參數(shù)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，節(jié)省大量的經(jīng)費支出。使得虛擬制造與測試的仿真系統(tǒng)在工業(yè)制造中體現(xiàn)出其優(yōu)越性和廣泛應(yīng)用的前景。