基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用

劉 蓬

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的競爭不斷激烈以及社會生產(chǎn)生活的需求逐步提升，進一步提高機械設(shè)計的科技性和效率已經(jīng)成為該領(lǐng)域發(fā)展過程中的主要目標(biāo)。而現(xiàn)代化技術(shù)的興起為機械設(shè)計的發(fā)展奠定了更穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其中虛擬現(xiàn)實技術(shù)是集互聯(lián)網(wǎng)以及科技共同達成的先進技術(shù)體系，而VRML則是結(jié)合實際的機械設(shè)計打造可行的設(shè)計方法，二者相融合能夠為機械設(shè)計提供高質(zhì)量的發(fā)展空間。但是，我國在虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)依舊處于不斷創(chuàng)新階段，將其應(yīng)用在機械設(shè)計中也需要結(jié)合實際的需求落實創(chuàng)新，因此結(jié)合實際案例分析VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用方式，能夠為后期的優(yōu)化和創(chuàng)新提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)體系

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又被稱為VR技術(shù)，也可以稱為靈境技術(shù)，是近些年伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新而產(chǎn)生的新型技術(shù)成果，其應(yīng)用需要借助軟件設(shè)備以及硬件設(shè)備進行輔助，比如平臺軟件作為視覺畫面載體，數(shù)據(jù)庫作為數(shù)字化信息轉(zhuǎn)型的重要依據(jù)，主要的硬件設(shè)備以頭盔、數(shù)據(jù)手套以及三維鼠標(biāo)為主。從形式上來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為人們提供一種仿真的人機交互環(huán)境，能夠讓信息更加逼真，同時可以達成真實生活中無法觸及的空間境界，因此其應(yīng)用過程具備一定的沉浸感和交互性。

1.2 VRML技術(shù)體系

VRML又被稱為虛擬現(xiàn)實構(gòu)造語言，主要是結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際特征以及本質(zhì)形式通過3Dweb打造的程序語言。首先需要將三維場景通過文本信息闡述出來，然后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到網(wǎng)頁平臺上，在設(shè)備的VRML瀏覽器中通過文本信息的數(shù)字化轉(zhuǎn)型將其構(gòu)建為三維場景，最終的成果便是人們在VR體驗過程中看到的實際場景。整體的VRML技術(shù)體系涉及到了開發(fā)軟件、編寫平臺、虛擬仿真瀏覽器等結(jié)構(gòu)[1]，貫穿在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的各個方面，能夠為其提供最基礎(chǔ)的技術(shù)元素，同時也是虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)新的前提條件。

綜合當(dāng)前建立在VRML技術(shù)體系上形成的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢來看，具有極強的使用價值，最大的優(yōu)勢便是能夠跨越空間，打造虛擬模型，不必產(chǎn)生過多的資源和成本浪費；另外，建立在虛擬網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，可以不斷進行功能和設(shè)計方法的優(yōu)化，落實創(chuàng)新和嘗試，對于當(dāng)前的機械設(shè)計發(fā)展來講有著極強的輔助作用。

2 基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在機械設(shè)計中的必要性

技術(shù)體系的創(chuàng)新為機械的發(fā)展提供了極為廣闊的發(fā)展空間，改變了最初體積大、操作笨拙的缺點，逐漸向全自動控制以及智能化方向發(fā)展，成為了機械應(yīng)用價值提升的重要依據(jù)，而建立在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上落實機械產(chǎn)品的研發(fā)，首先可以為其創(chuàng)新提供實踐空間，在進行樣機制造之前，可以先通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)打造虛擬樣機，結(jié)合實際的需求改變虛擬樣機的相關(guān)細節(jié)，進行調(diào)試和可靠性分析[2]，不斷落實設(shè)計和完善，能夠有效改善傳統(tǒng)的成本消耗以及資源消耗缺點，同時也可以進一步縮短制造時間。詳細的虛擬現(xiàn)實樣機設(shè)計模式如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品設(shè)計流程

因此，我們可以發(fā)現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為機械設(shè)計的前期優(yōu)化工具，不僅能夠有效提升機械產(chǎn)品的合理性和科學(xué)性，也可以進一步增強機械設(shè)計的效率和效益。在我國當(dāng)前的機械設(shè)計領(lǐng)域，建立在VRML基礎(chǔ)上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，已經(jīng)成為了應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)體系之一，能夠涉及開發(fā)、模擬、檢測、優(yōu)化等多重功能，可以促使設(shè)計好的虛擬樣品與實際需求之間相符，并且可以實現(xiàn)功能創(chuàng)新，能夠為機械設(shè)計提供更加廣闊的發(fā)展空間。

3 在機械設(shè)計中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際流程

針對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實際應(yīng)用方式，我國當(dāng)前大部分的機械設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)出了具有獨特性和普世性的技術(shù)體系，比如通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用鼠標(biāo)、顯示器以及鍵盤，建立在編程語言的基礎(chǔ)上打造出了機械設(shè)計流程，詳細流程如圖2所示。

圖2 基于VRML虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機械設(shè)計流程

首先，需要根據(jù)機械的實際用途和相關(guān)功能建立起基礎(chǔ)模型，這個過程是虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常來講，建模所使用的工具以VB、VC＋＋為主，可以利用wtk或者SDK虛擬現(xiàn)實軟件進行工具開發(fā)，通過SolidWorks、3DMAX、PROE等應(yīng)用較為廣泛的第三方工具進行建模分析[3]，然后將其以虛擬現(xiàn)實文件的格式導(dǎo)出。在這一過程中，建模的對象以機械的主體結(jié)構(gòu)和各零部件為主，主要展示不同零部件之間的交互關(guān)系，促使零部件和主體之間相輔相成。

當(dāng)建模結(jié)束之后，便可以通過軟件進行虛擬裝配，將主體結(jié)構(gòu)和各個零部件結(jié)合起來。在這一過程中，可以直接檢查零部件是否能夠滿足生產(chǎn)需求和操作需求，這種虛擬裝配借助上述第三方軟件便可以完成。

裝配結(jié)束之后，需要通過ADAMS等力學(xué)軟件進行設(shè)備的動力學(xué)以及運動學(xué)仿真分析，也需要利用ANSYS等軟件對虛擬設(shè)備進行有限元分析[4]。這些分析能夠進一步提升虛擬設(shè)備的仿真質(zhì)量，并且使其滿足實際的生產(chǎn)和操作要求。

在相關(guān)力學(xué)性能滿足了實際的生產(chǎn)需求之后，還需要通過軟件檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)功能。例如，針對礦產(chǎn)開發(fā)過程中的煤層氣鉆機，在構(gòu)建了基礎(chǔ)虛擬模型并且檢驗結(jié)束之后，還要結(jié)合機械設(shè)備的個性化系統(tǒng)進行分析，比如其中的機械結(jié)構(gòu)是否符合需求，液壓系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定工作，控制系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)功能控制等，在這一過程中檢驗軟件通常以Matlab為主。

根據(jù)檢驗結(jié)果進行優(yōu)化之后，便可以將虛擬模型導(dǎo)出，傳輸至虛擬現(xiàn)實瀏覽器內(nèi)，可以通過軟件以及硬件的配合落實人機調(diào)控，通過頭盔能夠直接觀看機械的設(shè)計形態(tài)，通過電子手套可以進行功能檢測[5]。若設(shè)備允許，可以直接與客戶進行溝通，通過互聯(lián)網(wǎng)和軟件可以直接查看設(shè)備的設(shè)計情況以及相關(guān)功能，這也是建立在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)基礎(chǔ)上提升機械設(shè)計效率的主要優(yōu)勢。通過互聯(lián)網(wǎng)多方主體便可以快速地獲悉設(shè)備設(shè)計的情況，并且進行功能檢測；通過信息反饋，能夠為機械的優(yōu)化提供依據(jù)。當(dāng)所有的性能檢測合格之后，還可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)將文件傳輸至生產(chǎn)廠商，直接進行生產(chǎn)制造。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著當(dāng)前信息技術(shù)的不斷優(yōu)化和調(diào)整，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為了社會生產(chǎn)生活質(zhì)量提升的主要依據(jù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)于一體，建立在瀏覽器、軟件、硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上打造了跨空間的三維技術(shù)體系，在當(dāng)前的機械設(shè)備設(shè)計環(huán)節(jié)中有著極強的應(yīng)用價值。通過技術(shù)體系的優(yōu)化能夠及時檢測機械設(shè)計環(huán)節(jié)中存在的誤區(qū)，并且落實針對性調(diào)整，對于強化機械設(shè)計的合理性有著一定的促進作用，同時也能夠極大地節(jié)約時間和優(yōu)化成本；對于相關(guān)企業(yè)而言，是提高生產(chǎn)效益的重要舉措；而針對機械設(shè)計領(lǐng)域的未來發(fā)展而言，能夠描繪一幅自動化、智能化、高效化的發(fā)展藍圖。