小議機械設計制造中的虛擬現(xiàn)實技術

王云德

隨著21世紀數(shù)字化信息時代的到來,人們逐漸意識到傳統(tǒng)式的計算機無法讓人類運用自己所擅長的視覺、觸覺、嗅覺、聽覺以及形體動作等來參與處理數(shù)字信息。如此,為了人們可以按照自己的習慣更為方便舒適地來處理與解決現(xiàn)在社會中的數(shù)字信息,就需要出現(xiàn)一種新型技術,于是虛擬現(xiàn)實技術就在這樣一個時代背景下誕生了。

1虛擬現(xiàn)實技術的定義和主要內涵

那么虛擬現(xiàn)實技術是什么樣的呢？正如其字面所示的那樣,就是用現(xiàn)在先進的硬件技術和軟件技術來虛擬現(xiàn)實中的事或者物以達到人們能夠輕易地對其進行操作與處理的目的。虛擬現(xiàn)實技術所包含的內涵主要有如下幾個:(1)首先虛擬現(xiàn)實技術應當是一個計算機系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠創(chuàng)造虛擬世界并且允許人們進行體驗。(2)虛擬現(xiàn)實技術是一種以用戶為核心的、足夠先進的計算機接口。(3)虛擬現(xiàn)實技術能夠讓人把自己所熟知的空間與計算機系統(tǒng)處理信號時的處理空間保持一致。(4)虛擬現(xiàn)實技術是可以讓人通過計算機看見并且能夠操作比較復雜的數(shù)據(jù),且能夠和其交互的一種操作方式。(5)虛擬現(xiàn)實技術是一種具有三維的合成環(huán)境的媒介,人們能夠按照自己的愿望從任何一個視點自由且實時地完成設計、探測和模擬。

虛擬現(xiàn)實技術是一種應運而生的技術,然而在早期的應用之中主要是用在互動娛樂上面。隨著硬件條件不斷地升級、軟件技術不斷地得以提高,虛擬現(xiàn)實技術才能夠在工程設計、機械設計制造、醫(yī)療、電子商務、教育和軍事等方面進行較為成熟的應用。由于現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術趨于日漸成熟,所以其在各個領域當中發(fā)揮的作用不可忽視,對此要跟上技術前沿發(fā)展的腳步,關注虛擬現(xiàn)實技術的繼續(xù)發(fā)展。

2機械設計制造中的虛擬現(xiàn)實技術的主要特征以及關鍵技術

虛擬現(xiàn)實技術同樣也在機械設計制造領域中有所應用,由于機械設計制造領域當中涉及到機械模型設計、模具設計,而這些用虛擬現(xiàn)實技術能夠方便快速地設計機械模型、對機械模型進行仿真,并且能夠快速地對不滿意的地方進行修改。

虛擬現(xiàn)實技術是一種集計算機技術、仿真技術、傳感與測量技術以及微電子技術等為一體的新型技術。它的學術特點體現(xiàn)在各個學科間的相互交錯,因而其應該具備以下幾個主要特征。

(1)多感知性。因為要求虛擬現(xiàn)實技術能夠虛擬出現(xiàn)實世界,并讓我們人類更好地進行體驗,其就必須具備多感知的特性:這不僅僅包括視覺、觸覺、聽覺,還應當包含有嗅覺和味覺。

(2)存在感。要求讓用戶有種在現(xiàn)實世界中的存在感。虛擬世界中的所有的一切,用戶都能明確的感覺到,并且能夠觸摸得到、看得見、聞得到以及感覺得到。

(3)自主性。用虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)造出來的虛擬世界中的物體必須按照物理學規(guī)律進行運動。實時地顯示、交互和參與,把人的主要活動提升成人機合一的活動,完成了自主性的職能開發(fā)系統(tǒng)。

(4)交互性。這是虛擬現(xiàn)實技術中的重要特性,是指用戶能夠對虛擬環(huán)境中的各個物體進行操作并且能從物體中得到某些反饋信息。人機交互是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的一種近乎自然的交互,使用者能夠利用多種交互手段例如電腦鍵盤、鼠標進行交互,并且支持更多的設計行為。

(5)沉浸性。對于虛擬世界,觀察者的情感反映就是沉浸性,由于虛擬現(xiàn)實技術能夠虛擬出非常逼真的現(xiàn)實世界,用戶利用觸覺、聽覺、視覺來感受發(fā)生在虛擬世界中的一切,可以虛擬出機械創(chuàng)新的設計環(huán)境,并且產生一種身臨其境的感覺。

虛擬現(xiàn)實技術在機械設計制造中關鍵技術主要有動態(tài)環(huán)境建模技術、實時三維圖像生成技術、立體展示和傳感技術、應用系統(tǒng)開發(fā)技術和系統(tǒng)集成技術。而在機械設計制造中用的最多的技術就是動態(tài)環(huán)境建模技術、實時三維圖向生成技術以及立體展示和傳感技術。這些技術在實際工程運用當中是相當重要的,用得好就能事半功倍,能夠設計出更好的產品、制作出出色的產品。

3虛擬現(xiàn)實技術在機械設計制作中的應用

虛擬現(xiàn)實技術在機械設計制作中的應用應當包括前期的概念設計、中期的產品虛擬設計以及后期的虛擬制作。下面對各個時期虛擬現(xiàn)實技術的運用給予一些簡要說明。

(1)前期虛擬概念設計。概念設計是指一個產品該如何設計,需要考慮到那些方面的因素、問題以及所花的時間、資金等很多綜合情況,屬于創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實技術在這個階段中為設計者提供一定的語言識別錄入和手勢跟蹤的輸入,使設計者更為方便有效地完成產品各個模塊的建模工作。

(2)中期虛擬設計。是指設計人員設計一個虛擬的產品,然后對其進行相關測試來判定是否滿足設計的需要。

(3)后期虛擬制造。就是用虛擬現(xiàn)實技術模擬產品的制作過程,能夠及時發(fā)現(xiàn)制作過程中的錯誤,避免實際生產制造中的損失。

在制造業(yè)中已經成功地推廣應用虛擬制造技術,尤其是在汽車、航空航天等領域的應用特別典型。虛擬制造能夠在汽車生產模具、工裝與設備,甚至是設計校車之前,就很容易地在工藝過程與生產系統(tǒng)時進行分析、修改、建模及優(yōu)化。例如,早在1997年通用電動車部就利用UGII軟件,建成了世界上第一個完全數(shù)字化的機車樣機模型,并圍繞這個數(shù)字模型并行地進行產品設計、分析、制造夾模具工裝設計和可維修性設計。例如,波音飛機公司設計777飛機的時候,就是使用了虛擬制造技術,從設計、裝機、測試都是在計算機中完成模擬的,分散在全球各地的波音公司的技術人員能夠從777客機難以數(shù)清的零部件中,隨意調出其中任何一種在計算機上進行討論、研究、觀察,所有的零部件都是三維實體模型。

4結語

現(xiàn)在,虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)領域中獲得較為成熟的運用,但仍是初級階段?？梢灶A見得到,虛擬現(xiàn)實技術將逐漸應用到設計制作的各個環(huán)節(jié)中,為設計制造業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無限動力。

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