小議機械設計中的虛擬現實技術

摘要：目前計算機輔助設計技術已經廣泛應用于機械設計制造中。伴隨著虛擬現實技術在設計中的使用，人機交互將得到很大提高，使得機械設計制造更簡單形象，效率也得到提高。本文將圍繞虛擬現實的特點，對其在機械設計上應用作簡要分析。

關鍵詞：機械設計;虛擬現實 技術

前言

伴隨著科學技術的不斷發展， 人類社會步入了嶄新的世紀， 經濟的全球化和社會的信息化， 促使市場競爭日益激烈， 制造企業為了在競爭中求得生存和發展， 必須以最快的上市速度， 最好的質量， 最低的成本和最優的服務， 滿足不同顧客的需求。這就要求企業生產活動必須具有高度的柔性， 對市場需求的變化做出快速反應， 虛擬現實技術由此產生。

1.虛擬現實的內涵和特點

虛擬現實是實際制造過程在計算機上的本質實現， 即采用計算機仿真與虛擬現實技術， 在計算機上群組協同工作， 實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程， 以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬現實雖然不是實際的制造， 但卻實現實際制造的本質過程， 是一種通過計算機虛擬現實來模擬和預估產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 提高人們的預測和決策水平， 使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地， 發展到了全方位預報的新階段。與實際制造相比較， 虛擬現實的主要特點是：

（1）產品與制造環境是虛擬現實， 在計算機上進行產品設計、制造、測試， 甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環境檢驗其設計、加工、裝配和操作， 而不依賴于傳統的原型樣機的反復修改;還可將已開發的產品（部件）存放在計算機里， 不但大大節省倉儲費用， 更能根據用戶需求或市場變化快速改變設計， 快速投入批量生產， 從而能大幅度壓縮新產品的開發時間， 提高質量、降低成本。

（2）可使分布在不同地點、不同部門的不同專業人員在同一個產品模型上同時工作、相互交流、信息共享， 減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差， 從而使產品開發以快捷、優質、低耗響應市場變化。

2.虛擬現實技術在機械設計與制造中應用

（1）虛擬產品概念設計。概念設計（Conceptual Design）是創造性思維的一種體現，概念產品是一種理想化的物質形式。概念設計是指對產品起始的設計構思，目的是為了捕捉產品的基本形態。概念設計是產品設計過程中的重要階段，因為產品成本的60%～70%是概念設計決定的。虛擬概念設計使用虛擬現實技術，為設計者提供基于語言識別和手勢跟蹤的輸入方式，設計者可隨時、方便地在三維虛擬環境中操縱產品及零件并改變或修改產品的各種形態建模，并可以在三維空間中對設計對象進行觀察和操作，其目的是獲得足夠多的有關產品式樣和形狀的信息，從而達到滿意的效果。虛擬現實技術在產品概念設計中的應用，使設計師的設計思路和設計表達更加清晰、形象、逼真，讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受。這樣的開發設計大大減少了投放市場的風險性，保證產品開發一次性成功。設計時可以針對不同用戶及愛好者的需求，在不同的虛擬環境中，讓他們親自體驗修改模型的感受，充分感受了自己所喜愛的產品在虛擬環境中的“真實”情況。

（2）虛擬設計。虛擬設計（Virtual Design）就是設計人員設計一個虛擬的產品，來分析、研究、檢查所設計的產品是否滿足設計要求，有問題及時修改，使產品設計更為完善，或者說虛擬現實技術用于產品的開發設計。虛擬設計涉及到許多的學科和專業技術，屬于多學科交互技術，在工程設計上，目前提出兩種基于虛擬現實的工程設計方法。一種是利用現有的CAD 系統產生模型，再將其轉換成虛擬現實軟件支持的格式，然后將模型輸入到虛擬現實軟件的環境中，完成虛擬產品的設計，用戶充分利用各種增強的效果設備，如頭盔顯示器等產生臨境感。另一種是VR-CAD 系統，將虛擬現實技術引入CAD 環境，這種設計環境中的對象不僅具有外形，而且還有重量、材料特性、表面硬度以及一些內在的物理性能、功能作用等信息。對象之間相互作用時能反映出對象內部結構狀態等隨外部輸入的實時改變。設計者直接在虛擬環境中參與設計，采用虛擬設計可以對產品的外形設計、產品的布局設計、產品的運動和動力仿真設計，避免可能出現的干涉和其它不合理問題;同時可以檢查運動構件工作時的運動協調關系。

（3）虛擬制造。虛擬制造（Virtual Manufacturing）是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上，實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造技術在制造業中得以成功地推廣應用，其中在航空航天、汽車等領域中的應用尤為典型。虛擬制造在汽車領域的應用涉及到汽車的整個生命周期，它可以在汽車生產設備、工裝和模具，甚至校車的設計之前，很容易地生產系統和工藝過程進行建模、修改、分析及優化。比如，通用電動車部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 軟件，建成了第一個完全數字化的機車樣機模型，并圍繞這個數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。此舉顯著降低了研制費用及生產成本，大大增強了全球競爭能力。由此可見，虛擬制造用虛擬樣機代替具體物理模型，對產品的全壽命周期進行展示、分析和測試，對存在問題的地方進行修改，提高產品一次試驗成功率，減少設計制造費用，縮短設計開發周期，降低研發成本，提高研發水平，保證產品質量。

4.結束語

現在，虛擬現實技術在工業領域中獲得較為成熟的運用，但仍是初級階段。可以預見得到，虛擬現實技術將逐漸應用到設計制作的各個環節中，為設計制造業的蓬勃發展提供無限動力。

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作者簡介：

施德璨（1992.02.16-），本科，邵陽學院機械系。