淺談虛擬現實技術在機械工程領域的應用

彭文君

摘 要：隨著虛擬技術發展的步伐變得越來越迅速，其在各個領域的投入也漸漸加大，并取得了良好的成效。而如今，虛擬現實技術在國家支柱產業——機械工程領域的應用也變得日益重要。

關鍵詞：虛擬現實技術 虛擬設計 虛擬裝配 機械仿真

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0039-01

機械工程是國家產業發展的支柱，而如何利用新技術發展這門行業也是當今世界所關心的問題之一。該文以目前虛擬現實技術在機械工程領域中的應用現狀，論述了在機械工程領域中，虛擬現實技術的發展現狀和重要性。

1 虛擬現實技術

1.1 什么是虛擬現實技術

以現代的計算機技術為基礎，利用高科技手段形成逼真的味覺、嗅覺、觸覺、聽覺和視覺一體化的虛擬環境的技術就稱為虛擬現實技術。用戶利用特殊的輸入/輸出設備，通過自然的方式和虛擬世界中的物體進行相互影響，形成一種身臨其境的真實體驗和感受。

1.2 虛擬現實技術的特點

虛擬現實技術主要具有想象性（Imagination）、交互性（Interactivity）和沉浸性（Immersion）三大特點。

所謂的想象性（Imagination）是指通過人的想象來形成虛擬的各種環境，與此同時這些想象也是設計者思想的一種體現，因此對實現特定的目標有一定的作用。

交互性（Interactivity）是指人與虛擬世界之間以自然的方式進行信息互動的過程。其特點包括虛擬環境中人機交互的實時性、人機交互的有效性、人的參與與反饋。

沉浸性（Immersion）也叫做侵入性，是指用戶感覺被虛擬世界所包圍，全身心的置身于虛擬世界。其包括味覺沉浸、嗅覺沉浸、觸覺沉浸、聽覺沉浸、視覺沉浸、身體感覺沉浸等。

1.3 虛擬現實技術的發展歷程

虛擬現實技術的發展一般可分為三個階段：虛擬現實技術的探索階段（20世紀70年代之前）；虛擬現實技術系統化、從實驗室走向實用階段（20世紀80年代初期至80年代中期）；虛擬現實技術高速發展階段（20世紀80年代末期至21世紀初）。

2 虛擬現實技術在機械領域的應用

2.1 虛擬設計（產品的布局設計、外形設計）

虛擬設計指的是把虛擬現實作為基礎，把機械產品作為設計的手段，通過這樣的方式，利用多種傳感器使設計人員和多維信息環境進行交互影響，從定量和定性兩個方面對復雜的環境進行理性和感性的認識，從而有助于創新和深化概念。虛擬設計主要體現在產品的外形設計和產品的布局設計上。

在傳統的汽車工業中，一般情況下開發或設計一輛汽車，需要經過圖紙設計、外形鑄模、多次的評測修改等眾多步驟，并且還會花費大量的時間與資金。而采用虛擬現實技術設計與制造汽車不需要實體建模，簡化很多工序，并根據CAD和CAM程序所收集的有關汽車設計的數據庫進行仿真，極大地縮短了制造周期。

而對于大多數工廠與車間設計中的物流系統、管道鋪設、機器布置等，都需要通過虛擬現實技術對其布局有個合理的設計，避免出現很多不合理的問題。

2.2 虛擬裝配

在機械制造的這個領域中，往往要將成千上萬的零件裝配到一起組成機械產品，然而機械產品的配合設計、可裝配性的錯誤，經常要在最后的裝配時才能給發現產品的錯誤，從而多工廠和企業的信譽和經濟都造成了巨大的損失。采用虛擬現實技術虛擬裝配-機械產品，產品設計的精度不同、形狀不同，所模擬的產品的裝配過程也是不同的，并且用戶可以通過交互的方式，對產品的模擬裝配過程進行控制，從而檢查產品的設計和操作過程是否得當，及時的發現裝配過程中所出現的問題，修改模型。

2.3 機械仿真（機械產品的運動仿真、機械產品的加工過程的仿真）

對于虛擬現實技術所進行的機械仿真，其包括有機械產品的運動仿真和機械產品的加工過程的仿真。前者能夠有效發現并解決運動構件在運動過程中可能的運動干涉檢查、運動范圍設計、運動協調關系等問題，而后者則可通過仿真，預先發現產品設計的加工方法、加工過程等方面的問題，通過修改設計或采取其他措施，確保產品的質量和工期。

2.4 虛擬樣機

機械產品的工作性能及質量，往往通過最終樣機的試運轉才發現的。但是此時所出現的很多問題都是沒有辦法改變的，修改設計就意味著全部或者是大部分的重新試制或報廢。用虛擬樣機取代傳統的硬件樣機來檢測機械產品的質量和工作性能，可大大節約了新產品開發的時間與費用，并能明顯地改善開發團體成員之間的交流方式，審核最終產品。

3 虛擬現實技術在機械領域運用目前所存在的問題

虛擬現實技術是一門較年輕的科學技術，并且在多個領域包括機械中表現了十分廣闊的前景與巨大的潛力，但不可否認的是這門技術目前仍所面臨著不少的問題。在硬件設施方面，虛擬現實技術面臨著相關設備不完善，效果不佳等缺陷，并且設備價格也十分昂貴。在軟件方面，虛擬現實技術相關軟件則存在著語言專業性較強、通用性與易用性差的缺點。對于這門年輕的科學技術來說，還有有很多技術層次的問題需要改進，如制作出得可信度低，達不到以假亂真的效果等，這些都是虛擬現實技術在機械領域運用目前所存在的問題。并且就目前的狀況來看，虛擬現實技術在機械領域的應用還遠遠不夠，有待加強。

4 結語

在現今的工程機械領域中，虛擬仿真技術得到廣泛的應用，不僅能夠提高企業的生產效率，縮短產品的生產周期，降低生產成本，提高設計質量。并且由于虛擬仿真技術的運用使得企業的生產具有了快速的市場反應能力和高度的柔性化，明顯增強了市場競爭力。在今后，機械與虛擬現實技術的關系必將會變得更密不可分，而機械產業也定會隨著虛擬現實技術的不斷完善與進步發展得更加強大。

參考文獻

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