虛擬現(xiàn)實及其在機械工程中的應(yīng)用

張先鋒

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，機械設(shè)計與制造在實際生產(chǎn)過程中也在不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。制造企業(yè)要提高市場核心競爭力，必須要加強技術(shù)改造和創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為電子信息化創(chuàng)新的產(chǎn)物，也逐漸地被應(yīng)用到機械制造領(lǐng)域，促進(jìn)了該領(lǐng)域的更好更快發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù)；機械設(shè)計；機械制造；應(yīng)用要點

中圖分類號：X701；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

基于傳統(tǒng)的計算機技術(shù)衍生出了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以逼真的模擬人類的聽覺、觸覺、視覺等感知行為。并且隨著虛擬技術(shù)的越發(fā)成熟，被廣泛應(yīng)用到了各個領(lǐng)域。尤其是機械安全領(lǐng)域，應(yīng)用虛擬技術(shù)，可以對安全事故進(jìn)行逼真的模擬，有利于工作人員尋找事故發(fā)生原因，進(jìn)而提高機械的安全性。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到機械設(shè)計中的優(yōu)勢

1.1虛擬現(xiàn)實擁有廣泛的通用性

虛擬現(xiàn)實慢慢趨于普遍，各個企業(yè)都開始利用這項技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計。虛擬技術(shù)是通過力學(xué)的研究發(fā)展起來的，這就使產(chǎn)品在設(shè)計之初就更加容易建立模型。每個構(gòu)件都有6個自由度，這是虛擬現(xiàn)實的根本。這就使得大部分的設(shè)計建模都能夠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，沒有什么限制，所有企業(yè)都能通過虛擬技術(shù)進(jìn)行建模。

1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用使得機械設(shè)計更加便捷

傳統(tǒng)的機械設(shè)計都是通過紙質(zhì)的畫設(shè)計圖，通過設(shè)計者利用大量復(fù)雜的公式，圖形進(jìn)行計算，從而推算出各個零部件的尺寸，設(shè)計枯燥繁瑣，還更加容易出現(xiàn)錯誤。最關(guān)鍵的是，需要耗費大量的時間和資源建立最初的設(shè)計模型以后，才能判斷設(shè)計是否合理標(biāo)準(zhǔn)。而且一些產(chǎn)品的材料，契合程度都無法從最初的設(shè)計中得到結(jié)論。一旦出現(xiàn)錯誤，還需要再重新進(jìn)行計算核對。這樣又浪費了大量的時間，使得設(shè)計過程更加繁瑣，并且耗費了企業(yè)的資源，使得企業(yè)在最佳的時間錯過了生產(chǎn)，讓企業(yè)失去了核心競爭力。然而，有了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，我們就可以直接通過電腦，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的推算，準(zhǔn)確度大大的提升。這樣的方式也減輕了設(shè)計者的負(fù)擔(dān)，提升了其工作效率。并且在設(shè)計中，能夠建立立體的模型，節(jié)約了企業(yè)的成本。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使設(shè)計者通過構(gòu)件材料，外觀，摩擦，契合程度更好的審視自己的設(shè)計，出現(xiàn)錯誤能夠馬上修改。這樣為企業(yè)節(jié)約出了大量的生產(chǎn)時間。產(chǎn)品生產(chǎn)出來，便可以搶先一步搶奪市場資源，提高競爭力。

1.3虛擬技術(shù)可以更好地進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的處理與分析

在得到許多重要的數(shù)據(jù)以后，虛擬技術(shù)可以將這些數(shù)據(jù)做成圖形或者動畫，通過比對，這些數(shù)據(jù)就會比我們傳統(tǒng)的將數(shù)據(jù)排列一起更加直觀，更加生動。而且利用互聯(lián)網(wǎng)的強大資源，我們甚至可以比對近十年的數(shù)據(jù)。直觀的數(shù)據(jù)比對讓我們能夠更好的認(rèn)識自己企業(yè)的許多方面，從而企業(yè)可以清楚的認(rèn)識自己的劣勢，進(jìn)而增強企業(yè)的競爭力。

2虛擬現(xiàn)實及其在機械工程中的應(yīng)用要點

2.1虛擬制造技術(shù)中的建模技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是指通過計算機技術(shù)將現(xiàn)實中的機械工程、制造工程的流程反應(yīng)出來，將現(xiàn)實中的制造過程數(shù)字化，信息化，規(guī)模化和計算機化。虛擬制造技術(shù)的建設(shè)過程涉及到三種模型的建立。第一種模型是生產(chǎn)模型。而生產(chǎn)模型主要分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩種類型。靜態(tài)模型是指生產(chǎn)模型的性能和功能，動態(tài)模型是指產(chǎn)品所表現(xiàn)出來的生命周期和主要用途。第二就是產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型主要考究的是虛擬制造技術(shù)所產(chǎn)生的模型的外觀。第三種模型就是工藝模型。這種模型是要在用虛擬制造技術(shù)建設(shè)模型的過程當(dāng)中，聯(lián)系各種工藝數(shù)據(jù)，最后將現(xiàn)實中的制造過程映射出來。

2.2虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)

虛擬制造技術(shù)的仿真技術(shù)，就是說用虛擬制造技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的疊加，將現(xiàn)實的生產(chǎn)過程，通過數(shù)字化和模型化，最終展示出來。在仿真技術(shù)的支持下，就可以通過對所產(chǎn)生的模型進(jìn)行各種分析，最后研究出現(xiàn)實當(dāng)中如果建立這種模型是否真實有用。仿真技術(shù)和現(xiàn)實生產(chǎn)是兩種完全分離，并且獨立的生產(chǎn)過程。但是虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)會對現(xiàn)實生產(chǎn)過程中實際模型的建立有著指導(dǎo)作用，而且仿真技術(shù)在建設(shè)模型的過程當(dāng)中可以極大限度的利用高效的計算機技術(shù)，節(jié)約了大量的時間和資源，并且可以建設(shè)出比較完善的模型。

2.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬設(shè)計中的應(yīng)用

虛擬設(shè)計指的是設(shè)計人員通過設(shè)計的虛擬產(chǎn)品，對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行分析、研究、檢查，看是否達(dá)到設(shè)計要求，使設(shè)計的產(chǎn)品更加完善。通常虛擬設(shè)計系統(tǒng)包括虛擬環(huán)境生成器和外圍設(shè)備兩部分組成，虛擬環(huán)境生成器是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主體，包括計算機基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他設(shè)備，相當(dāng)于一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形工作站，可根據(jù)用戶需求在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下，設(shè)計出所需的、多維的、適人化的情景和實例。虛擬設(shè)計系統(tǒng)交互技術(shù)主要集中在視覺、聽覺、觸覺三方面，主要通過這三個方面的輸入和輸出設(shè)備來完成。目前主要應(yīng)用兩種虛擬現(xiàn)實的設(shè)計方法。一個通過現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生模型將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實軟件支持的格式，再將模型輸入到虛擬現(xiàn)實軟件中，從而完成虛擬產(chǎn)品的設(shè)計。另一個是通過VR—CAD系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入CAD虛擬現(xiàn)實技術(shù)環(huán)境，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，這種方式不僅保證了產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境的穩(wěn)定性，又保證產(chǎn)品在虛擬技術(shù)的支持下高精度、高效率地完成。比如通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以檢查運動構(gòu)件工作時的協(xié)調(diào)關(guān)系，可能出現(xiàn)的運動干涉，對軸、齒輪等零件的強度、剛度、耐磨和耐沖擊性能進(jìn)行檢測，確保協(xié)調(diào)、可靠的工作性能?？梢哉f，在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中加入虛擬技術(shù)，有效保證了產(chǎn)品設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性，減少了資金和材料的消耗，為企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)提供有效保障。

2.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械安全領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在機械安全設(shè)計中應(yīng)用虛擬技術(shù)。將虛擬技術(shù)運用到機械的安全設(shè)計中去，可以實現(xiàn)機械各種參數(shù)的整合，從而進(jìn)行模擬，并將這些信息體現(xiàn)的更具有直觀性與立體性。從而提供參考給機械的改造升級與風(fēng)險評估等方面。使相關(guān)的人員可以及時的對機械素偶存在的危險進(jìn)行了解，并制定相應(yīng)的解決措施，提升機械的安全性。當(dāng)前階段利用虛擬技術(shù)進(jìn)行機械安全的模擬，具有數(shù)據(jù)修改方便的特點。設(shè)計人員輸入外部數(shù)據(jù)后，計算機自動進(jìn)行生成模擬，設(shè)計人員便可在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行機械的設(shè)計、裝配等，對其中存在的缺點和危險可以更加直觀的感受到，并進(jìn)行及時的干政，從而有效避免機械發(fā)生安全事故。

（2）在機械安全教學(xué)中應(yīng)用虛擬技術(shù)。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)中教育建設(shè)的開展，高校逐漸由之中時理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實踐相結(jié)合的教學(xué)方式。眾多高校在校園內(nèi)建設(shè)實訓(xùn)基地與實驗室，并開展了實驗課程。機械設(shè)備種類眾多，因此高校在建設(shè)實驗室時往往面臨資金不足的困境，進(jìn)而阻礙了實驗教學(xué)的更好開展。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用為高校的實驗教學(xué)提供了一種新的教學(xué)方式。

結(jié)束語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造工作中，體現(xiàn)了較高的應(yīng)用價值和優(yōu)勢，不僅能有效減輕人力勞動，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益，還能切實增強產(chǎn)品市場競爭力。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日益成熟和完善，必將促進(jìn)機械自動化進(jìn)入一個嶄新的階段，推進(jìn)機械制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、加快發(fā)展。

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