虛擬現實技術及其在機械設計與制造中的應用初探

姜曉麗

摘要：虛擬現實技術是指通過計算機創設虛擬環境，使用戶在該環境中體驗與真實環境相同的感受，具有實時性、交互性、沉浸性及感知性等特征。基于其虛擬現實功能，該技術在航空航天、設計、教育及軍事等領域有廣泛應用，相關研究較為豐富，但關于虛擬現實技術在機械設計與制造中應用的研究較少，對其開展分析具有理論意義。

關鍵詞：虛擬現實技術;機械設計制造;應用要點

引言

近年來，我國的科學技術水平尤其是計算機互聯網相關技術發展迅速，在此背景下，基于計算機互聯網技術而產生發展的虛擬現實技術日益影響到了人們的生產生活。作為一種新興的高科技技術，虛擬現實技術在機械設計與制造中被廣泛應用，有效推動了機械設計與制造產業的發展。當前，我國對虛擬現實技術在機械設計與制造中的應用研究不足，使得虛擬現實技術在機械設計與制造中應用的優勢和價值難以發揮。

1虛擬現實技術的特點

1.1實時性

虛擬現實技術的運用可以讓產品和用戶之間進行即時性、深入性的交互，對于提高用戶的產品體驗是極為重要的。而且生產商還能夠在第一時間把用戶的產品體驗和反饋建議進行記錄，并在短時間內對產品的不足之處進行調整、優化。除此之外，機械產品的設計結構也可以通過虛擬現實技術真實反映到計算機中并進行實時同步，這對于提升機械產品的性能是十分有利的。

1.2感知性

虛擬現實技術可以讓人們用視覺、觸覺、聽覺等不同的感知途徑來了解、體驗機械產品的特點和功能，這種方式既可以為機械產品的設計人員帶來更豐富的設計靈感，還可以幫助人們了解當前機械產品在功能上有待提升與完善的部份，對于機械產品后續的更新、升級意義重大。

1.3交互性

把虛擬現實技術融入到機械設計與制造環節中，可以讓所有機械產品的體驗者用自然、輕松的方式和虛擬世界里的事物進行即時的信息交互，也可以運用不同的手勢或者語言下達命令操作虛擬對象。

1.4沉浸性

沉浸性是虛擬現實技術的重要特點之一，通俗地說就是觀察者在面對虛擬世界情感時的一種真實反映，虛擬現實技術利用計算機構建出一個高度真實的虛擬環境，使用者的感知力（視、聽、觸、嗅等等）可以如同在真實世界中那樣運用，并且不會受到任何影響。

2虛擬現實技術及其在機械設計與制造中的應用

2.1虛擬設計

在機械設計中，虛擬現實技術的應用以建模、測試、裝配流程為主，設計人員可通過虛擬環境進行機械設計參數的調節、呈現三維立體設計模型，避免產品設計中出現缺陷。常用的虛擬機械設計方法有商業CAD系統與VR環境的融合、專業VR-CAD系統兩類。前者是指設計人員在虛擬環境中感知機械產品，應用CAD軟件進行設計及優化改進;后者則直接在虛擬環境中完成產品感知及設計調整操作。目前虛擬機械設計在汽車和航空領域有較為廣泛的應用，例如，德國大眾研發了Cave系統，可全面呈現汽車結構，為設計優化提供虛擬環境;美國通用公司研發了虛擬現實軟件，設計人員可在軟件內進行虛擬汽車設計，在虛擬環境中呈現三維立體圖像，設計人員也可在設計室內，通過虛擬現實技術，獲得汽車使用體驗，根據虛擬環境中汽車三維模型的改進細節與自身體驗，進行調節與改進，優化機械產品設計。

2.2虛擬裝配

在傳統機械制造中，機械零件的裝配由仿真軟件實現，構建機械零件的三維模型，設定裝配順序，完成模擬裝配與產品分析。這種裝配方式呈現的裝配效果有限，不能展示零件裝配中存在的隱蔽問題。虛擬裝配是指將機械零件置于虛擬環境中，設計人員可通過人機交互方式，控制零件進行裝配，并細致觀察機械零件的裝配過程，了解機械零件在實踐應用中的不足，進一步優化機械零件的設計方案。福特汽車公司及波音公司均在產品裝配中引進虛擬現實技術，進行轎車及飛機的虛擬裝配，將設計改動分別減少20%及18%，產品研發周期分別縮短12周與3年，提高機械產品開發效率，可為制造企業創造更高收益。

2.3虛擬現實技術在機械制造中應用

虛擬現實技術在機械制造中的應用主要有三種表現形式，分別為設計、控制與生產。在機械制造中，相關工作人員可以先行應用虛擬現實技術，模擬在機械制造中的產品設計情況，并以此作為依據對機械產品的制造工藝與技術等進行不斷地調整與改進，使得機械制造技術工藝獲得提升，提高機械制造的效率與質量水平。在機械制造過程中，則可以應用虛擬現實技術對整體制造過程流程進行模擬，從而更好地控制機械制造工作，對機械制造進行管理，更加細致地對機械制造過程進行監控。在機械制造生產中，虛擬現實技術則能夠及時地發現產品問題，從而加以解決處理，提升機械產品品質性能。

2.4工程數據可視化

在傳統機械設計中，設計人員通過有限元分析方法進行產品模型分析，分析過程較為復雜，分析結果體現的設計問題不夠全面。在引進虛擬現實技術后，設計人員可將有限元分析置于虛擬環境中，完成機械產品的形體網格劃分，以圖形方式呈現有限元分析結果，實現工程分析數據可視化，可獲取機械產品更為全面直觀的參數數據，找出機械產品復雜結構中的隱蔽問題，進而優化設計。以汽車和飛機造型設計為例，在設計時需設計人員進行流體動力學計算，而數據計算會受有限元分析中的網格劃分影響。在虛擬現實技術支持下，設計人員可針對汽車或飛機結構的不同區域，踐行針對性網格劃分，了解其速度、壓力所在環境的渦流、剪切層及沖擊波等參數，使設計方案更為合理。

2.5構建模型

對于機械零件而言，通過虛擬現實技術進行設計，和傳統設計方式不同，不僅要給出設計圖紙，還需提供零件與設備的裝配效果及爆炸圖。在應用X3D虛擬現實技術時，設計人員將UGNX10.0環境為虛擬設計環境，結合機械零件的尺寸要求，進行基礎三維建模，將模型文件存儲為.catpart格式，并通過CATIAV5-6R進行渲染，完善模型，并存儲為*.wrl格式，為X3D虛擬設計奠定基礎。在三維建模完成后，設計人員進行絕對原點的設置，為機械零件虛擬裝配中的運動軌跡設定參照點，避免機械零件圍繞錯誤中心運動。同時，在UGNX10.0環境下進行機械零件裝配的仿真模擬，模擬其在虛擬環境中的運動，明確機械零件的運動軌跡，記錄機械零件運動時的坐標，保障虛擬裝配的準確性。

2.6人機工程學評價

在傳統機械設計中，人機分析及機械產品評價在樣機模型制作和試制產品中完成。在虛擬現實技術支持下，可在產品設計環節進行人機工程學評價，設計人員可在虛擬環境中創設虛擬的操作者和虛擬的機械產品，由虛擬的操作者進行虛擬機械產品的使用，了解機械產品制造的性能、功能等狀況，獲取全面的人機工程學參數，為設計優化提供數據參考。例如，在汽車設計中，設計人員可通過虛擬現實技術進行汽車駕駛室內操作性能的分析，了解設計中方向盤距離、車身高度及車門進出效果等參數性能。

結束語

綜上所述，虛擬現實技術在機械設計與制造中的應用內容較為豐富，包括虛擬設計、虛擬裝配、人機工程學評價及工程數據可視化。借鑒機械零件的設計與制造流程，制造企業可根據設計方案構建機械產品的三維模型，在虛擬環境中模擬機械產品的實踐應用，發現機械產品設計的不足，優化設計方案。

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（作者單位：南通泰勝藍島海洋工程有限公司）