基于VRML的虛擬現實技術在機械設計中的應用

劉 蓬

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國工業設計領域的競爭不斷激烈以及社會生產生活的需求逐步提升，進一步提高機械設計的科技性和效率已經成為該領域發展過程中的主要目標。而現代化技術的興起為機械設計的發展奠定了更穩定的基礎，其中虛擬現實技術是集互聯網以及科技共同達成的先進技術體系，而VRML則是結合實際的機械設計打造可行的設計方法，二者相融合能夠為機械設計提供高質量的發展空間。但是，我國在虛擬現實技術領域的研發依舊處于不斷創新階段，將其應用在機械設計中也需要結合實際的需求落實創新，因此結合實際案例分析VRML虛擬現實技術在機械設計中的應用方式，能夠為后期的優化和創新提供理論和技術依據。

1 基于VRML的虛擬現實技術簡述

1.1 虛擬現實技術體系

虛擬現實技術又被稱為VR技術，也可以稱為靈境技術，是近些年伴隨著科學技術的不斷創新而產生的新型技術成果，其應用需要借助軟件設備以及硬件設備進行輔助，比如平臺軟件作為視覺畫面載體，數據庫作為數字化信息轉型的重要依據，主要的硬件設備以頭盔、數據手套以及三維鼠標為主。從形式上來看，虛擬現實技術的應用為人們提供一種仿真的人機交互環境，能夠讓信息更加逼真，同時可以達成真實生活中無法觸及的空間境界，因此其應用過程具備一定的沉浸感和交互性。

1.2 VRML技術體系

VRML又被稱為虛擬現實構造語言，主要是結合虛擬現實技術的實際特征以及本質形式通過3Dweb打造的程序語言。首先需要將三維場景通過文本信息闡述出來，然后通過互聯網上傳到網頁平臺上，在設備的VRML瀏覽器中通過文本信息的數字化轉型將其構建為三維場景，最終的成果便是人們在VR體驗過程中看到的實際場景。整體的VRML技術體系涉及到了開發軟件、編寫平臺、虛擬仿真瀏覽器等結構[1]，貫穿在虛擬現實技術應用的各個方面，能夠為其提供最基礎的技術元素，同時也是虛擬現實技術創新的前提條件。

綜合當前建立在VRML技術體系上形成的虛擬現實技術應用優勢來看，具有極強的使用價值，最大的優勢便是能夠跨越空間，打造虛擬模型，不必產生過多的資源和成本浪費；另外，建立在虛擬網絡的基礎上，可以不斷進行功能和設計方法的優化，落實創新和嘗試，對于當前的機械設計發展來講有著極強的輔助作用。

2 基于VRML的虛擬現實技術應用在機械設計中的必要性

技術體系的創新為機械的發展提供了極為廣闊的發展空間，改變了最初體積大、操作笨拙的缺點，逐漸向全自動控制以及智能化方向發展，成為了機械應用價值提升的重要依據，而建立在虛擬現實技術的基礎上落實機械產品的研發，首先可以為其創新提供實踐空間，在進行樣機制造之前，可以先通過虛擬現實技術打造虛擬樣機，結合實際的需求改變虛擬樣機的相關細節，進行調試和可靠性分析[2]，不斷落實設計和完善，能夠有效改善傳統的成本消耗以及資源消耗缺點，同時也可以進一步縮短制造時間。詳細的虛擬現實樣機設計模式如圖1所示。

圖1 虛擬現實產品設計流程

因此，我們可以發現，利用虛擬現實技術作為機械設計的前期優化工具，不僅能夠有效提升機械產品的合理性和科學性，也可以進一步增強機械設計的效率和效益。在我國當前的機械設計領域，建立在VRML基礎上的虛擬現實技術，已經成為了應用較為廣泛的技術體系之一，能夠涉及開發、模擬、檢測、優化等多重功能，可以促使設計好的虛擬樣品與實際需求之間相符，并且可以實現功能創新，能夠為機械設計提供更加廣闊的發展空間。

3 在機械設計中應用虛擬現實技術的實際流程

針對虛擬現實技術的實際應用方式，我國當前大部分的機械設計領域已經開發出了具有獨特性和普世性的技術體系，比如通過網絡應用鼠標、顯示器以及鍵盤，建立在編程語言的基礎上打造出了機械設計流程，詳細流程如圖2所示。

圖2 基于VRML虛擬現實技術的機械設計流程

首先，需要根據機械的實際用途和相關功能建立起基礎模型，這個過程是虛擬仿真技術應用的關鍵環節。通常來講，建模所使用的工具以VB、VC＋＋為主，可以利用wtk或者SDK虛擬現實軟件進行工具開發，通過SolidWorks、3DMAX、PROE等應用較為廣泛的第三方工具進行建模分析[3]，然后將其以虛擬現實文件的格式導出。在這一過程中，建模的對象以機械的主體結構和各零部件為主，主要展示不同零部件之間的交互關系，促使零部件和主體之間相輔相成。

當建模結束之后，便可以通過軟件進行虛擬裝配，將主體結構和各個零部件結合起來。在這一過程中，可以直接檢查零部件是否能夠滿足生產需求和操作需求，這種虛擬裝配借助上述第三方軟件便可以完成。

裝配結束之后，需要通過ADAMS等力學軟件進行設備的動力學以及運動學仿真分析，也需要利用ANSYS等軟件對虛擬設備進行有限元分析[4]。這些分析能夠進一步提升虛擬設備的仿真質量，并且使其滿足實際的生產和操作要求。

在相關力學性能滿足了實際的生產需求之后，還需要通過軟件檢測系統結構的相關功能。例如，針對礦產開發過程中的煤層氣鉆機，在構建了基礎虛擬模型并且檢驗結束之后，還要結合機械設備的個性化系統進行分析，比如其中的機械結構是否符合需求，液壓系統是否能夠穩定工作，控制系統是否可以實現功能控制等，在這一過程中檢驗軟件通常以Matlab為主。

根據檢驗結果進行優化之后，便可以將虛擬模型導出，傳輸至虛擬現實瀏覽器內，可以通過軟件以及硬件的配合落實人機調控，通過頭盔能夠直接觀看機械的設計形態，通過電子手套可以進行功能檢測[5]。若設備允許，可以直接與客戶進行溝通，通過互聯網和軟件可以直接查看設備的設計情況以及相關功能，這也是建立在虛擬現實系統基礎上提升機械設計效率的主要優勢。通過互聯網多方主體便可以快速地獲悉設備設計的情況，并且進行功能檢測；通過信息反饋，能夠為機械的優化提供依據。當所有的性能檢測合格之后，還可以直接通過互聯網將文件傳輸至生產廠商，直接進行生產制造。

4 結語

綜上所述，隨著當前信息技術的不斷優化和調整，虛擬現實技術已經成為了社會生產生活質量提升的主要依據。虛擬現實技術、互聯網和信息技術于一體，建立在瀏覽器、軟件、硬件設備的基礎上打造了跨空間的三維技術體系，在當前的機械設備設計環節中有著極強的應用價值。通過技術體系的優化能夠及時檢測機械設計環節中存在的誤區，并且落實針對性調整，對于強化機械設計的合理性有著一定的促進作用，同時也能夠極大地節約時間和優化成本；對于相關企業而言，是提高生產效益的重要舉措；而針對機械設計領域的未來發展而言，能夠描繪一幅自動化、智能化、高效化的發展藍圖。