虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

袁卓偉

（遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

引言

“十四五”期間，我國把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，建設(shè)科技強(qiáng)國已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展方向。在我國，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)行業(yè)，其關(guān)鍵技術(shù)不斷被突破，市場規(guī)模不斷增大，許多終端產(chǎn)品問世后遠(yuǎn)銷海外，獲得較多贊譽(yù)。就目前看來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最常見的是應(yīng)用于游戲行業(yè)、教育行業(yè)和航天軍事等領(lǐng)域，在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造行業(yè)的應(yīng)用案例比較少，因此探討這一問題更加有助于機(jī)械行業(yè)融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱VR技術(shù)，是依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)和仿真技術(shù)發(fā)展而來的新時(shí)代應(yīng)用技術(shù)。作為我國科學(xué)技術(shù)的一次大跨步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給人們的生活和工作帶來了極大的改變，已經(jīng)有許多行業(yè)紛紛引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，改變了原有的生產(chǎn)方式和運(yùn)營模式，推動(dòng)企業(yè)朝著智能化方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門基于多種信息技術(shù)學(xué)科的交叉學(xué)科，例如數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等，它是一種計(jì)算機(jī)生成的高科技虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早由美國人在創(chuàng)造，早先都是用于美軍的軍事訓(xùn)練之中。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到其他行業(yè)之中，比如醫(yī)療以及游戲行業(yè)等，并且在行業(yè)中的應(yīng)用效果非常好，該行業(yè)已被廣泛使用[1]。對于年輕人來說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與游戲息息相關(guān)。國內(nèi)外許多大型游戲公司都在積極開發(fā)大多數(shù)年輕人喜歡的虛擬現(xiàn)實(shí)游戲。實(shí)際投入當(dāng)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有以下特點(diǎn)：

1）實(shí)時(shí)性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過終端設(shè)備在一定空間內(nèi)呈現(xiàn)特定環(huán)境、特定時(shí)間下的情景，滿足用戶實(shí)時(shí)沉浸的需求。在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中，工作人員可以通過虛擬設(shè)備實(shí)時(shí)觀察機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造過程，同步機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中出現(xiàn)的問題，及時(shí)排查，找出機(jī)械問題的根源，有利于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的準(zhǔn)確性和效率提升。

2）交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們提供了現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的連接，將人與物在某一時(shí)空中相會(huì)，并讓人能夠通過感官清晰地感受目標(biāo)物體。

3）沉浸性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所呈現(xiàn)的環(huán)境可以做到同現(xiàn)實(shí)環(huán)境相差無幾，使用戶在借助虛擬技術(shù)體驗(yàn)時(shí)獲得與現(xiàn)實(shí)世界相同的感受。

4）感知性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相較于其他高科技，更強(qiáng)調(diào)人對物體的感知效果，可以充分利用人類具有的敏銳感知能力去了解事物。正是借助這一特征原理，工作人員在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中通過視覺、觸覺、聽覺等感官來檢驗(yàn)機(jī)械操作，可以更加深入地把握機(jī)械設(shè)計(jì)形態(tài)和生產(chǎn)成品。

綜合以上特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新提供了前所未有的技術(shù)支持，讓機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)不再局限于傳統(tǒng)的圖紙、電子模型，而是可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的形式呈現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)成果，更加直觀地提供給使用者；也讓機(jī)械制造不再反復(fù)進(jìn)行測試和檢驗(yàn)，而是可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步進(jìn)行調(diào)整。此外，設(shè)計(jì)與制作過程中出現(xiàn)的各種問題，都將通過虛擬技術(shù)暴露在人們的肉眼之下，大大節(jié)約了時(shí)間成本和人力成本，提升了產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的總體效率[1]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的優(yōu)勢

2.1 滿足虛擬設(shè)計(jì)的需求

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，前期需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)、資料收集，不僅要對產(chǎn)品外觀進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，也要充分考慮到產(chǎn)品的實(shí)用性、可操作性等功能特性。無論設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的哪一部分出現(xiàn)了問題，都將會(huì)影響到最終的機(jī)械產(chǎn)品誕生。因此，對于設(shè)計(jì)者而言，能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就對手中的設(shè)計(jì)對象有一個(gè)立體清晰地了解是十分重要的，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)恰恰使這一想法變成現(xiàn)實(shí)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以通過終端設(shè)備操作調(diào)整設(shè)計(jì)對象的各項(xiàng)參數(shù)，借助3D建模將設(shè)計(jì)產(chǎn)品體現(xiàn)出來，并利用虛擬技術(shù)檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性方案，從中找到此前未能發(fā)覺的問題，并升級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)[2]。

2.2 滿足虛擬裝配的需求

在機(jī)械制造行業(yè)，我國很早便已經(jīng)采用仿真技術(shù)輔助產(chǎn)品裝配。然而，仿真技術(shù)只能將產(chǎn)品的各個(gè)零件進(jìn)行組裝適配，確定產(chǎn)品各部分零件的安裝流程，對于產(chǎn)品零件內(nèi)部的適配性無法精準(zhǔn)的評(píng)估。隨著機(jī)械行業(yè)和機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用需求的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員便利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將產(chǎn)品的各部分零件在虛擬場景中呈現(xiàn)，并設(shè)置相應(yīng)的程序完成各個(gè)零件之間的組裝。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也可以通過虛擬技術(shù)中的人機(jī)交互體驗(yàn)調(diào)整零件安裝過程的細(xì)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)測零件組裝期間的動(dòng)態(tài)，并且可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品存在的缺陷，提出相應(yīng)的修改意見。

2.3 獲取人機(jī)工程學(xué)評(píng)估

設(shè)計(jì)界有一條不必言明的準(zhǔn)則便是設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需符合人機(jī)工程學(xué)原理，那么機(jī)械制造行業(yè)也當(dāng)如此。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中的人機(jī)工程學(xué)內(nèi)容不外乎設(shè)計(jì)需要滿足使用者的使用需求、生理需求和心理需求等各方面因素，探查適合人體結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)與機(jī)器之間的融洽配合。當(dāng)前，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以更加方便地獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)中地人機(jī)工程學(xué)評(píng)估，了解一項(xiàng)新型產(chǎn)品的性能指標(biāo)、運(yùn)行效果等，并可以為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可參考意見。

2.4 實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)可視化

相較于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入機(jī)械設(shè)計(jì)制造的一大優(yōu)勢便是工程數(shù)據(jù)可視化，此舉將會(huì)大大降低工程項(xiàng)目的復(fù)雜性，減輕設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程大多需要借鑒以往許多經(jīng)驗(yàn)，從大量資料文獻(xiàn)中獨(dú)辟蹊徑找到適合的設(shè)計(jì)方向，并且設(shè)計(jì)過程十分艱難，需要考慮到產(chǎn)品方方面面的內(nèi)容。而使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，盡管仍然需要全面考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)過程卻簡便了許多。設(shè)計(jì)人員可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作放置在虛擬場景中進(jìn)行，借助程序運(yùn)行對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，呈現(xiàn)出直觀且具有可參考意義的數(shù)據(jù)，并通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)間的邏輯把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。此外，運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析更加精確，其結(jié)果比傳統(tǒng)的機(jī)械制造更加可靠[3]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

所謂的虛擬設(shè)計(jì)指的就是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出來一個(gè)虛擬的產(chǎn)品，對產(chǎn)品進(jìn)行分析和研究。使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以更加的完善。機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，技術(shù)人員可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)想法投射到虛擬場景中，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行性能和質(zhì)量上的測試，評(píng)估其投入市場后的反饋，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并加以完善。目前，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)常用到的方式是將商業(yè)CAD系統(tǒng)和VR環(huán)境結(jié)合，設(shè)計(jì)人員可以對虛擬場景中的產(chǎn)品進(jìn)行感官感知，測試產(chǎn)品使用的體驗(yàn)等，隨后通過CAD軟件進(jìn)一步改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。另一種方式是借助專業(yè)VR-CAD系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在虛擬場景中對產(chǎn)品進(jìn)行檢測，并直接對其做出修改和調(diào)整。這兩種機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的時(shí)間比較久，例如國外一知名汽車品牌就已經(jīng)自主開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，將汽車設(shè)計(jì)通過虛擬技術(shù)呈現(xiàn)在虛擬環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員可以直觀地了解當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，甚至可以體驗(yàn)汽車運(yùn)行時(shí)的駕駛感覺，為后續(xù)機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)整提供巨大的幫助[4]。

3.2 虛擬制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以在機(jī)械制造和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中發(fā)揮出自己的優(yōu)勢，并且還可以合理的融入到機(jī)械制造環(huán)節(jié)當(dāng)中。不僅可以很好的去替代仿真技術(shù)還可以更好的發(fā)揮出自己的作用。因此，在機(jī)械制造設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員可以充分地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在運(yùn)用的過程當(dāng)中需要確保技術(shù)的應(yīng)用，并運(yùn)用三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)來觀察機(jī)械制造的情況。機(jī)械行業(yè)中的企業(yè)通常掌握著行業(yè)中較為先進(jìn)的一批技術(shù)，因此當(dāng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)誕生之后，不少企業(yè)紛紛考慮將這一技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，以求機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)效率提升。在這之后，許多機(jī)械制造企業(yè)成功將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入設(shè)計(jì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為企業(yè)發(fā)展開創(chuàng)了新的方向。在機(jī)械制造過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用于把控產(chǎn)品制造、裝配的質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員可以通過虛擬技術(shù)觀察各零件加工的狀態(tài)以及零件裝配情況等，也可以通過模擬裝配的方式檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。例如，許多機(jī)床動(dòng)力機(jī)械對于零件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸需要精確到分毫，才能確保機(jī)床在使用過程中完成預(yù)先設(shè)置的作業(yè)。但傳統(tǒng)的機(jī)械制造模式產(chǎn)生誤差的可能性較大，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以清晰地觀察到機(jī)床各零件制造、組配的情況，減少機(jī)械誤差。除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以提高機(jī)械制造技術(shù)的整體水平，更好的提高機(jī)械質(zhì)量。并且還可以更好地簡化生產(chǎn)工序，降低員工的工作壓力，避免再生產(chǎn)當(dāng)中受到更多因素的影響。由此可見，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以從根本降低生產(chǎn)成本，在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中都可以更好地去節(jié)約資源。而且虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)還可以在生產(chǎn)當(dāng)中去更好的代替物理模型，可以隨時(shí)去檢測機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際情況，對于制造當(dāng)中存在的問題進(jìn)行修改，以此來提高產(chǎn)品質(zhì)量。需要注意的是，在實(shí)際的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用過程當(dāng)中，技術(shù)人員需要做好每一項(xiàng)的工作。

3.3 產(chǎn)品開發(fā)過程中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

“虛擬制造”的概念。“虛擬制造”在1990年提出，通過系統(tǒng)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的融合，將現(xiàn)代制造工藝、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、并行工程、信息技術(shù)、多媒體技術(shù)集于一身，這是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造行業(yè)發(fā)展的一大進(jìn)步。在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造當(dāng)中不論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題都會(huì)影響到產(chǎn)品的整體質(zhì)量，都需要對制造出來的產(chǎn)品進(jìn)行重新測試，這樣的生產(chǎn)環(huán)境很難提高生產(chǎn)效率，甚至還會(huì)浪費(fèi)更多資源，很難保證生產(chǎn)效應(yīng)。把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，技術(shù)人員可以在沒有物理樣機(jī)的情況下對產(chǎn)品的性能進(jìn)行檢查，了解機(jī)械生產(chǎn)的實(shí)際情況。并且，在產(chǎn)品開發(fā)的過程當(dāng)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以縮短生產(chǎn)周期。

3.4 虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

所謂的概念設(shè)計(jì)指的就是理想化的物質(zhì)形式。概念設(shè)計(jì)的主要目的就是更好地去捕捉產(chǎn)品的形態(tài)。并且概念設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造當(dāng)中的主要環(huán)節(jié)。在概念設(shè)計(jì)當(dāng)中去運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)可以更好地為設(shè)計(jì)人員提供手勢跟蹤和語言識(shí)別等輸入方式。并且設(shè)計(jì)人員可以更方便在三維虛擬環(huán)節(jié)當(dāng)中對零件進(jìn)行修改，對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行觀察。除此之外，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)生設(shè)計(jì)當(dāng)中，還可以幫助設(shè)計(jì)師把自己的設(shè)計(jì)思路更加清晰的表達(dá)出來，讓人可以一目了然。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以減少風(fēng)險(xiǎn)，還可以更好地去滿足不同用戶的需求，在虛擬的世界當(dāng)中可以讓用戶對模型進(jìn)行深入的體驗(yàn)。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造之中，給予了機(jī)械制造行業(yè)全新的生產(chǎn)模式。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以憑借數(shù)據(jù)可視化、人體工程學(xué)分析等優(yōu)勢改善機(jī)械在設(shè)計(jì)和制造過程中的誤差，大大提升機(jī)械產(chǎn)品的性能質(zhì)量和剩下產(chǎn)銷率，為企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。