虚拟现实在机械设计制造中的作用分析

张博

摘要：制造企业为了在竞争中求得生存和发展，必须以最快的上市速度，最好的质量，最低的成本和最优的服务，满足不同顾客的需求，这就要求企业生产活动必须具有高度的柔性，对市场需求的变化做出快速反应，虚拟现实技术由此产生。本文首先阐述了虚拟现实技术，然后对虚拟现实在机械设计制造中的作用进行了分析。最后结合我国实际情况对虚拟现实在未来机械设计制造中的应用进行了展望，以供广大读者参考。

关键词：虚拟现实技术；机械设计制造；作用

一、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是21世纪的先进技术，开始于上个世纪80年代，将计算机仿真技术与各领域新技术相结合。目前学术界还没有关于虚拟现实技术的明确定义，从一定意义上来说就是一种新的人机界面，追求利用计算机制造逼真环境，通过触觉、视觉和听觉等传给用户，让用户能够在此环境中实现交互活动。虚拟现实创建了人与世界的计算机系统，利用这一技术能够让人产生身临其境的感觉，这也是虚拟现实技术的本质。

虚拟现实技术能够提供逼真的虚拟环境，让用户进入后成为其中的一员，并进行实时交互活动，感知虚拟世界的各种对象，获取身临其境的感觉。详细来说，虚拟现实技术的主要特征包括：第一，沉浸性。用户在虚拟现实中可以通过自己的触觉、视觉和听觉来感知虚拟世界，而在虚拟环境中一切感觉都是逼真的，能够给用户带来身临其境的机会。第二，交互性。虚拟现实能够创建一个动态的世界，实现人机交互，使用者不仅可以利用计算机进行交互，同时还可以通过数据手套、声音命令等交互手段进行各种设计。第三，多感知性。虚拟现实系统装有听觉、视觉和触觉等传感装置，方面用户获取信息，从而发挥人的多项潜能，提升设计可用性。

二、虚拟现实在机械设计制造中的作用分析

详细来说，虚拟现实技术在机械设计制造中的应用主要包括：

（一）虚拟产品概念设计

概念产品是一种理想化的物质形式，是创造性思维的体现，就是对产品初始的设计构想，目的在于通过构建其基本形态来展现产品，这是产品设计的重要阶段，占到产品成本的60%左右。虚拟现实技术应用于虚拟概念设计中能够为设计者提供基于语言、手势的输入方式，设计者就可以在三维虚拟环境中操纵零件、产品等来修改产品形态，能够实现在三维空间观察和操作设计对象，从而获取更多关于产品的信息，达到最佳效果。比如目前比较流行的故事版平面设计就是其中的代表，使设计师思路更为清晰、逼真，让人获得直观的交互感受，减少了投放市场的风险性，提升了产品开发的成功率。另外一方面，设计者可以根据用户的不同需求来创造，让用户亲自体验感受，比如可以通过触摸屏选择产品色彩、造型和装饰灯，从而构成逼真的三维模型，让用户感受虚拟环境中的产品情况。

（二）虚拟设计

虚拟社交是设计人员设计的虚拟产品，主要是通过分析、研究和检查设计的产品来判断是否符合设计要求，并及时修改问题，完善产品设计。一般来说，虚拟设计系统包括虚拟环境生成器和外围设备两个部分，前者是整个系统的主题，能够根据用户需求在数据库支持下产生多维的、人性化的实例，这一部分由计算机软硬件组成，可以说是包括各种数据库的高性能工作站；后者包括人机交互工具、信号控制装置等部分。目前虚拟设计系统交互技术集中于触觉、视觉和听觉，输入和输出设备是交互的主要方式，比如语音输入、数据手套等，虚拟设计涉及到多个领域，属于多学科交互技术，目前比较流行的交互技术是利用CAD系统产生模型，然后再转换为虚拟现实软件支持的格式，输入到虚拟现实软件中，从而完成虚拟产品的设计。另外还有一种VR-CAD系统，将虚拟现实技术引入到CAD环境中，不仅仅包括外形，同时还有重量、表面硬度、材质等信息，相互作用时能够实时改变对象内部结构形态，设计者也可以在环境中参与设计，对产品进行外形设计、布局设计、动力仿真设计等。比如在减速器设计方面就可以通过对壳体进行修改和评测，将确定的建模数据用于成型模具设计和加工中。比如可以通过虚拟现实技术全面展示布局设计，避免出现各种不合理问题，随时对运动构件的运动协调关系进行检查，确保运动在可能出现的范围内，并需要及时检查轴、齿轮等零件的强度，确保工作协调、可靠开展。

（三）虚拟制造

虚拟制造是实际制造在计算机上的映射，也就是计算机仿真与虚拟技术在高性能计算机网络支持下，实现产品设计、性能分析、加工制造等各个过程的管理和控制，从而增强制造过程中决策和控制能力。目前虚拟制造出现了三个流派，包括以设计为中心、以生产为中心和以控制为中心的虚拟制造。比如减速器壳体成型设计中就利用了物理模拟方法对金属材料进行动态仿真，从而能够预测成形材料的性能和质量，实现对形成材料性能和质量的优化设计。比如在齿轮、轴等零件加工仿真过程中也可有利用虚拟加工来选择最佳的加工参数和机床刀具路径，这样就便于分析产品设计的合理性，对加工过程中出现的缺陷进行修改。比如在设计阶段还可以通过虚拟制造技术对轴系部件进行装配，避免出现各种差错，提高生产效率。虚拟样机代替具体减速器能够全面展示、分析产品的全寿命周期，对存在的问题进行及时修改，减少设计制造费用，提高产品试验成功率，缩短制造工期，保障产品质量。

三、关于虚拟现实在机械设计制造中应用的展望

通过以上分析我们能够认识到，虚拟现实技术在机械设计制造中发挥着重要作用，结合我国特殊情况，本文认为虚拟现实下一步的应用规划主要包括：第一，重点机械投资项目，由于这些项目投资金额比较大，一旦出现失误就会带来巨大的经济损失，但是利用虚拟现实技术可以有效避免这些损失，从而设计最优方案，并且与投资费用相比，虚拟现实系统费用较少。

第二，样机引进项目。我国很多机械设备样机都引自发达国家并进行防止，但是效果差強人意，主要是仿制仍然停留在低水平抄袭层次，缺乏系统水平领域的理解，如果采用虚拟现实技术则可以跟踪样机的设计思想，并通过系统模拟来指导设计，这样就可以主动发现样机的缺陷并进行改建。

第三，国民经济骨干行业，比如军事工业、工程机械工业等都是对国民经济影响比较大的行业，如果虚拟现实技术运用于这些行业则会给国家带来更大的经济效果，目前国外已经非常成熟将虚拟现实技术应用于这些行业中，所以我国也应该开发更为成熟的虚拟现实技术，找到市场切入点，加强国内外交流，建设具有我国特色的虚拟现实技术。