虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

2022-03-15袁卓伟

现代工业经济和信息化 2022年10期

袁卓伟

（辽阳职业技术学院，辽宁辽阳 111000）

引言

“十四五”期间，我国把科技自立自强作为国家发展的战略支撑，建设科技强国已经成为不可逆转的发展方向。在我国，虚拟现实技术已经应用到多个行业，其关键技术不断被突破，市场规模不断增大，许多终端产品问世后远销海外，获得较多赞誉。就目前看来，虚拟现实技术最常见的是应用于游戏行业、教育行业和航天军事等领域，在机械设计与制造行业的应用案例比较少，因此探讨这一问题更加有助于机械行业融合虚拟现实技术后的长远发展。

1 虚拟现实技术及其特征

虚拟现实技术又称VR技术，是依托计算机技术、电子信息技术和仿真技术发展而来的新时代应用技术。作为我国科学技术的一次大跨步，虚拟现实技术给人们的生活和工作带来了极大的改变，已经有许多行业纷纷引入虚拟现实技术，改变了原有的生产方式和运营模式，推动企业朝着智能化方向发展。虚拟现实技术是一门基于多种信息技术学科的交叉学科，例如数字图像处理、计算机模拟技术、传感器技术和计算机图形学等，它是一种计算机生成的高科技虚拟仿真系统。虚拟现实技术最早由美国人在创造，早先都是用于美军的军事训练之中。目前，虚拟现实技术已经逐渐渗透到其他行业之中，比如医疗以及游戏行业等，并且在行业中的应用效果非常好，该行业已被广泛使用[1]。对于年轻人来说，虚拟现实技术与游戏息息相关。国内外许多大型游戏公司都在积极开发大多数年轻人喜欢的虚拟现实游戏。实际投入当中，虚拟现实技术有以下特点：

1）实时性。虚拟现实技术可以通过终端设备在一定空间内呈现特定环境、特定时间下的情景，满足用户实时沉浸的需求。在机械设计与制造过程中，工作人员可以通过虚拟设备实时观察机械的设计和制造过程，同步机械设计与制造过程中出现的问题，及时排查，找出机械问题的根源，有利于机械设计与制造的准确性和效率提升。

2）交互性。虚拟现实技术为人们提供了现实与虚拟之间的连接，将人与物在某一时空中相会，并让人能够通过感官清晰地感受目标物体。

3）沉浸性。虚拟现实技术所呈现的环境可以做到同现实环境相差无几，使用户在借助虚拟技术体验时获得与现实世界相同的感受。

4）感知性。虚拟现实技术相较于其他高科技，更强调人对物体的感知效果，可以充分利用人类具有的敏锐感知能力去了解事物。正是借助这一特征原理，工作人员在机械设计过程中通过视觉、触觉、听觉等感官来检验机械操作，可以更加深入地把握机械设计形态和生产成品。

综合以上特点，虚拟现实技术为机械设计与制造创新提供了前所未有的技术支持，让机械产品设计不再局限于传统的图纸、电子模型，而是可以通过虚拟现实的形式呈现一个设计成果，更加直观地提供给使用者；也让机械制造不再反复进行测试和检验，而是可以根据实时数据同步进行调整。此外，设计与制作过程中出现的各种问题，都将通过虚拟技术暴露在人们的肉眼之下，大大节约了时间成本和人力成本，提升了产品设计到生产的总体效率[1]。

2 虚拟现实技术在机械设计与制造中的优势

2.1 满足虚拟设计的需求

机械产品设计是一项十分复杂的工作，前期需要进行大量数据、资料收集，不仅要对产品外观进行创意设计，也要充分考虑到产品的实用性、可操作性等功能特性。无论设计环节的哪一部分出现了问题，都将会影响到最终的机械产品诞生。因此，对于设计者而言，能够在设计环节就对手中的设计对象有一个立体清晰地了解是十分重要的，而虚拟现实技术的出现恰恰使这一想法变成现实。利用虚拟现实技术，设计者可以通过终端设备操作调整设计对象的各项参数，借助3D建模将设计产品体现出来，并利用虚拟技术检验产品设计的可行性方案，从中找到此前未能发觉的问题，并升级产品设计[2]。

2.2 满足虚拟装配的需求

在机械制造行业，我国很早便已经采用仿真技术辅助产品装配。然而，仿真技术只能将产品的各个零件进行组装适配，确定产品各部分零件的安装流程，对于产品零件内部的适配性无法精准的评估。随着机械行业和机械产品应用需求的发展，设计人员便利用虚拟现实技术将产品的各部分零件在虚拟场景中呈现，并设置相应的程序完成各个零件之间的组装。与此同时，设计人员也可以通过虚拟技术中的人机交互体验调整零件安装过程的细节，实时监测零件组装期间的动态，并且可以在第一时间发现机械产品存在的缺陷，提出相应的修改意见。

2.3 获取人机工程学评估

设计界有一条不必言明的准则便是设计的产品需符合人机工程学原理，那么机械制造行业也当如此。机械设计与制造过程中的人机工程学内容不外乎设计需要满足使用者的使用需求、生理需求和心理需求等各方面因素，探查适合人体结构的特征参数与机器之间的融洽配合。当前，通过虚拟现实技术，设计者可以更加方便地获取产品设计中地人机工程学评估，了解一项新型产品的性能指标、运行效果等，并可以为后续设计优化提供可参考意见。

2.4 实现工程数据可视化

相较于传统机械设计与制造，虚拟现实技术融入机械设计制造的一大优势便是工程数据可视化，此举将会大大降低工程项目的复杂性，减轻设计人员的工作负担。传统的机械产品设计过程大多需要借鉴以往许多经验，从大量资料文献中独辟蹊径找到适合的设计方向，并且设计过程十分艰难，需要考虑到产品方方面面的内容。而使用虚拟现实技术之后，尽管仍然需要全面考虑产品设计的关键点，但是设计过程却简便了许多。设计人员可以将产品设计工作放置在虚拟场景中进行，借助程序运行对数据进行分析，呈现出直观且具有可参考意义的数据，并通过各项数据间的逻辑把握产品设计的准确性。此外，运用该技术进行的数据分析更加精确，其结果比传统的机械制造更加可靠[3]。

3 虚拟现实技术在机械设计与制造中的实际应用

3.1 虚拟设计中的应用

所谓的虚拟设计指的就是设计人员设计出来一个虚拟的产品，对产品进行分析和研究。使得产品设计可以更加的完善。机械设计过程中，技术人员可以利用虚拟现实技术将设计想法投射到虚拟场景中，利用基础数据对设计产品进行性能和质量上的测试，评估其投入市场后的反馈，分析其优缺点并加以完善。目前，机械产品设计常用到的方式是将商业CAD系统和VR环境结合，设计人员可以对虚拟场景中的产品进行感官感知，测试产品使用的体验等，随后通过CAD软件进一步改善产品设计。另一种方式是借助专业VR-CAD系统，设计人员可以在虚拟场景中对产品进行检测，并直接对其做出修改和调整。这两种机械产品设计方式在汽车领域应用的时间比较久，例如国外一知名汽车品牌就已经自主开发了虚拟现实系统，将汽车设计通过虚拟技术呈现在虚拟环境中，设计人员可以直观地了解当前汽车设计的各个部分，甚至可以体验汽车运行时的驾驶感觉，为后续机械设计调整提供巨大的帮助[4]。

3.2 虚拟制造中的应用

虚拟现实技术还可以在机械制造和设计环节当中发挥出自己的优势，并且还可以合理的融入到机械制造环节当中。不仅可以很好的去替代仿真技术还可以更好的发挥出自己的作用。因此，在机械制造设计环节当中，设计人员可以充分地利用虚拟现实技术。在运用的过程当中需要确保技术的应用，并运用三维动态仿真技术来观察机械制造的情况。机械行业中的企业通常掌握着行业中较为先进的一批技术，因此当虚拟现实技术诞生之后，不少企业纷纷考虑将这一技术应用到机械生产环节中，以求机械产品生产效率提升。在这之后，许多机械制造企业成功将虚拟现实技术引入设计生产环节，为企业发展开创了新的方向。在机械制造过程中，虚拟现实技术主要用于把控产品制造、装配的质量。设计人员可以通过虚拟技术观察各零件加工的状态以及零件装配情况等，也可以通过模拟装配的方式检验产品的质量和性能。例如，许多机床动力机械对于零件的标准尺寸需要精确到分毫，才能确保机床在使用过程中完成预先设置的作业。但传统的机械制造模式产生误差的可能性较大，借助虚拟现实技术则可以清晰地观察到机床各零件制造、组配的情况，减少机械误差。除此之外，虚拟现实技术还可以提高机械制造技术的整体水平，更好的提高机械质量。并且还可以更好地简化生产工序，降低员工的工作压力，避免再生产当中受到更多因素的影响。由此可见，虚拟现实技术可以从根本降低生产成本，在每个生产环节当中都可以更好地去节约资源。而且虚拟设计技术还可以在生产当中去更好的代替物理模型，可以随时去检测机械产品的实际情况，对于制造当中存在的问题进行修改，以此来提高产品质量。需要注意的是，在实际的虚拟现实技术运用过程当中，技术人员需要做好每一项的工作。

3.3 产品开发过程中虚拟现实技术的应用

“虚拟制造”的概念。“虚拟制造”在1990年提出，通过系统建模和计算机仿真技术的融合，将现代制造工艺、计算机图形学、人工智能、并行工程、信息技术、多媒体技术集于一身，这是机械设计与制造行业发展的一大进步。在传统机械设计和制造当中不论哪个环节出现了问题都会影响到产品的整体质量，都需要对制造出来的产品进行重新测试，这样的生产环境很难提高生产效率，甚至还会浪费更多资源，很难保证生产效应。把虚拟现实技术运用到整个生产环节当中，技术人员可以在没有物理样机的情况下对产品的性能进行检查，了解机械生产的实际情况。并且，在产品开发的过程当中运用虚拟现实技术还可以缩短生产周期。

3.4 虚拟产品概念设计

所谓的概念设计指的就是理想化的物质形式。概念设计的主要目的就是更好地去捕捉产品的形态。并且概念设计是机械设计与制造当中的主要环节。在概念设计当中去运用虚拟现实设计可以更好地为设计人员提供手势跟踪和语言识别等输入方式。并且设计人员可以更方便在三维虚拟环节当中对零件进行修改，对设计对象进行观察。除此之外，把虚拟现实技术运用到产生设计当中，还可以帮助设计师把自己的设计思路更加清晰的表达出来，让人可以一目了然。这样的设计不仅可以减少风险，还可以更好地去满足不同用户的需求，在虚拟的世界当中可以让用户对模型进行深入的体验。