基于虚拟现实技术的机械设计问题探讨

王江林

摘要在科技助推下，虚拟现实技术逐渐被运用到各领域中。本文以虚拟现实技术的简介作为开端，介绍虚拟技术在机械设计上的应用。

关键词虚拟现实技术；机械设计；问题探讨

在全球经济的迅猛发展下，各行业间的无形竞争变得越来越激烈。为延长产品寿命，提升产品竞争力，产品设计就成为了整个生产过程中最重要的环节。为了使企业在市场上立于不败之地，企业必须将焦点投到产品设计方法的改进上。

机械产品设计方法存在种种问题，已是常见现象。传统的产品设计需要两个人，一个是绘图者，一个理念设计者，在设计过程中，绘图者需要结合理念设计者所给出的设计标准来建立产品模型。这种设计方式存在弊端，一旦设计者没有CAD系统的操作经验，那么在产品设计的过程中，由于理念设计者与绘图者沟通不善，就会浪费掉很多时间，为解决这一难题，唯有设计者直接将CAD模型构造出。

1虚拟现实技术简介

1.1虚拟现实技术

虚拟现实技术是多种技术的综合体，它融合了计算机技术、交互技术。信息处理技术等，其发展于20世纪末，到如今已成为各领域的重点研究对象。

在计算机的发展过程中包含了计算机速度、信息处理容量、智能化、交互技术及信息输入技术等。而交互硬件的发展是较为明显的，从曾经的纸带到键盘和鼠标，再到现在开始崭露头角的高级虚拟现实交互硬件。而指令控制也由汇编语言变为现在的程序设计语言，并朝语音控制方面发展。信息输出方面的发展同样不落后与交互硬件及指令控制。图形界面替代了早期的文字界面，而现在全息影像、立体头盔和虚拟影院逐渐进入人们的生活。这些技术的发展为虚拟现实技术的发展提供了便利。

到目前为止，虚拟现实技术一直没有明确定义，但普遍认为虚拟现实技术是一种能让人在幻境中难辨虚实的技术，人们可以通过各种沟通方式与虚幻之境的事物进行互动。虚拟现实技术的目的就是让人处在一个可以与机器进行交流互动的幻境。

1.2硬件系统

在操作一些较为简单的虚拟现实系统时只需要其拥有信息输出输入功能，依靠计算机桌面的交互信息系统即可，不需要特别的硬件设备。若要让现实虚拟系统的交互性、沉浸性、想象性能充分展现出来就需要相对高级一点的设备做辅助，以达到提升系统性能的目的。

这些设备分为两种类型，一个是包含空间控制球、运动跟踪器等的信息输入设备，一个是包含了立体显示器、立体头盔等的信息输出设备。

1.3软件系统

在虚拟现实系统中，虚拟场景和交互过程是必不可少的。让这两者的作用发挥，不仅需要依靠硬件系统，也需要依靠相关的软件系统。很多软件都可以建立虚拟场景，当前的所有3D软件都可以完成建立虚拟环境的任务，其中比较规范专业的有3DSMAX、MDT、POSER等。由于科技的发展，这些软件可以凭靠网络建模技术相互通用交换。网络建模技术是指由三角形的面组建而成的，其网格的密度是由形体的划分决定的，形体分的越细，其密度就越大，逼真程度就越高，要想完成这种工作，就要降低储存空间与计算的速度。在建立虚拟场景中，为达到加快渲染的目的，一般会采用细节层次技术来实现。为使渲染的速度加快，还需要对网格进行选择，在形体离网格的观测点较为远时，就应当避免选用精细的网格，而当形体离观测点很近时，应当避免选择稀疏的网格，这样才能增加它的细节和真实感。当建立的是较为复杂、自然的模型时，其模型描述需要依靠非均匀有理B样条曲线来实现，它组成形体的特征曲线是建立在数学公式上的，由数学公式为代表将形体组成。

虚拟过程实现技术的软件很多，其中最具有代表性的有WorldToolkit、Superscape等，而能在Pc到SGI系统运行，并总支持虚拟现实硬件设备的是WTK，它是根据c语言技术而开发的函数库。而可以建立三维场景的是VRT，它是依靠Java Script技术来将成果从网络发布出去的。

2虚拟现实系统体系构成

虚拟现实技术有两大部分构成，一个是硬件系统，一个是软件系统。而软件系统又含有初步建造时所需的三维图形应用系统软件、三维建模、模拟系统、虚拟现实建模语言、语言识别系统等。

虚拟现实的硬件有高性能计算机、声音系统等等，虚拟现实产生器实际上是一个高性能的计算机系统，其图像是由虚拟世界数据库来生成的。声音系统含有声音合成器、语音识别器等。声音系统中的合成声音信号使人在虚拟环境中辨不清虚实，其主要是将人所能观察到的范围结合其肢体所在位置，让其感到真实感和沉浸感。为了使幻境更加的逼真，虚拟需要提供触感条件，例如物质的凹凸面，并且结合幻境要求，提供相应的阻力，如风的阻力等，这些条件的实现，存在很大的难关。

3虚拟现实系统的种类与发展方向

现在所有的虚拟现实系统包括桌面虚拟现实系统、临境虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统三大类。桌面虚拟现实系统的组成没有其他系统的繁杂，而且价格相对来说很贴民心，桌面虚拟现实系统的操作方式十分简便，可以通过鼠标、系统交互来实现，是拥有高级输送装置3D计算机图像的自然延伸；临境虚拟现实系统通过将体验者的各种感觉封闭起来，如视觉、听觉，使体验者在虚拟环境中辨不清真假来实现虚拟环境建立的目标。临境虚拟现实系统是通过数据手套和头部跟踪来实现人机交互的。未来若想让处于各地的用户分享同一个虚拟幻境，就必须依靠临境虚拟现实系统将处在各处的用户联系起来，这就是分布式虚拟现实系统，这也将是未来虚拟现实技术的一个发展的方向。

4探讨虚拟现实技术在机械设计上的应用

4.1虚拟现实技术应用于机械设计的必要性

在我国的机械设计中，很大一部分是依靠设计者的经验来完成的，而设计者会比较重视静态分析而忽视动态特征。在机械的设计中，需要考虑的因素很多，例如，在农机设计上，设计者需要根据不同的农作物、地理位置、气候来设计机器。设计者需要设计出反季节性的农业机械，这样才能解决因各种问题而出现的罢工情况。使用传统的设计模式来设计机械，不仅费力费时，且很大程度上会出现偏差。为了能使机械设计在设计过程中能动静结合，引入虚拟现实技术是非常有必要的。

4.2发展和成果

白虚拟现实技术进入我国后，使得军事、工程、医学、文化教育获得较大的发展。以农业为例，自虚拟现实技术被引入后，农业利用其自建幻境的功能，创建了虚拟动农场、虚拟温室等，在农业上也小有成就。

虚拟现实技术为机械设计提供了大的便利，以农业机械为例，在以前，农业机械零件的二维图和整机的三维图需要依靠计算机来完成，使得设计过程十分麻烦。而近几年由于虚拟现实技术的广泛使用，如ADAMS软件的使用，使得机械设计过程变得简便了许多。这套仿真分析软件，能对虚拟样机进行测试，分析机械的运动学和动力性能。而实现对虚拟机械的测试，其过程又是比较简单的，只要用使用像pro/E、uG等的建模软件将模型建立好，再利用ADAMS对模型进行分析。

4.3虚拟产品概念设计

邹慧君教授认为机械设计有4个步骤，这4个步骤分别是产品进行规划，设计方案、详细设计和改进设计。这4个步骤综合起来也就是概念设计和构造设计。产品设计过程中前期的本质形状既是概念设计，概念设计是机械设计中最重要的环节，其占产品总成本的六到七成。这关键的环节若是通过才采用CAD系统来完成，是非常困难的，在CAD系统的使用过程中，设计师主要是通过键盘和鼠标来实现交互目的。二维的界面因缺少三维的沟通设备，所以若将三维的造型环境放入二维界面处理时，就会出现直观性缺乏的情况。

如将VR技术与CAD系统融合，则利用CAD系统完成理念设计就成为可能，当CAD的模型环境以vA作为基础时，设计者就可以利用各种沟通手段，在3D空间内将立体模型快速的建立好。

4.4机械虚拟设计

虚拟设计是指设计者将虚拟机械设计出来，对所设计出的机械进行研究和分析等，以便修改机械的不足点，将产品完美化。由此可以得出结论，虚拟现实技术在机械设计中起到的一个重要作用就是对机械的完善。

虚拟设计系统包含虚拟环境生成器和外围设备两种。外围设备包含了数据传输、信号控制装置等。虚拟设计系统的主体便是虚拟环境生成器，它可以根据设计者的指示，凭借软件功能和数据库的支持，将指示结果生成，并且其结果是多维的、符合要求的。虚拟环境生成器是由计算机的软件和硬件延伸出的开发工具结合其他设备组合而成的。它就像一个将各种数据囊括在内的、性能很高的图形工作站。虚拟设计的优势是通过虚拟交互技术来实现的，虚拟系统的交互技术主要是视、听、触3个方面，而实现这些功能主要依靠系统的输入和输出设备来完成，而这些设备主要有头盔显示器、三维声音处理器、语言输入等。虚拟设计所涉及的范围很广，是以一门结合多种学术、多门学科的技术。当前，存在两种以虚拟现实为目的的工程设计方法，一种是利用CAD系统来完成，另一种是利用VR CAD系统来实现。

4.5机械虚拟制造

虚拟制造的本质就是将最后制造的结果通过计算机呈现出来。而这种结果的实现需要依靠计算机仿真技术和虚拟现实技术来完成。在计算机和网络技术的配合下，将设计过程的工艺规划、加工制造及性能分析等完成。由于侧重点不同，因此虚拟制造出现了以虚拟设计为中心、以生产为中心、以控制为中心的3种流派。例如，减速器外科的设计，在其外科成型时，其金属热成型的动态仿真需要依靠数值模型和物理模型来完成，以便于设计者分析材料处于不同情况下的反应，如会不会对机械的性能和质量产生影响。轴、齿轮的过程仿真是通过虚拟加工来完成的，虚拟加工的应用方便设计者对机床刀具路径和加工参数的选择，便于设计者对设计结果的分析和评定、对机械的加工方法的分析等。虚拟制造技术应用于轴系部件的设计可以让轴系部件在设计阶段就能进行装配和修改。而运用虚拟样机代替减速器可以将产品的一次实验成功率提高，为机器生产者省去大量的制造成本并使设计周期缩短，也使产品质量得到保证。

5结论

在科技的快速发展下，虚拟现实技术逐渐被普及。虚拟现实技术运用与机械设计上，使得机械设计的流程变得简便，使得机械生产者的成本得到缩减，并缩短了机械的设计开发周期。