浅谈虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

黄超

【摘 要】运用虚拟现实技术于整个产品的生产过程中，在没有实际制造出物力样机之前，就可以事先对产品进行工程分析、性能分析、可装配性分析、工艺规划和优化设计等多种不同的工序，在整个机械设计与制造的过程中，用虚拟现实技术来代替物力样机，自然与产品有关的反复设计、制造、测试也是可以在样机上面测试的，由此一来，大大缩短了产品的生产周期，而且也提高了效率，降低了工程的成本。

【关键词】虚拟现实技术；机械设计与制造；应用

一、虚拟现实技术概述

现如今，虚拟现实技术已经成为了计算机及相关硬件设备的基础，它融合了多方面高科技技术，从而为人们展现出一种集视觉、听觉、触觉这三者为一体的虚拟环境，满足人们的实际需求。正是因为虚拟现实技术本身的特征明显，才使得它的应用范围不断扩大。虚拟技术以沉浸性、交互性、多感知性、构象性这四个特点为主。沉浸性指的是虚拟现实技术构造的虚拟环境容易让人沉浸其中，犹如在现实世界一样。交互性指的是用户可以对虚拟环境内的物体进行操纵并且可以从中得到反馈。多感知性指的是在虚拟环境中人们除了视觉感知、听力感知、触觉感知之外，还包括味觉感知、嗅觉感知等多种感知能力。

二、虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

1、虚拟产品概念设计

概念设计是创造性思维的一种体现，概念产品是一种理想化的物质形式。概念设计是指对产品起始的设计构思，目的是为了捕捉产品的基本形态。概念设计是产品设计过程中的重要阶段，因为产品成本的60%～70%是概念设计决定的，虚拟概念设计使用虚拟现实技术，为设计者提供基于语言识别和手势跟踪的输入方式，设计者可随时、方便地在三维虚拟环境中操纵产品及零件并改变或修改产品的各种形态建模，并可以在三维空间中对设计对象进行观察和操作，其目的是获得足够多的有关产品式样和形状的信息，从而达到满意的效果。

在概念设计中，采用头脑风暴法进行方案创意，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多关注产品使用者的感受，而非产品本身。设计时可以针对不同用户及爱好者的需求，在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受；利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件，在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可根据用户的建议，邀请专家和部分用户一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。比如在开发设计健身器械时，可以允许消费者在购买商品前在虚拟的健身器械环境体验不同设备的功能，并按照具体用户高低胖瘦及本人的喜好评价，选择和重组这些设备，且可以自己提出修改意见，所有反馈结果将被存储并通过网络传到生产部门进行实际生产。

2、虚拟设计

虚拟设计就是设计人员设计一个虚拟的产品，来分析、研究、检查所设计的产品是否满意设计要求，有问题及时修改，使产品设计更为完善。或者说虚拟现实技术用于产品的开发设计。虚拟系统的构成原理大同小异。

一般虚拟设计系统都包括两部分，一是虚拟环境生成器，这是虚拟设计系统的主体，另一个是外围设备（人机交互工具以及数据传输、信号控制装置），虚拟环境生成器可以根据任务的性能和用户要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需的、多维的、适人化的情景和实例。它由计算机基本软硬件、软件开发工具和其他设备组成，实际上就是一个包括各种数据库的高性能图形工作站。虚拟设计系统的交互技术是虚拟设计优势的体现，目前虚拟设计系统的交互技术主要集中于视觉、听觉、触觉三个方面，这三个方面的输入和输出设备是虚拟交互的主要方式。例如：头盔式显示器、数据手套、三维声音处理器、视点跟踪、数据衣、语音输入等等。虚拟设计涉及到许多的学科和专业技术，属于多学科交互技术，在工程设计上，目前提出兩种基于虚拟现实的工程设计方法。一种是利用现有的CAD系统产生模型，再将其转换成虚拟现实软件支持的格式，然后将模型输入到虚拟现实软件的环境中，完成虚拟产品的设计，用户充分利用各种增强的效果设备，如头盔显示器等产生临境感。另一种是VR-CAD系统，将虚拟现实技术引入CAD环境，这种设计环境中的对象不仅具有外形，而且还有重量、材料特性、表面硬度以及一些内在的物理性能、功能作用等信息。对象之间相互作用时能反映出对象内部结构状态等随外部输入的实时改变。设计者直接在虚拟环境中参与设计，采用虚拟设计可以对产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力仿真设计，例如：在减速器的设计中可以随时对其壳体修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于成型模具设计、仿真和加工；可以通过虚拟现实技术直观进行布局设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题；同时可以检查运动构件工作时的运动协调关系，相应运动范围及可能出现的运动干涉，以及检测轴、齿轮等零件的强度、刚度、耐磨和耐冲击性能，确保工作的协调、可靠。

3、虚拟制造

虚拟制造是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。由于应用的不同要求而存在的不同的侧重点，因此出现三种流派，即以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。如减速器设计壳体成型中，利用数值模拟和物理模拟方法，对金属材料热成形过程进行动态仿真，预测不同条件下成形材料的组织、性能及质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化设计；对于轴、齿轮等零件加工过程仿真，通过虚拟加工，选择最佳的机床刀具路径和加工参数，分析和评定产品设计的合理性、可加工性、加工方法以及加工过程中可能出现的加工缺陷等；采用虚拟制造技术可以在设计阶级就对轴系部件进行装配，随时修改，避免出错。用虚拟样机代替具体减速器，对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试，对存在问题的地方进行修改，提高产品一次试验成功率，减少设计制造费用，缩短设计开发周期，优化设计，保证产品质量。

随着科技的进一步发展，虚拟现实技术本身的性能也将不断完善，逐步扩大虚拟现实技术的应用范围，从而推动虚拟现实技术的进一步发展。

【参考文献】

[1]黄少华.虚拟仿真技术在矿山机械设计制造中的应用和前景[J].世界有色金属，2018（03）：43+45.

[2]陈浩磊，邹湘军，陈燕，陈燕，刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].中国科技论文在线，2011，6（01）：1-5+14.

[3]陈田.基于虚拟原型的机械产品网络化快速开发原理与实施方法及其在水泵CAD系统中的应用[D].四川大学，2011.