虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用实践

陈明怀

摘 要：一些机械设计和制造需要投入巨大的成本，程序复杂，需要消耗大量的人力物力资源，而新兴的虚拟现实技术如果能够成功运用在机械设计与制造的过程中，就可以有效防止资源的浪费。本文主要讲述虚拟现实技术的含义，对虚拟现实技术进行简要分析，了解虚拟现实技术在机械设计与制造的应用过程，制造业中投入虚拟现实技术能解决的问题及其优势。

关键词：虚拟现实技术;机械设计及制造;应用实践

虚拟现实技术是一种新兴的高科技技术，可以服务于各行各业，满足人们和企业的一些需求，它的优点就是可以运用较少的资源，实现一些设计的构想，将设想现实化，从而暴露其中可能存在的问题，也可以运用到游戏中，使人们在玩游戏的时候增强代入感，带来更加刺激真实的体验。而机械设计与制造过程中面临诸多难题，尤其是在实现新的设计思路的过程中，程序繁琐复杂，需要巨大的资金投入，根据虚拟现实技术的特点和优势，如果将其运用到机械设计和制造的过程中，将会节省不必要的资源消耗。

1 虚拟现实技术的简要概述

1.1 虚拟现实技术的含义

虚拟现实技术是二十一世纪的新兴先进技术，到目前为止，还没有一个具体的定义，虚拟现实系统主要包括五个部分：虚拟世界，计算机，虚拟现实软件，输入设备和输出设备。虚拟现实技术的运用可以实现三维环境的构造，构建虚拟空间，使用户的体验不仅停留在二维平面，使用者也会成為虚拟环境中的一部分，所以虚拟现实技术的核心就在于三维模型的构建和环境的定义。

1.2 虚拟现实技术的特点

虚拟现实技术有其独特的优势，其主要特征主要概括为以下几个方面。

1.2.1 多感知性

虚拟现实技术不同于传统技术，体现在各个方面，首先利用虚拟现实技术可以创造出三维空间，而传统技术只停留在二维平面。而且虚拟现实技术不仅包含视觉，更增加了触觉，听觉，甚至还可以实现嗅觉和味觉的感知。所以虚拟现实技术能通过多重感知，达到让使用者身临其境的效果，让使用者能够沉浸其中，甚至把虚拟误以为现实。

1.2.2 增强虚拟世界中的存在感

虚拟现实技术的不断发展过程中，通过把控各种细节，增强使用者的代入感，逐渐构造比较真实的虚拟世界，增强使用者在虚拟世界中的存在感。

1.2.3 交互性

交互性的含义就是使用者在体验虚拟现实技术的过程中，不仅可以从虚拟世界中提取信息，发现其中存在的问题，也可以通过计算机等设备进行操作，对虚拟世界进行改造，人和虚拟世界的相互碰撞就是虚拟现实技术交互性的体现。

1.3 虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术需要多台计算机才能完成相应的设计，在过去，计算机的成本本来就高，而且集群的计算机比较厚重，所以在虚拟现实技术的运用过程中成本高，不便捷，严重制约着其发展，但随着科技的不断进步，微型计算机的出现，有效地解决了其中存在的问题，推动了虚拟现实技术的发展。如今虚拟现实技术伴随着头盔显示器的运用，全息成像技术和体感手套的发展，图像画质越来越清晰，使用者在其中的感触也越来越精细。先进的软件技术及人工智能更提高了虚拟现实技术硬核要求，更能满足大家的需求。

2 机械制造过程中存在的问题

如今我国科技发展迅速，机械制造业的竞争相当激烈，而对于某些传统机械的制造和设计过程需要消耗大量不必要的资源，所以能运用先进的技术，用最少的资源，生产出质量高的产品，将会赢得更广大的市场，而虚拟现实技术在机械设计及制造过程中的应用，可以有效解决我国机械制造业存在的问题。

3 虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用实践

虚拟现实技术在机械设计与制造过程的运用，首先就要形成初期的概念设计，进而产生虚拟样机，再对其性能进行仿真分析，如果不符合要求，则可以通过对数据的修改，重新构建虚拟样机，再重新进行仿真分析，如果符合要求，则可以进行优化设计，并进行虚拟制造，从而产生满足要求的成品。运用虚拟现实技术进行机械的生产较传统的机械制造，可以大大节省资源的消耗，当机械不符合要求的时候，传统机械制造不仅造成资源的浪费，还需要重新修改设计思路，加强制造环节的质量，所以设计出一件符合要求的机械，将耗费大量的时间，需要多次的循环，但如果机械制造过程中运用虚拟现实技术，则可以节省这些循环过程中需要消耗的资源。其设计过程，主要包含以下三个环节。

3.1 虚拟产品概念设计

概念设计属于对机械产品的前期设计，设计者需要考虑多方面的因素，不仅包括设计思路和思维，也包括设计时间和需要投入的资金，初期的概念设计需要包含机械设计及制造的各个方面的预期和设想。初期的概念设计工作量占机械成品设计工作的绝大部分。设计者可以通过固定的语言及数据输入方式，进行初期的产品概念构造，并可以随时实现修改，删减，直到满足设计者的要求。

3.2 虚拟设计

虚拟设计就是在概念设计的基础上，设计出虚拟的机械，研究其功能和各项指标，并对其可能存在的问题，及时进行修改及改造，并产生新的可靠设计思路，这与过程主要包含两种设计方法，一种是利用CAD系统产生模型，将CAD系统的模型引入到虚拟空间中，再进行设计。一种是将虚拟现实技术引入到CAD环境，这种方法不仅可以设计出成品，还可以感知成品的重量及温度等特点。但是不管是哪一种设计方法，都可以实现对产品外形，布局，动力等方面的塑造，排查并解决其中可能存在的问题。

3.3 虚拟制造

虚拟制造是指需要设计的产品，已经拥有完善的设计思路和体系，通过仿造真实的产品制造过程的各个环节，从而确保在产品制造的过程中，产品的性能及质量不会存在问题及偏差，这就大大增强了机械的安全性能。虚拟制造已经成功运用在制造业的相关企业中，比如航空航天，汽车等领域。

4 虚拟现实技术运用在机械设计与制造的优势

4.1 节省人力物力资源

虚拟现实技术运用在机械设计与制造过程中，首先就是对虚拟机械进行简单的设计，构造一个虚拟的空间，而工作人员不仅是虚拟机械的设计者，也可以以使用者的身份对虚拟机械的功能和各方面的构造进行检测和勘察，由于虚拟世界具有交互性，而虚拟机械是以所输入的数据为支撑点，所以使用者可以通过删减和编排数据等方式，就可以对虚拟机械进行适当的改造，而产生新的设计，直到设计符合设计者对该机械的制造目标和预期，这样比传统的机械设计更安全，更方便，最重要的是可以节省大量的人力物力资源，提高工作效率，简单可靠。

4.2 突破空间限制

虚拟现实技术有多个入口，这样就可以支持位于不同地点的人，进入同一虚拟空间，对同一虚拟机械同时进行改造和交流，这样多名设计者即便被空间所阻隔，也可以同时对要生产的机械一起进行改造，突破了设计的时空限制，大大提高了工作效率。

4.3 提高机械的安全性能

对于一些特殊机械的制造，比如航空航天，飞机制造等，如果制造过程出现纰漏，不仅将会造成巨大损失，还有可能造成人员伤亡，而如果成功运用虚拟现实技术，投入到设计及制造过程中，那么就会避免形成不可挽回的后果。

结束语

总之，现在很多工业机械设计与制造工作量大，企业之间竞争压力大，如果虚拟现实技术能够成功运用与机械设计与制造的过程中，将会节省大量资源，推动社会经济发展，产生巨大经济效益，有着不容小觑的重大意义，虚拟现实技术将不仅存在于科技电影中，也将投入日常生活的制造过程中。

参考文献：

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