浅谈虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

浅谈虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

李华晨

大连奥托股份有限公司 辽宁 大连 116050

摘要：近几年来，随着科学技术的快速发展，传统的机械设计与制造模式也开始向着数字化、信息化、仿真化方向前进。为了能够满足新时期的机械设计与制造发展需求，对虚拟现实技术的概念进行简要论述，在讨论虚拟现实技术特点的同时，对于虚拟现实技术在机械设计与制造中的实际运用给出一些有效建议，以供相关从业人员参考借鉴。

关键词：虚拟现实技术；机械设计与制造；应用

引言

伴随着科学技术的不断发展,人类社会步入了崭新的世纪,经济的全球化和社会的信息化,促使市场竞争日益激烈,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.

1虚拟现实技术的特点

1.1实时性

虚拟现实技术的运用可以让产品和用户之间进行即时性、深入性的交互，对于提高用户的产品体验是极为重要的。而且生产商还能够在第一时间把用户的产品体验和反馈建议进行记录，并在短时间内对产品的不足之处进行调整、优化。除此之外，机械产品的设计结构也可以通过虚拟现实技术真实反映到计算机中并进行实时同步，这对于提升机械产品的性能是十分有利的。

1.2感知性

虚拟现实技术可以让人们用视觉、触觉、听觉等不同的感知途径来了解、体验机械产品的特点和功能，这种方式既可以为机械产品的设计人员带来更丰富的设计灵感，还可以帮助人们了解当前机械产品在功能上有待提升与完善的部份，对于机械产品后续的更新、升级意义重大。

1.3交互性

把虚拟现实技术融入到机械设计与制造环节中，可以让所有机械产品的体验者用自然、轻松的方式和虚拟世界里的事物进行即时的信息交互，也可以运用不同的手势或者语言下达命令操作虚拟对象。

1.4沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术的重要特点之一，通俗地说就是观察者在面对虚拟世界情感时的一种真实反映，虚拟现实技术利用计算机构建出一个高度真实的虚拟环境，使用者的感知力（视、听、触、嗅等等）可以如同在真实世界中那样运用，并且不会受到任何影响。

2虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

2.1虚拟制造

虚拟制造是虚拟现实技术实际应用于机械设计和制造的有效体现。这种全新的制造方式是指采用计算机仿真系统与虚拟现实技术实现高速网络下的计算机控制，在计算机群组中建立与产品相关的三维动态模型，使产品的设计、工艺、特点和加工制造都能通过三维模型直观地展现出来，以此实现虚拟制造的实际效用，为实际生产制造提供安全性保障。将虚拟制造应用于在企业中的成功案例有很多，例如，我国在研发波音777飞机时，在机械设计和制造过程中采用了虚拟现实技术，利用虚拟制造为客机的生产和加工提供了网络技术的全面性保障，使整个产品的生产通过三维实体模型进行了直观的研究和展现，将实际生产时间缩短了近3个月，使777飞机在研发成功后一次试制成功，极大地保证了机械生产的效率。

2.2虚拟设计　

虚拟设计(VirtualDesign)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,目前提出两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.

3.3虚拟产品概念设计

概念设计（ConceptualDesign）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。虚拟现实技术在产品概念设计中的应用，使设计师的设计思路和设计表达更加清晰、形象、逼真，让人更多了一种直观的、亲切的交互的感受。这样的开发设计大大减少了投放市场的风险性，保证产品开发一次性成功。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，充分感受了自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。

结语

科技越来越发达的今天，我们要抓住机遇与挑战。虽然虚拟技术近几年才开始兴起，但是随着科技的进步，虚拟技术在各个领域中的应用会越来越广泛。最先运用到机械设计领域的企业，会更优先抢占市场的先机。把握住虚拟技术的核心，将其运用到机械设计中，既可以给设计者减轻负担，又可以使机械设计越来越精准。精准的设计也会使生产出来的产品更加实用。虚拟技术在机械设计中的应用，还会大大的降低社会资源与自然资源的浪费。利用虚拟技术，将其与机械设计有机的融合到一起，是各个行业的竞争核心。虚拟技术广泛的应用前景，会在不久的将来，成为核心的技术之一。

参考文献

[1]戴晴华．虚拟制造技术及其在工程机械中的应用[J]．中国工程机械学报．2019（2）：184-189

[2]刘淑芬，高奇．虚拟制造技术在现代机械工程设计领域中的应用[J]．装备制造技术．2018（6）：86-87

[3]王利华．虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用[J]．内蒙古民族大学学报（自然科学版）．2018（1）：72-75