基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機械設(shè)計問題探討

王江林

摘要在科技助推下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸被運用到各領(lǐng)域中。本文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡介作為開端，介紹虛擬技術(shù)在機械設(shè)計上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞虛擬現(xiàn)實技術(shù)；機械設(shè)計；問題探討

在全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展下，各行業(yè)間的無形競爭變得越來越激烈。為延長產(chǎn)品壽命，提升產(chǎn)品競爭力，產(chǎn)品設(shè)計就成為了整個生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)。為了使企業(yè)在市場上立于不敗之地，企業(yè)必須將焦點投到產(chǎn)品設(shè)計方法的改進(jìn)上。

機械產(chǎn)品設(shè)計方法存在種種問題，已是常見現(xiàn)象。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計需要兩個人，一個是繪圖者，一個理念設(shè)計者，在設(shè)計過程中，繪圖者需要結(jié)合理念設(shè)計者所給出的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來建立產(chǎn)品模型。這種設(shè)計方式存在弊端，一旦設(shè)計者沒有CAD系統(tǒng)的操作經(jīng)驗，那么在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，由于理念設(shè)計者與繪圖者溝通不善，就會浪費掉很多時間，為解決這一難題，唯有設(shè)計者直接將CAD模型構(gòu)造出。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是多種技術(shù)的綜合體，它融合了計算機技術(shù)、交互技術(shù)。信息處理技術(shù)等，其發(fā)展于20世紀(jì)末，到如今已成為各領(lǐng)域的重點研究對象。

在計算機的發(fā)展過程中包含了計算機速度、信息處理容量、智能化、交互技術(shù)及信息輸入技術(shù)等。而交互硬件的發(fā)展是較為明顯的，從曾經(jīng)的紙帶到鍵盤和鼠標(biāo)，再到現(xiàn)在開始嶄露頭角的高級虛擬現(xiàn)實交互硬件。而指令控制也由匯編語言變?yōu)楝F(xiàn)在的程序設(shè)計語言，并朝語音控制方面發(fā)展。信息輸出方面的發(fā)展同樣不落后與交互硬件及指令控制。圖形界面替代了早期的文字界面，而現(xiàn)在全息影像、立體頭盔和虛擬影院逐漸進(jìn)入人們的生活。這些技術(shù)的發(fā)展為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展提供了便利。

到目前為止，虛擬現(xiàn)實技術(shù)一直沒有明確定義，但普遍認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種能讓人在幻境中難辨虛實的技術(shù)，人們可以通過各種溝通方式與虛幻之境的事物進(jìn)行互動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的就是讓人處在一個可以與機器進(jìn)行交流互動的幻境。

1.2硬件系統(tǒng)

在操作一些較為簡單的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時只需要其擁有信息輸出輸入功能，依靠計算機桌面的交互信息系統(tǒng)即可，不需要特別的硬件設(shè)備。若要讓現(xiàn)實虛擬系統(tǒng)的交互性、沉浸性、想象性能充分展現(xiàn)出來就需要相對高級一點的設(shè)備做輔助，以達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。

這些設(shè)備分為兩種類型，一個是包含空間控制球、運動跟蹤器等的信息輸入設(shè)備，一個是包含了立體顯示器、立體頭盔等的信息輸出設(shè)備。

1.3軟件系統(tǒng)

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，虛擬場景和交互過程是必不可少的。讓這兩者的作用發(fā)揮，不僅需要依靠硬件系統(tǒng)，也需要依靠相關(guān)的軟件系統(tǒng)。很多軟件都可以建立虛擬場景，當(dāng)前的所有3D軟件都可以完成建立虛擬環(huán)境的任務(wù)，其中比較規(guī)范專業(yè)的有3DSMAX、MDT、POSER等。由于科技的發(fā)展，這些軟件可以憑靠網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)相互通用交換。網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)是指由三角形的面組建而成的，其網(wǎng)格的密度是由形體的劃分決定的，形體分的越細(xì)，其密度就越大，逼真程度就越高，要想完成這種工作，就要降低儲存空間與計算的速度。在建立虛擬場景中，為達(dá)到加快渲染的目的，一般會采用細(xì)節(jié)層次技術(shù)來實現(xiàn)。為使渲染的速度加快，還需要對網(wǎng)格進(jìn)行選擇，在形體離網(wǎng)格的觀測點較為遠(yuǎn)時，就應(yīng)當(dāng)避免選用精細(xì)的網(wǎng)格，而當(dāng)形體離觀測點很近時，應(yīng)當(dāng)避免選擇稀疏的網(wǎng)格，這樣才能增加它的細(xì)節(jié)和真實感。當(dāng)建立的是較為復(fù)雜、自然的模型時，其模型描述需要依靠非均勻有理B樣條曲線來實現(xiàn)，它組成形體的特征曲線是建立在數(shù)學(xué)公式上的，由數(shù)學(xué)公式為代表將形體組成。

虛擬過程實現(xiàn)技術(shù)的軟件很多，其中最具有代表性的有WorldToolkit、Superscape等，而能在Pc到SGI系統(tǒng)運行，并總支持虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備的是WTK，它是根據(jù)c語言技術(shù)而開發(fā)的函數(shù)庫。而可以建立三維場景的是VRT，它是依靠Java Script技術(shù)來將成果從網(wǎng)絡(luò)發(fā)布出去的。

2虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體系構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實技術(shù)有兩大部分構(gòu)成，一個是硬件系統(tǒng)，一個是軟件系統(tǒng)。而軟件系統(tǒng)又含有初步建造時所需的三維圖形應(yīng)用系統(tǒng)軟件、三維建模、模擬系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實建模語言、語言識別系統(tǒng)等。

虛擬現(xiàn)實的硬件有高性能計算機、聲音系統(tǒng)等等，虛擬現(xiàn)實產(chǎn)生器實際上是一個高性能的計算機系統(tǒng)，其圖像是由虛擬世界數(shù)據(jù)庫來生成的。聲音系統(tǒng)含有聲音合成器、語音識別器等。聲音系統(tǒng)中的合成聲音信號使人在虛擬環(huán)境中辨不清虛實，其主要是將人所能觀察到的范圍結(jié)合其肢體所在位置，讓其感到真實感和沉浸感。為了使幻境更加的逼真，虛擬需要提供觸感條件，例如物質(zhì)的凹凸面，并且結(jié)合幻境要求，提供相應(yīng)的阻力，如風(fēng)的阻力等，這些條件的實現(xiàn)，存在很大的難關(guān)。

3虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的種類與發(fā)展方向

現(xiàn)在所有的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)包括桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)三大類。桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組成沒有其他系統(tǒng)的繁雜，而且價格相對來說很貼民心，桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的操作方式十分簡便，可以通過鼠標(biāo)、系統(tǒng)交互來實現(xiàn)，是擁有高級輸送裝置3D計算機圖像的自然延伸；臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過將體驗者的各種感覺封閉起來，如視覺、聽覺，使體驗者在虛擬環(huán)境中辨不清真假來實現(xiàn)虛擬環(huán)境建立的目標(biāo)。臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)手套和頭部跟蹤來實現(xiàn)人機交互的。未來若想讓處于各地的用戶分享同一個虛擬幻境，就必須依靠臨境虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)將處在各處的用戶聯(lián)系起來，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，這也將是未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個發(fā)展的方向。

4探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計上的應(yīng)用

4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計的必要性

在我國的機械設(shè)計中，很大一部分是依靠設(shè)計者的經(jīng)驗來完成的，而設(shè)計者會比較重視靜態(tài)分析而忽視動態(tài)特征。在機械的設(shè)計中，需要考慮的因素很多，例如，在農(nóng)機設(shè)計上，設(shè)計者需要根據(jù)不同的農(nóng)作物、地理位置、氣候來設(shè)計機器。設(shè)計者需要設(shè)計出反季節(jié)性的農(nóng)業(yè)機械，這樣才能解決因各種問題而出現(xiàn)的罷工情況。使用傳統(tǒng)的設(shè)計模式來設(shè)計機械，不僅費力費時，且很大程度上會出現(xiàn)偏差。為了能使機械設(shè)計在設(shè)計過程中能動靜結(jié)合，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)是非常有必要的。

4.2發(fā)展和成果

白虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入我國后，使得軍事、工程、醫(yī)學(xué)、文化教育獲得較大的發(fā)展。以農(nóng)業(yè)為例，自虛擬現(xiàn)實技術(shù)被引入后，農(nóng)業(yè)利用其自建幻境的功能，創(chuàng)建了虛擬動農(nóng)場、虛擬溫室等，在農(nóng)業(yè)上也小有成就。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為機械設(shè)計提供了大的便利，以農(nóng)業(yè)機械為例，在以前，農(nóng)業(yè)機械零件的二維圖和整機的三維圖需要依靠計算機來完成，使得設(shè)計過程十分麻煩。而近幾年由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛使用，如ADAMS軟件的使用，使得機械設(shè)計過程變得簡便了許多。這套仿真分析軟件，能對虛擬樣機進(jìn)行測試，分析機械的運動學(xué)和動力性能。而實現(xiàn)對虛擬機械的測試，其過程又是比較簡單的，只要用使用像pro/E、uG等的建模軟件將模型建立好，再利用ADAMS對模型進(jìn)行分析。

4.3虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計

鄒慧君教授認(rèn)為機械設(shè)計有4個步驟，這4個步驟分別是產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)計方案、詳細(xì)設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計。這4個步驟綜合起來也就是概念設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計過程中前期的本質(zhì)形狀既是概念設(shè)計，概念設(shè)計是機械設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)，其占產(chǎn)品總成本的六到七成。這關(guān)鍵的環(huán)節(jié)若是通過才采用CAD系統(tǒng)來完成，是非常困難的，在CAD系統(tǒng)的使用過程中，設(shè)計師主要是通過鍵盤和鼠標(biāo)來實現(xiàn)交互目的。二維的界面因缺少三維的溝通設(shè)備，所以若將三維的造型環(huán)境放入二維界面處理時，就會出現(xiàn)直觀性缺乏的情況。

如將VR技術(shù)與CAD系統(tǒng)融合，則利用CAD系統(tǒng)完成理念設(shè)計就成為可能，當(dāng)CAD的模型環(huán)境以vA作為基礎(chǔ)時，設(shè)計者就可以利用各種溝通手段，在3D空間內(nèi)將立體模型快速的建立好。

4.4機械虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計是指設(shè)計者將虛擬機械設(shè)計出來，對所設(shè)計出的機械進(jìn)行研究和分析等，以便修改機械的不足點，將產(chǎn)品完美化。由此可以得出結(jié)論，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計中起到的一個重要作用就是對機械的完善。

虛擬設(shè)計系統(tǒng)包含虛擬環(huán)境生成器和外圍設(shè)備兩種。外圍設(shè)備包含了數(shù)據(jù)傳輸、信號控制裝置等。虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主體便是虛擬環(huán)境生成器，它可以根據(jù)設(shè)計者的指示，憑借軟件功能和數(shù)據(jù)庫的支持，將指示結(jié)果生成，并且其結(jié)果是多維的、符合要求的。虛擬環(huán)境生成器是由計算機的軟件和硬件延伸出的開發(fā)工具結(jié)合其他設(shè)備組合而成的。它就像一個將各種數(shù)據(jù)囊括在內(nèi)的、性能很高的圖形工作站。虛擬設(shè)計的優(yōu)勢是通過虛擬交互技術(shù)來實現(xiàn)的，虛擬系統(tǒng)的交互技術(shù)主要是視、聽、觸3個方面，而實現(xiàn)這些功能主要依靠系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)備來完成，而這些設(shè)備主要有頭盔顯示器、三維聲音處理器、語言輸入等。虛擬設(shè)計所涉及的范圍很廣，是以一門結(jié)合多種學(xué)術(shù)、多門學(xué)科的技術(shù)。當(dāng)前，存在兩種以虛擬現(xiàn)實為目的的工程設(shè)計方法，一種是利用CAD系統(tǒng)來完成，另一種是利用VR CAD系統(tǒng)來實現(xiàn)。

4.5機械虛擬制造

虛擬制造的本質(zhì)就是將最后制造的結(jié)果通過計算機呈現(xiàn)出來。而這種結(jié)果的實現(xiàn)需要依靠計算機仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完成。在計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的配合下，將設(shè)計過程的工藝規(guī)劃、加工制造及性能分析等完成。由于側(cè)重點不同，因此虛擬制造出現(xiàn)了以虛擬設(shè)計為中心、以生產(chǎn)為中心、以控制為中心的3種流派。例如，減速器外科的設(shè)計，在其外科成型時，其金屬熱成型的動態(tài)仿真需要依靠數(shù)值模型和物理模型來完成，以便于設(shè)計者分析材料處于不同情況下的反應(yīng)，如會不會對機械的性能和質(zhì)量產(chǎn)生影響。軸、齒輪的過程仿真是通過虛擬加工來完成的，虛擬加工的應(yīng)用方便設(shè)計者對機床刀具路徑和加工參數(shù)的選擇，便于設(shè)計者對設(shè)計結(jié)果的分析和評定、對機械的加工方法的分析等。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于軸系部件的設(shè)計可以讓軸系部件在設(shè)計階段就能進(jìn)行裝配和修改。而運用虛擬樣機代替減速器可以將產(chǎn)品的一次實驗成功率提高，為機器生產(chǎn)者省去大量的制造成本并使設(shè)計周期縮短，也使產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

5結(jié)論

在科技的快速發(fā)展下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸被普及。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用與機械設(shè)計上，使得機械設(shè)計的流程變得簡便，使得機械生產(chǎn)者的成本得到縮減，并縮短了機械的設(shè)計開發(fā)周期。