虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用初探

姜曉麗

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，使用戶在該環(huán)境中體驗(yàn)與真實(shí)環(huán)境相同的感受，具有實(shí)時(shí)性、交互性、沉浸性及感知性等特征。基于其虛擬現(xiàn)實(shí)功能，該技術(shù)在航空航天、設(shè)計(jì)、教育及軍事等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究較為豐富，但關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用的研究較少，對(duì)其開展分析具有理論意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);機(jī)械設(shè)計(jì)制造;應(yīng)用要點(diǎn)

引言

近年來，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平尤其是計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，在此背景下，基于計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而產(chǎn)生發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益影響到了人們的生產(chǎn)生活。作為一種新興的高科技技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中被廣泛應(yīng)用，有效推動(dòng)了機(jī)械設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用研究不足，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值難以發(fā)揮。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

1.1實(shí)時(shí)性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用可以讓產(chǎn)品和用戶之間進(jìn)行即時(shí)性、深入性的交互，對(duì)于提高用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)是極為重要的。而且生產(chǎn)商還能夠在第一時(shí)間把用戶的產(chǎn)品體驗(yàn)和反饋建議進(jìn)行記錄，并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品的不足之處進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。除此之外，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)反映到計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行實(shí)時(shí)同步，這對(duì)于提升機(jī)械產(chǎn)品的性能是十分有利的。

1.2感知性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓人們用視覺、觸覺、聽覺等不同的感知途徑來了解、體驗(yàn)機(jī)械產(chǎn)品的特點(diǎn)和功能，這種方式既可以為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員帶來更豐富的設(shè)計(jì)靈感，還可以幫助人們了解當(dāng)前機(jī)械產(chǎn)品在功能上有待提升與完善的部份，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品后續(xù)的更新、升級(jí)意義重大。

1.3交互性

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)中，可以讓所有機(jī)械產(chǎn)品的體驗(yàn)者用自然、輕松的方式和虛擬世界里的事物進(jìn)行即時(shí)的信息交互，也可以運(yùn)用不同的手勢(shì)或者語(yǔ)言下達(dá)命令操作虛擬對(duì)象。

1.4沉浸性

沉浸性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要特點(diǎn)之一，通俗地說就是觀察者在面對(duì)虛擬世界情感時(shí)的一種真實(shí)反映，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建出一個(gè)高度真實(shí)的虛擬環(huán)境，使用者的感知力（視、聽、觸、嗅等等）可以如同在真實(shí)世界中那樣運(yùn)用，并且不會(huì)受到任何影響。

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

2.1虛擬設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用以建模、測(cè)試、裝配流程為主，設(shè)計(jì)人員可通過虛擬環(huán)境進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)節(jié)、呈現(xiàn)三維立體設(shè)計(jì)模型，避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)中出現(xiàn)缺陷。常用的虛擬機(jī)械設(shè)計(jì)方法有商業(yè)CAD系統(tǒng)與VR環(huán)境的融合、專業(yè)VR-CAD系統(tǒng)兩類。前者是指設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中感知機(jī)械產(chǎn)品，應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn);后者則直接在虛擬環(huán)境中完成產(chǎn)品感知及設(shè)計(jì)調(diào)整操作。目前虛擬機(jī)械設(shè)計(jì)在汽車和航空領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，例如，德國(guó)大眾研發(fā)了Cave系統(tǒng)，可全面呈現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供虛擬環(huán)境;美國(guó)通用公司研發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，設(shè)計(jì)人員可在軟件內(nèi)進(jìn)行虛擬汽車設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)三維立體圖像，設(shè)計(jì)人員也可在設(shè)計(jì)室內(nèi)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，獲得汽車使用體驗(yàn)，根據(jù)虛擬環(huán)境中汽車三維模型的改進(jìn)細(xì)節(jié)與自身體驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)節(jié)與改進(jìn)，優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.2虛擬裝配

在傳統(tǒng)機(jī)械制造中，機(jī)械零件的裝配由仿真軟件實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建機(jī)械零件的三維模型，設(shè)定裝配順序，完成模擬裝配與產(chǎn)品分析。這種裝配方式呈現(xiàn)的裝配效果有限，不能展示零件裝配中存在的隱蔽問題。虛擬裝配是指將機(jī)械零件置于虛擬環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員可通過人機(jī)交互方式，控制零件進(jìn)行裝配，并細(xì)致觀察機(jī)械零件的裝配過程，了解機(jī)械零件在實(shí)踐應(yīng)用中的不足，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方案。福特汽車公司及波音公司均在產(chǎn)品裝配中引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行轎車及飛機(jī)的虛擬裝配，將設(shè)計(jì)改動(dòng)分別減少20%及18%，產(chǎn)品研發(fā)周期分別縮短12周與3年，提高機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)效率，可為制造企業(yè)創(chuàng)造更高收益。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制造中應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用主要有三種表現(xiàn)形式，分別為設(shè)計(jì)、控制與生產(chǎn)。在機(jī)械制造中，相關(guān)工作人員可以先行應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬在機(jī)械制造中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況，并以此作為依據(jù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的制造工藝與技術(shù)等進(jìn)行不斷地調(diào)整與改進(jìn)，使得機(jī)械制造技術(shù)工藝獲得提升，提高機(jī)械制造的效率與質(zhì)量水平。在機(jī)械制造過程中，則可以應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)整體制造過程流程進(jìn)行模擬，從而更好地控制機(jī)械制造工作，對(duì)機(jī)械制造進(jìn)行管理，更加細(xì)致地對(duì)機(jī)械制造過程進(jìn)行監(jiān)控。在機(jī)械制造生產(chǎn)中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，從而加以解決處理，提升機(jī)械產(chǎn)品品質(zhì)性能。

2.4工程數(shù)據(jù)可視化

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通過有限元分析方法進(jìn)行產(chǎn)品模型分析，分析過程較為復(fù)雜，分析結(jié)果體現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題不夠全面。在引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，設(shè)計(jì)人員可將有限元分析置于虛擬環(huán)境中，完成機(jī)械產(chǎn)品的形體網(wǎng)格劃分，以圖形方式呈現(xiàn)有限元分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)工程分析數(shù)據(jù)可視化，可獲取機(jī)械產(chǎn)品更為全面直觀的參數(shù)數(shù)據(jù)，找出機(jī)械產(chǎn)品復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的隱蔽問題，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)。以汽車和飛機(jī)造型設(shè)計(jì)為例，在設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)計(jì)人員進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，而數(shù)據(jù)計(jì)算會(huì)受有限元分析中的網(wǎng)格劃分影響。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，設(shè)計(jì)人員可針對(duì)汽車或飛機(jī)結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域，踐行針對(duì)性網(wǎng)格劃分，了解其速度、壓力所在環(huán)境的渦流、剪切層及沖擊波等參數(shù)，使設(shè)計(jì)方案更為合理。

2.5構(gòu)建模型

對(duì)于機(jī)械零件而言，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式不同，不僅要給出設(shè)計(jì)圖紙，還需提供零件與設(shè)備的裝配效果及爆炸圖。在應(yīng)用X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將UGNX10.0環(huán)境為虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，結(jié)合機(jī)械零件的尺寸要求，進(jìn)行基礎(chǔ)三維建模，將模型文件存儲(chǔ)為.catpart格式，并通過CATIAV5-6R進(jìn)行渲染，完善模型，并存儲(chǔ)為*.wrl格式，為X3D虛擬設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在三維建模完成后，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行絕對(duì)原點(diǎn)的設(shè)置，為機(jī)械零件虛擬裝配中的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)定參照點(diǎn)，避免機(jī)械零件圍繞錯(cuò)誤中心運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在UGNX10.0環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械零件裝配的仿真模擬，模擬其在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，明確機(jī)械零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄機(jī)械零件運(yùn)動(dòng)時(shí)的坐標(biāo)，保障虛擬裝配的準(zhǔn)確性。

2.6人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中，人機(jī)分析及機(jī)械產(chǎn)品評(píng)價(jià)在樣機(jī)模型制作和試制產(chǎn)品中完成。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)人員可在虛擬環(huán)境中創(chuàng)設(shè)虛擬的操作者和虛擬的機(jī)械產(chǎn)品，由虛擬的操作者進(jìn)行虛擬機(jī)械產(chǎn)品的使用，了解機(jī)械產(chǎn)品制造的性能、功能等狀況，獲取全面的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。例如，在汽車設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行汽車駕駛室內(nèi)操作性能的分析，了解設(shè)計(jì)中方向盤距離、車身高度及車門進(jìn)出效果等參數(shù)性能。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用內(nèi)容較為豐富，包括虛擬設(shè)計(jì)、虛擬裝配、人機(jī)工程學(xué)評(píng)價(jià)及工程數(shù)據(jù)可視化。借鑒機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與制造流程，制造企業(yè)可根據(jù)設(shè)計(jì)方案構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品的三維模型，在虛擬環(huán)境中模擬機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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（作者單位：南通泰勝藍(lán)島海洋工程有限公司）