虛擬現實技術在機械設計與制造中的應用實踐

陳明懷

摘 要：一些機械設計和制造需要投入巨大的成本，程序復雜，需要消耗大量的人力物力資源，而新興的虛擬現實技術如果能夠成功運用在機械設計與制造的過程中，就可以有效防止資源的浪費。本文主要講述虛擬現實技術的含義，對虛擬現實技術進行簡要分析，了解虛擬現實技術在機械設計與制造的應用過程，制造業中投入虛擬現實技術能解決的問題及其優勢。

關鍵詞：虛擬現實技術;機械設計及制造;應用實踐

虛擬現實技術是一種新興的高科技技術，可以服務于各行各業，滿足人們和企業的一些需求，它的優點就是可以運用較少的資源，實現一些設計的構想，將設想現實化，從而暴露其中可能存在的問題，也可以運用到游戲中，使人們在玩游戲的時候增強代入感，帶來更加刺激真實的體驗。而機械設計與制造過程中面臨諸多難題，尤其是在實現新的設計思路的過程中，程序繁瑣復雜，需要巨大的資金投入，根據虛擬現實技術的特點和優勢，如果將其運用到機械設計和制造的過程中，將會節省不必要的資源消耗。

1 虛擬現實技術的簡要概述

1.1 虛擬現實技術的含義

虛擬現實技術是二十一世紀的新興先進技術，到目前為止，還沒有一個具體的定義，虛擬現實系統主要包括五個部分：虛擬世界，計算機，虛擬現實軟件，輸入設備和輸出設備。虛擬現實技術的運用可以實現三維環境的構造，構建虛擬空間，使用戶的體驗不僅停留在二維平面，使用者也會成為虛擬環境中的一部分，所以虛擬現實技術的核心就在于三維模型的構建和環境的定義。

1.2 虛擬現實技術的特點

虛擬現實技術有其獨特的優勢，其主要特征主要概括為以下幾個方面。

1.2.1 多感知性

虛擬現實技術不同于傳統技術，體現在各個方面，首先利用虛擬現實技術可以創造出三維空間，而傳統技術只停留在二維平面。而且虛擬現實技術不僅包含視覺，更增加了觸覺，聽覺，甚至還可以實現嗅覺和味覺的感知。所以虛擬現實技術能通過多重感知，達到讓使用者身臨其境的效果，讓使用者能夠沉浸其中，甚至把虛擬誤以為現實。

1.2.2 增強虛擬世界中的存在感

虛擬現實技術的不斷發展過程中，通過把控各種細節，增強使用者的代入感，逐漸構造比較真實的虛擬世界，增強使用者在虛擬世界中的存在感。

1.2.3 交互性

交互性的含義就是使用者在體驗虛擬現實技術的過程中，不僅可以從虛擬世界中提取信息，發現其中存在的問題，也可以通過計算機等設備進行操作，對虛擬世界進行改造，人和虛擬世界的相互碰撞就是虛擬現實技術交互性的體現。

1.3 虛擬現實技術的發展

虛擬現實技術需要多臺計算機才能完成相應的設計，在過去，計算機的成本本來就高，而且集群的計算機比較厚重，所以在虛擬現實技術的運用過程中成本高，不便捷，嚴重制約著其發展，但隨著科技的不斷進步，微型計算機的出現，有效地解決了其中存在的問題，推動了虛擬現實技術的發展。如今虛擬現實技術伴隨著頭盔顯示器的運用，全息成像技術和體感手套的發展，圖像畫質越來越清晰，使用者在其中的感觸也越來越精細。先進的軟件技術及人工智能更提高了虛擬現實技術硬核要求，更能滿足大家的需求。

2 機械制造過程中存在的問題

如今我國科技發展迅速，機械制造業的競爭相當激烈，而對于某些傳統機械的制造和設計過程需要消耗大量不必要的資源，所以能運用先進的技術，用最少的資源，生產出質量高的產品，將會贏得更廣大的市場，而虛擬現實技術在機械設計及制造過程中的應用，可以有效解決我國機械制造業存在的問題。

3 虛擬現實技術在機械設計與制造中的應用實踐

虛擬現實技術在機械設計與制造過程的運用，首先就要形成初期的概念設計，進而產生虛擬樣機，再對其性能進行仿真分析，如果不符合要求，則可以通過對數據的修改，重新構建虛擬樣機，再重新進行仿真分析，如果符合要求，則可以進行優化設計，并進行虛擬制造，從而產生滿足要求的成品。運用虛擬現實技術進行機械的生產較傳統的機械制造，可以大大節省資源的消耗，當機械不符合要求的時候，傳統機械制造不僅造成資源的浪費，還需要重新修改設計思路，加強制造環節的質量，所以設計出一件符合要求的機械，將耗費大量的時間，需要多次的循環，但如果機械制造過程中運用虛擬現實技術，則可以節省這些循環過程中需要消耗的資源。其設計過程，主要包含以下三個環節。

3.1 虛擬產品概念設計

概念設計屬于對機械產品的前期設計，設計者需要考慮多方面的因素，不僅包括設計思路和思維，也包括設計時間和需要投入的資金，初期的概念設計需要包含機械設計及制造的各個方面的預期和設想。初期的概念設計工作量占機械成品設計工作的絕大部分。設計者可以通過固定的語言及數據輸入方式，進行初期的產品概念構造，并可以隨時實現修改，刪減，直到滿足設計者的要求。

3.2 虛擬設計

虛擬設計就是在概念設計的基礎上，設計出虛擬的機械，研究其功能和各項指標，并對其可能存在的問題，及時進行修改及改造，并產生新的可靠設計思路，這與過程主要包含兩種設計方法，一種是利用CAD系統產生模型，將CAD系統的模型引入到虛擬空間中，再進行設計。一種是將虛擬現實技術引入到CAD環境，這種方法不僅可以設計出成品，還可以感知成品的重量及溫度等特點。但是不管是哪一種設計方法，都可以實現對產品外形，布局，動力等方面的塑造，排查并解決其中可能存在的問題。

3.3 虛擬制造

虛擬制造是指需要設計的產品，已經擁有完善的設計思路和體系，通過仿造真實的產品制造過程的各個環節，從而確保在產品制造的過程中，產品的性能及質量不會存在問題及偏差，這就大大增強了機械的安全性能。虛擬制造已經成功運用在制造業的相關企業中，比如航空航天，汽車等領域。

4 虛擬現實技術運用在機械設計與制造的優勢

4.1 節省人力物力資源

虛擬現實技術運用在機械設計與制造過程中，首先就是對虛擬機械進行簡單的設計，構造一個虛擬的空間，而工作人員不僅是虛擬機械的設計者，也可以以使用者的身份對虛擬機械的功能和各方面的構造進行檢測和勘察，由于虛擬世界具有交互性，而虛擬機械是以所輸入的數據為支撐點，所以使用者可以通過刪減和編排數據等方式，就可以對虛擬機械進行適當的改造，而產生新的設計，直到設計符合設計者對該機械的制造目標和預期，這樣比傳統的機械設計更安全，更方便，最重要的是可以節省大量的人力物力資源，提高工作效率，簡單可靠。

4.2 突破空間限制

虛擬現實技術有多個入口，這樣就可以支持位于不同地點的人，進入同一虛擬空間，對同一虛擬機械同時進行改造和交流，這樣多名設計者即便被空間所阻隔，也可以同時對要生產的機械一起進行改造，突破了設計的時空限制，大大提高了工作效率。

4.3 提高機械的安全性能

對于一些特殊機械的制造，比如航空航天，飛機制造等，如果制造過程出現紕漏，不僅將會造成巨大損失，還有可能造成人員傷亡，而如果成功運用虛擬現實技術，投入到設計及制造過程中，那么就會避免形成不可挽回的后果。

結束語

總之，現在很多工業機械設計與制造工作量大，企業之間競爭壓力大，如果虛擬現實技術能夠成功運用與機械設計與制造的過程中，將會節省大量資源，推動社會經濟發展，產生巨大經濟效益，有著不容小覷的重大意義，虛擬現實技術將不僅存在于科技電影中，也將投入日常生活的制造過程中。

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