虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中有效運(yùn)用分析

吳震波

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用發(fā)揮出十分積極的作用，其強(qiáng)大的仿真能力，不僅顯著地提升了機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的能力水平，同時(shí)在保障機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的質(zhì)量上也發(fā)揮出了不可替代的優(yōu)勢(shì)作用。對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)、在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及具體應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，以供參考。

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

中圖分類號(hào)：TH164? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）06-0126-03

0 引言

無論是提升生產(chǎn)能力與效率，還是改善生活品質(zhì)，促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步，無一例外的都需要大量設(shè)備的支持[1]。而機(jī)械設(shè)計(jì)與制造正是提升設(shè)備性能，發(fā)揮設(shè)備作用的重要領(lǐng)域。

受互聯(lián)網(wǎng)以及信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用和影響，各種先進(jìn)技術(shù)形式百花齊放，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的方法與途徑創(chuàng)新創(chuàng)造了更好的條件。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越普遍，也正是由于有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，無論是在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量上，還是設(shè)計(jì)制造的效率上，都得到了顯著的提升，也有力推動(dòng)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

新時(shí)代背景下，先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為社會(huì)的高速度，高質(zhì)量發(fā)展提供了更多可能。信息技術(shù)全面、深入、廣泛覆蓋的新形勢(shì)下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人類視線中出現(xiàn)的頻率越來高，正在深刻地影響人類的生活。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種仿真技術(shù)，是以電子信息技術(shù)，虛擬制造技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托的一種先進(jìn)技術(shù)形式。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又被稱作VR技術(shù)。多數(shù)人了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，都是從游戲中、影院中開始的。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，性能不斷完善升級(jí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，除了游戲與娛樂領(lǐng)域之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在許多未知領(lǐng)域也發(fā)揮出了很好的輔助作用。不限于教育領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域，還有機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)仿真化的體驗(yàn)，當(dāng)戴上3D眼鏡，就能夠產(chǎn)生身臨其境的體驗(yàn)感，對(duì)一朵花開的過程感受更真實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)的電子信息技術(shù)，虛擬制造技術(shù)來聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

在一些領(lǐng)域，需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)真實(shí)情境進(jìn)行模擬，能夠提前模擬結(jié)果，而無需真實(shí)的投入相應(yīng)的資源，不僅僅過程更便捷，而且成本更節(jié)約，而產(chǎn)生的預(yù)期作用又非常影響。這樣就很好地解決了前期的過度投入問題[2]。尤其對(duì)于設(shè)計(jì)領(lǐng)域來說，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持，每一個(gè)設(shè)計(jì)靈感，都可以在不投入真實(shí)人力物力前提下，更真實(shí)的模擬出結(jié)果，以此來判斷的科學(xué)性與精準(zhǔn)性，并且能夠更直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題與不足，能夠及時(shí)修改并完善，這樣就避免了投產(chǎn)之后再發(fā)現(xiàn)缺陷而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)與時(shí)間浪費(fèi)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，以模型虛擬的形式來確認(rèn)設(shè)計(jì)的可行性，這樣就可以在源頭上對(duì)缺陷問題進(jìn)行及時(shí)的修復(fù)，避免了實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的諸多問題。

當(dāng)設(shè)計(jì)還是一個(gè)雛形時(shí)，就可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來快速的修改，通過更改相關(guān)數(shù)據(jù)來使得設(shè)計(jì)效果更滿意，更好地達(dá)到預(yù)期的效果。當(dāng)設(shè)計(jì)方案得到確認(rèn)之后，便可直接輸出模型，進(jìn)行下一階段的工作任務(wù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，為各行各業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展、進(jìn)步與提升創(chuàng)造了良好的條件。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢(shì)作用，有力促進(jìn)了我國工業(yè)水平的進(jìn)步。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將許多無法展現(xiàn)的情景與細(xì)節(jié)都呈現(xiàn)在人們的眼前，讓人們體驗(yàn)到更加真實(shí)的效果。在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持，能夠更直觀、真實(shí)地讓設(shè)計(jì)者身臨其境，體驗(yàn)到更加逼真的效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠很好地將機(jī)械設(shè)計(jì)制造中所需要考慮的各方面因素都清晰、細(xì)致地展現(xiàn)出來，還可以通過調(diào)整參數(shù)，來達(dá)到設(shè)計(jì)的最佳效果。同時(shí)可以避免實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)各種問題與缺陷。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中運(yùn)用的意義

2.1 有利于提升機(jī)械設(shè)計(jì)效率

機(jī)械設(shè)計(jì)的有效性將會(huì)對(duì)后期的機(jī)械制造產(chǎn)生直接影響，包括會(huì)對(duì)制造的效率、質(zhì)量等。而機(jī)械設(shè)計(jì)過程是十分復(fù)雜的，不僅僅要考慮功能與性能、適配度，同時(shí)也需要考慮到成本的可控，工藝應(yīng)用的流暢性以及市場(chǎng)的因素。機(jī)械設(shè)計(jì)不僅僅考驗(yàn)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力，同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)也提出了更高的要求。

機(jī)械設(shè)計(jì)工作需要嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、認(rèn)真地開展，還要在此基礎(chǔ)之上保障設(shè)計(jì)的效率。如果一直沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和手段的話，是無法全面滿足新時(shí)代背景下，高質(zhì)量機(jī)械設(shè)計(jì)的要求的[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其便捷、仿真優(yōu)勢(shì)，顯著地提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，并且在很大程度上保障了機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助來實(shí)現(xiàn)高效率設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真效果，能夠及地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。這就突破了傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的局限性，不僅僅提升了設(shè)計(jì)效率，也減輕了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，使得機(jī)械設(shè)計(jì)工作更輕省的同時(shí)，又能夠保證高質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 有利于控制機(jī)械設(shè)計(jì)成本

在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要投入成本，無論是人力成本，還是物力成本，最終都會(huì)影響企業(yè)良好經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。尤其在機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過程中雖然有靈感、有想法，但并不意味著每一個(gè)想法都是正確的，都能夠?qū)C(jī)械的性能與功能以及其他方面產(chǎn)生積極的影響。每一個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)時(shí)，都需要通過投產(chǎn)、試驗(yàn)以及檢測(cè)等多個(gè)工序來對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行評(píng)估[4]。這個(gè)過程不僅僅要花費(fèi)一定的時(shí)間，同時(shí)也需要投入大量的資源，包括材料資源、技術(shù)資源、設(shè)備資源等，無論何種資源都會(huì)提高企業(yè)的成本。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠通過模擬模型來對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)與配合的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷與不足、及時(shí)修復(fù)。而且通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的配合，及進(jìn)修復(fù)完善的過程中所消耗的資源有限，很好地實(shí)現(xiàn)了成本控制的目標(biāo)。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，能夠在模型的支持下確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性，減少甚至省略試產(chǎn)評(píng)估的環(huán)節(jié)。尤其是一些熱門的設(shè)計(jì)理念，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，能夠直接通過電腦，進(jìn)行數(shù)據(jù)的推算，準(zhǔn)確度大大提升。結(jié)合市場(chǎng)需求來安排生產(chǎn)工作，可大大節(jié)約時(shí)間成本，而且還可以搶占市場(chǎng)先機(jī)，使得機(jī)械設(shè)計(jì)獲得更廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可，為企業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

2.3 有利于提升機(jī)械制造質(zhì)量

機(jī)械設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)連續(xù)性的過程，也是一個(gè)相互影響，相互關(guān)聯(lián)的過程中。良好的機(jī)械設(shè)計(jì)可以節(jié)約機(jī)械制造的成本，提升機(jī)械制造的效率，也能夠保障機(jī)械制造的質(zhì)量。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，能夠?qū)γ恳粋€(gè)細(xì)節(jié)，每一處環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真模擬。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品來說，適配度、精確度是十分關(guān)鍵，也是影響機(jī)械產(chǎn)品功能與性能的最關(guān)鍵因素。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然是通過模型來進(jìn)行模擬的，但是這種模型仍然可以在具體的機(jī)械制造過程中起到重要的參考與引導(dǎo)作用。模型雖然是虛擬的，但是參數(shù)以及各種數(shù)據(jù)卻是真實(shí)的。在機(jī)械制造過程中，只需要嚴(yán)格的按照設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)來調(diào)整并指導(dǎo)制造過程，就能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所呈現(xiàn)的效果[5]，保障機(jī)械制造的質(zhì)量，避免一系列安全問題和功能隱患，使得機(jī)械產(chǎn)品的性能更優(yōu)異，質(zhì)量更有保障，更能夠獲得市場(chǎng)的認(rèn)可。質(zhì)量得到提升，就意味著在制造過程中所產(chǎn)生的誤差更小、消耗可控，這也是節(jié)約制造成本的集中體現(xiàn)，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作用發(fā)揮的具體表現(xiàn)。

2.4 有利于保障機(jī)械制造安全

機(jī)械制造也是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及大量零配件的加工、組裝、檢測(cè)與調(diào)試，過程復(fù)雜，工藝要求多，材料應(yīng)用多，設(shè)備參與多。在機(jī)械制造過程中也潛藏著不同程度的安全隱患。通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?qū)C(jī)械制造過程進(jìn)行有效指導(dǎo)，包括：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提前對(duì)機(jī)械加工制造的過程進(jìn)行模擬。通過構(gòu)件材料、外觀、摩擦、契合程度等方面的確認(rèn)，來對(duì)機(jī)械制造的過程與流程進(jìn)行全面審核，并做好優(yōu)化工作。對(duì)于一些制造復(fù)雜的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行審視。通過設(shè)計(jì)、管理手段來提前干預(yù)，確保生產(chǎn)過程的順利安全開展，從而很好地避免了安全隱患問題發(fā)生所導(dǎo)致人員的人身安全威脅，防止對(duì)制造進(jìn)度產(chǎn)生不利的影響。

在機(jī)床的設(shè)計(jì)、加工過程中，機(jī)械設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來對(duì)機(jī)床的零件加工過程進(jìn)行模擬，根據(jù)不同的零部件加工工藝，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)床零件的加工過程進(jìn)行模擬、分析、比對(duì)，以檢驗(yàn)機(jī)械加工的合理性、可靠性以及安全性，從而進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)床零件設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的合理性。

在機(jī)械制造過程中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠使設(shè)計(jì)人員獲得更多的信息反饋，這也是其他任何技術(shù)無法替代的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造過程中存在的問題，以便及時(shí)糾正錯(cuò)誤與不足之處，有效避免在機(jī)械制造過程中發(fā)生安全事故。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中有效運(yùn)用

3.1 虛擬設(shè)計(jì)概念的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程中，設(shè)計(jì)的理念與概念并不是一成不變的，而是會(huì)隨著市場(chǎng)的變化而變化。為了讓產(chǎn)品更好的滿足市場(chǎng)需求，也需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品來進(jìn)行創(chuàng)新。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域而言，這種創(chuàng)新性要體現(xiàn)在日常的經(jīng)營與管理中，要將創(chuàng)新理念貫徹始終。

虛擬概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要從兩個(gè)方面著手，一方面，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來完善機(jī)械產(chǎn)品中的不足。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的深度結(jié)合，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供更便捷的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。為了進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率，還可以采取手勢(shì)動(dòng)作的形式來更改程序語言，提升設(shè)計(jì)效率[6]。設(shè)計(jì)人員還可以通過虛擬技術(shù)在三維環(huán)境中把產(chǎn)品的立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整與優(yōu)化。另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員理清機(jī)械概念的思維和設(shè)計(jì)內(nèi)涵，讓更多的人可以直接、立體地感受產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。這不僅可以提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功概率，還可以強(qiáng)化機(jī)械產(chǎn)品在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)與制造是一門應(yīng)用性、專業(yè)性極強(qiáng)的行業(yè)，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的優(yōu)劣，將會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備的性能、功能、安全性、使用壽命等產(chǎn)生直接的影響。尤其是制造，制造是最終的成品輸出階段。不同的機(jī)械產(chǎn)品在外觀、性能、結(jié)構(gòu)上都會(huì)存在著很大的差異性，而這些差異性也會(huì)影響制造的質(zhì)量與效率。在機(jī)械制造中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠顯著提升機(jī)械制造的質(zhì)量與效率。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的參與輔助下，很多傳統(tǒng)的需要精密加工的部件，無論是在質(zhì)量的掌控上，還是效率的提升上，都是傳統(tǒng)人工技術(shù)所不能比擬的。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可將機(jī)械制造的工作環(huán)境以及可能遇見的問題進(jìn)行提前仿真預(yù)處理，之后利用智能傳感器技術(shù)，將機(jī)械制造在工作中獲取的信息進(jìn)行傳遞，利用人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而修改工作模式，使其更好地適應(yīng)工作環(huán)境。因此，利用人工智能技術(shù)，可以更好地進(jìn)行機(jī)械運(yùn)行故障診斷、機(jī)械制造智能監(jiān)控以及智能操作。同時(shí)可更好地控制機(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。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深入應(yīng)用開辟了機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域發(fā)展的新途徑，為了充分發(fā)揮出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的先進(jìn)性，要合理化地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得機(jī)械設(shè)計(jì)制造更加趨向于自動(dòng)化，在不斷提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，確保生產(chǎn)質(zhì)量的提升，更好地促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展與繁榮。

在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以有效地提升設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，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)用進(jìn)行分析，對(duì)于促進(jìn)我國機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

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