小议机械设计中的虚拟现实技术

摘要：目前计算机辅助设计技术已经广泛应用于机械设计制造中。伴随着虚拟现实技术在设计中的使用，人机交互将得到很大提高，使得机械设计制造更简单形象，效率也得到提高。本文将围绕虚拟现实的特点，对其在机械设计上应用作简要分析。

关键词：机械设计;虚拟现实 技术

前言

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.虚拟现实的内涵和特点

虚拟现实是实际制造过程在计算机上的本质实现， 即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算机上群组协同工作， 实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟现实虽然不是实际的制造， 但却实现实际制造的本质过程， 是一种通过计算机虚拟现实来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题， 提高人们的预测和决策水平， 使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 发展到了全方位预报的新阶段。与实际制造相比较， 虚拟现实的主要特点是：

（1）产品与制造环境是虚拟现实， 在计算机上进行产品设计、制造、测试， 甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作， 而不依赖于传统的原型样机的反复修改;还可将已开发的产品（部件）存放在计算机里， 不但大大节省仓储费用， 更能根据用户需求或市场变化快速改变设计， 快速投入批量生产， 从而能大幅度压缩新产品的开发时间， 提高质量、降低成本。

（2）可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作、相互交流、信息共享， 减少大量的文档生成及其传递的时间和误差， 从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

2.虚拟现实技术在机械设计与制造中应用

（1）虚拟产品概念设计。概念设计（Conceptual Design）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。

（2）虚拟设计。虚拟设计（Virtual Design）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足设计要求，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，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。

（3）虚拟制造。虚拟制造（Virtual Manufacturing）是实际制造过程在计算机上的映射，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上，实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造技术在制造业中得以成功地推广应用，其中在航空航天、汽车等领域中的应用尤为典型。虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设备、工装和模具，甚至校车的设计之前，很容易地生产系统和工艺过程进行建模、修改、分析及优化。比如，通用电动车部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造夹模具工装设计和可维修性设计。此举显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。由此可见，虚拟制造用虚拟样机代替具体物理模型，对产品的全寿命周期进行展示、分析和测试，对存在问题的地方进行修改，提高产品一次试验成功率，减少设计制造费用，缩短设计开发周期，降低研发成本，提高研发水平，保证产品质量。

4.结束语

现在，虚拟现实技术在工业领域中获得较为成熟的运用，但仍是初级阶段。可以预见得到，虚拟现实技术将逐渐应用到设计制作的各个环节中，为设计制造业的蓬勃发展提供无限动力。

参考文献：

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[3]王利华，包文育，张丹丹，侍红岩，刘丽娜.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），2007（01）

[4]刘美珍，刘剑雄，刘伟达.虚拟制造技术及其应用综述[J].机电产品开发与创新，2006（01）

作者简介：

施德璨（1992.02.16-），本科，邵阳学院机械系。