摘要：目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造中。伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)計(jì)中的使用，人機(jī)交互將得到很大提高，使得機(jī)械設(shè)計(jì)制造更簡(jiǎn)單形象，效率也得到提高。本文將圍繞虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，對(duì)其在機(jī)械設(shè)計(jì)上應(yīng)用作簡(jiǎn)要分析。

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

前言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 人類(lèi)社會(huì)步入了嶄新的世紀(jì)， 經(jīng)濟(jì)的全球化和社會(huì)的信息化， 促使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈， 制造企業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展， 必須以最快的上市速度， 最好的質(zhì)量， 最低的成本和最優(yōu)的服務(wù)， 滿(mǎn)足不同顧客的需求。這就要求企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)必須具有高度的柔性， 對(duì)市場(chǎng)需求的變化做出快速反應(yīng)， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由此產(chǎn)生。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)涵和特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)是實(shí)際制造過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)， 即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)以及企業(yè)各級(jí)過(guò)程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過(guò)程， 以增強(qiáng)制造過(guò)程各級(jí)的決策與控制能力。虛擬現(xiàn)實(shí)雖然不是實(shí)際的制造， 但卻實(shí)現(xiàn)實(shí)際制造的本質(zhì)過(guò)程， 是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問(wèn)題， 提高人們的預(yù)測(cè)和決策水平， 使得制造技術(shù)走出主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)的狹小天地， 發(fā)展到了全方位預(yù)報(bào)的新階段。與實(shí)際制造相比較， 虛擬現(xiàn)實(shí)的主要特點(diǎn)是：

（1）產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬現(xiàn)實(shí)， 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試， 甚至設(shè)計(jì)人員或用戶(hù)可“進(jìn)入”虛擬的制造環(huán)境檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)、加工、裝配和操作， 而不依賴(lài)于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)的反復(fù)修改;還可將已開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品（部件）存放在計(jì)算機(jī)里， 不但大大節(jié)省倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用， 更能根據(jù)用戶(hù)需求或市場(chǎng)變化快速改變?cè)O(shè)計(jì)， 快速投入批量生產(chǎn)， 從而能大幅度壓縮新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間， 提高質(zhì)量、降低成本。

（2）可使分布在不同地點(diǎn)、不同部門(mén)的不同專(zhuān)業(yè)人員在同一個(gè)產(chǎn)品模型上同時(shí)工作、相互交流、信息共享， 減少大量的文檔生成及其傳遞的時(shí)間和誤差， 從而使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用

（1）虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)（Conceptual Design）是創(chuàng)造性思維的一種體現(xiàn)，概念產(chǎn)品是一種理想化的物質(zhì)形式。概念設(shè)計(jì)是指對(duì)產(chǎn)品起始的設(shè)計(jì)構(gòu)思，目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形態(tài)。概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要階段，因?yàn)楫a(chǎn)品成本的60%～70%是概念設(shè)計(jì)決定的。虛擬概念設(shè)計(jì)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為設(shè)計(jì)者提供基于語(yǔ)言識(shí)別和手勢(shì)跟蹤的輸入方式，設(shè)計(jì)者可隨時(shí)、方便地在三維虛擬環(huán)境中操縱產(chǎn)品及零件并改變或修改產(chǎn)品的各種形態(tài)建模，并可以在三維空間中對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行觀察和操作，其目的是獲得足夠多的有關(guān)產(chǎn)品式樣和形狀的信息，從而達(dá)到滿(mǎn)意的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)表達(dá)更加清晰、形象、逼真，讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受。這樣的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)大大減少了投放市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)性，保證產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一次性成功。設(shè)計(jì)時(shí)可以針對(duì)不同用戶(hù)及愛(ài)好者的需求，在不同的虛擬環(huán)境中，讓他們親自體驗(yàn)修改模型的感受，充分感受了自己所喜愛(ài)的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的“真實(shí)”情況。

（2）虛擬設(shè)計(jì)。虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design）就是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的產(chǎn)品，來(lái)分析、研究、檢查所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，有問(wèn)題及時(shí)修改，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為完善，或者說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。虛擬設(shè)計(jì)涉及到許多的學(xué)科和專(zhuān)業(yè)技術(shù)，屬于多學(xué)科交互技術(shù)，在工程設(shè)計(jì)上，目前提出兩種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)方法。一種是利用現(xiàn)有的CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生模型，再將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持的格式，然后將模型輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的環(huán)境中，完成虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，用戶(hù)充分利用各種增強(qiáng)的效果設(shè)備，如頭盔顯示器等產(chǎn)生臨境感。另一種是VR-CAD 系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入CAD 環(huán)境，這種設(shè)計(jì)環(huán)境中的對(duì)象不僅具有外形，而且還有重量、材料特性、表面硬度以及一些內(nèi)在的物理性能、功能作用等信息。對(duì)象之間相互作用時(shí)能反映出對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)等隨外部輸入的實(shí)時(shí)改變。設(shè)計(jì)者直接在虛擬環(huán)境中參與設(shè)計(jì)，采用虛擬設(shè)計(jì)可以對(duì)產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的布局設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力仿真設(shè)計(jì)，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問(wèn)題;同時(shí)可以檢查運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系。

（3）虛擬制造。虛擬制造（Virtual Manufacturing）是實(shí)際制造過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的映射，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過(guò)程與技術(shù)集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過(guò)程的實(shí)體數(shù)字模型之上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)以及企業(yè)各級(jí)過(guò)程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過(guò)程，以增強(qiáng)制造過(guò)程各級(jí)的決策與控制能力。虛擬制造技術(shù)在制造業(yè)中得以成功地推廣應(yīng)用，其中在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為典型。虛擬制造在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及到汽車(chē)的整個(gè)生命周期，它可以在汽車(chē)生產(chǎn)設(shè)備、工裝和模具，甚至校車(chē)的設(shè)計(jì)之前，很容易地生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過(guò)程進(jìn)行建模、修改、分析及優(yōu)化。比如，通用電動(dòng)車(chē)部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 軟件，建成了第一個(gè)完全數(shù)字化的機(jī)車(chē)樣機(jī)模型，并圍繞這個(gè)數(shù)字模型并行地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造夾模具工裝設(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。此舉顯著降低了研制費(fèi)用及生產(chǎn)成本，大大增強(qiáng)了全球競(jìng)爭(zhēng)能力。由此可見(jiàn)，虛擬制造用虛擬樣機(jī)代替具體物理模型，對(duì)產(chǎn)品的全壽命周期進(jìn)行展示、分析和測(cè)試，對(duì)存在問(wèn)題的地方進(jìn)行修改，提高產(chǎn)品一次試驗(yàn)成功率，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中獲得較為成熟的運(yùn)用，但仍是初級(jí)階段。可以預(yù)見(jiàn)得到，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將逐漸應(yīng)用到設(shè)計(jì)制作的各個(gè)環(huán)節(jié)中，為設(shè)計(jì)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無(wú)限動(dòng)力。

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作者簡(jiǎn)介：

施德璨（1992.02.16-），本科，邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械系。