虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用初探

虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用初探

张 博

身份证号： 36031319850421****

摘要：科学技术的进步与发展，传统的机械设计与制造模式也开始向着数字化、信息化、仿真化方向前进。基于此，文章从虚拟现实技术的内涵与特征入手，结合实际案例，阐述其在机械设计与制造中的应用，为虚拟现实技术的推广应用提供帮助。

关键词：虚拟现实技术；机械设计与制造；应用

引言

虚拟现实技术是指能够让使用者体验、感受由计算机设置而成的虚拟世界，它是运用多源信息交互的三维动态化实体行为的仿真系统。该技术是仿真技术中的一个重要分支，由人机交互、计算机设计、多媒体、数字传感以及信息交互等技术融合而成，具有明显的交叉性和复杂性特点。基于其虚拟现实功能，该技术在航空航天、设计、教育及军事等领域有广泛应用，相关研究较为丰富，但关于虚拟现实技术在机械设计与制造中应用的研究较少，对其开展分析具有理论意义。

1虚拟现实技术的特点

1.1实时性

虚拟现实技术的运用可以让产品和用户之间进行即时性、深入性的交互，对于提高用户的产品体验是极为重要的。而且生产商还能够在第一时间把用户的产品体验和反馈建议进行记录，并在短时间内对产品的不足之处进行调整、优化^[1]。

1.2感知性

虚拟现实技术可以让人们用视觉、触觉、听觉等不同的感知途径来了解、体验机械产品的特点和功能，这种方式既可以为机械产品的设计人员带来更丰富的设计灵感，还可以帮助人们了解当前机械产品在功能上有待提升与完善的部份，对于机械产品后续的更新、升级意义重大。

1.3交互性

把虚拟现实技术融入到机械设计与制造环节中，可以让所有机械产品的体验者用自然、轻松的方式和虚拟世界里的事物进行即时的信息交互，也可以运用不同的手势或者语言下达命令操作虚拟对象^[2]。

1.4沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术的重要特点之一，通俗地说就是观察者在面对虚拟世界情感时的一种真实反映，虚拟现实技术利用计算机构建出一个高度真实的虚拟环境，使用者的感知力（视、听、触、嗅等等）可以如同在真实世界中那样运用，并且不会受到任何影响^[3]。

2虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

2.1在机械设计与制造中的应用内容

就目前技术水平而言，虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用体现在虚拟设计、虚拟装配、人机工程学评价及工程数据可视化四方面。第一，虚拟设计。在机械设计中，虚拟现实技术的应用以建模、测试、装配流程为主，设计人员可通过虚拟环境进行机械设计参数的调节、呈现三维立体设计模型，避免产品设计中出现缺陷。常用的虚拟机械设计方法有商业CAD系统与VR环境的融合、专业VR-CAD系统两类。前者是指设计人员在虚拟环境中感知机械产品，应用CAD软件进行设计及优化改进；后者则直接在虚拟环境中完成产品感知及设计调整操作。第二，虚拟装配。在传统机械制造中，机械零件的装配由仿真软件实现，构建机械零件的三维模型，设定装配顺序，完成模拟装配与产品分析。这种装配方式呈现的装配效果有限，不能展示零件装配中存在的隐蔽问题。虚拟装配是指将机械零件置于虚拟环境中，设计人员可通过人机交互方式，控制零件进行装配，并细致观察机械零件的装配过程，了解机械零件在实践应用中的不足，进一步优化机械零件的设计方案。福特汽车公司及波音公司均在产品装配中引进虚拟现实技术，进行轿车及飞机的虚拟装配，将设计改动分别减少20%及18%，产品研发周期分别缩短12周与3年，提高机械产品开发效率，可为制造企业创造更高收益。第三，人机工程学评价。在传统机械设计中，人机分析及机械产品评价在样机模型制作和试制产品中完成。在虚拟现实技术支持下，可在产品设计环节进行人机工程学评价，设计人员可在虚拟环境中创设虚拟的操作者和虚拟的机械产品，由虚拟的操作者进行虚拟机械产品的使用，了解机械产品制造的性能、功能等状况，获取全面的人机工程学参数，为设计优化提供数据参考。例如，在汽车设计中，设计人员可通过虚拟现实技术进行汽车驾驶室内操作性能的分析，了解设计中方向盘距离、车身高度及车门进出效果等参数性能。第四，工程数据可视化。在传统机械设计中，设计人员通过有限元分析方法进行产品模型分析，分析过程较为复杂，分析结果体现的设计问题不够全面。在引进虚拟现实技术后，设计人员可将有限元分析置于虚拟环境中，完成机械产品的形体网格划分，以图形方式呈现有限元分析结果，实现工程分析数据可视化，可获取机械产品更为全面直观的参数数据，找出机械产品复杂结构中的隐蔽问题，进而优化设计。以汽车和飞机造型设计为例，在设计时需设计人员进行流体动力学计算，而数据计算会受有限元分析中的网格划分影响。在虚拟现实技术支持下，设计人员可针对汽车或飞机结构的不同区域，践行针对性网格划分，了解其速度、压力所在环境的涡流、剪切层及冲击波等参数，使设计方案更为合理

^[4]。

2.2在机械设计与制造中的应用案例

本文以机械零件的设计为例，阐述虚拟现实技术的具体应用方式与要点。某设计人员在零件设计中引用X3D虚拟现实技术，通过三维模型构建和虚拟装配方式，实现零件设计。

2.2.1构建模型

对于机械零件而言，通过虚拟现实技术进行设计，和传统设计方式不同，不仅要给出设计图纸，还需提供零件与设备的装配效果及爆炸图。在应用X3D虚拟现实技术时，设计人员将UGNX10.0环境为虚拟设计环境，结合机械零件的尺寸要求，进行基础三维建模，将模型文件存储为.catpart格式，并通过CATIAV5-6R进行渲染，完善模型，并存储为*.wrl格式，为X3D虚拟设计奠定基础。在三维建模完成后，设计人员进行绝对原点的设置，为机械零件虚拟装配中的运动轨迹设定参照点，避免机械零件围绕错误中心运动^[5]。

2.2.2虚拟装配

在该机械零件设计中，设计人员通过X3D编程，利用其智能感知节点，实现机械零件在虚拟环境中的拆装展示，支持设计人员与虚拟环境的交互。同时，在X3D程序中，设计人员在设定智能感知节点的同时，设置背景节点，通过Inline节点设置机械零件的静态参数，通过scale节点设置机械零件的运动参数，通过动画控制节点设置机械零件的角度、运动周期等参数。在设置完成后，设计人员通过操作鼠标和操纵杆，进行缩小和放大操作，调节虚拟环境中机械零件装配的观察视角，并控制虚拟环境中的机械零件，实现人机交互，了解机械零件装配的细节，及时发现零件存在的问题^[6]。

3结束语

综上所述，虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用内容较为丰富，包括虚拟设计、虚拟装配、人机工程学评价及工程数据可视化。借鉴机械零件的设计与制造流程，制造企业可根据设计方案构建机械产品的三维模型，在虚拟环境中模拟机械产品的实践应用，发现机械产品设计的不足，优化设计方案。

参考文献

[1]安龙.基于虚拟现实技术的矿山机械设备仿真系统设计[J].机械管理开发,2018,33(11):230-231+288.

[2]雷万帅.机械设计制造中虚拟现实技术研究[J].山东工业技术,2018(13):17.

[3]黄少华.虚拟仿真技术在矿山机械设计制造中的应用和前景[J].世界有色金属,2018(03):43+45.

[4]刘炳新.虚拟现实技术及其在机械领域的应用[J].南方农机,2017,48(21):126+138.

[5]徐南.虚拟现实在机械设计制造中的作用分析[J].电脑迷,2017(04):51.

[6]李勤,刘治永,付卉青,居里锴.虚拟现实技术在机械安全领域的应用展望[J].自动化博览,2017(02):14-16.