虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用實踐

陳明懷

摘 要：一些機械設(shè)計和制造需要投入巨大的成本，程序復(fù)雜，需要消耗大量的人力物力資源，而新興的虛擬現(xiàn)實技術(shù)如果能夠成功運用在機械設(shè)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(xiàn)實技術(shù)的含義，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行簡要分析，了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造的應(yīng)用過程，制造業(yè)中投入虛擬現(xiàn)實技術(shù)能解決的問題及其優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);機械設(shè)計及制造;應(yīng)用實踐

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，可以服務(wù)于各行各業(yè)，滿足人們和企業(yè)的一些需求，它的優(yōu)點就是可以運用較少的資源，實現(xiàn)一些設(shè)計的構(gòu)想，將設(shè)想現(xiàn)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(shè)計與制造過程中面臨諸多難題，尤其是在實現(xiàn)新的設(shè)計思路的過程中，程序繁瑣復(fù)雜，需要巨大的資金投入，根據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點和優(yōu)勢，如果將其運用到機械設(shè)計和制造的過程中，將會節(jié)省不必要的資源消耗。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的簡要概述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的含義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是二十一世紀的新興先進技術(shù)，到目前為止，還沒有一個具體的定義，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包括五個部分：虛擬世界，計算機，虛擬現(xiàn)實軟件，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用可以實現(xiàn)三維環(huán)境的構(gòu)造，構(gòu)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(huán)境中的一部分，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心就在于三維模型的構(gòu)建和環(huán)境的定義。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)有其獨特的優(yōu)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(xiàn)實技術(shù)不同于傳統(tǒng)技術(shù)，體現(xiàn)在各個方面，首先利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)造出三維空間，而傳統(tǒng)技術(shù)只停留在二維平面。而且虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅包含視覺，更增加了觸覺，聽覺，甚至還可以實現(xiàn)嗅覺和味覺的感知。所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實。

1.2.2 增強虛擬世界中的存在感

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，通過把控各種細節(jié)，增強使用者的代入感，逐漸構(gòu)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(xiàn)實技術(shù)的過程中，不僅可以從虛擬世界中提取信息，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，也可以通過計算機等設(shè)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(xiàn)實技術(shù)交互性的體現(xiàn)。

1.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要多臺計算機才能完成相應(yīng)的設(shè)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(xiàn)實技術(shù)的運用過程中成本高，不便捷，嚴重制約著其發(fā)展，但隨著科技的不斷進步，微型計算機的出現(xiàn)，有效地解決了其中存在的問題，推動了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展。如今虛擬現(xiàn)實技術(shù)伴隨著頭盔顯示器的運用，全息成像技術(shù)和體感手套的發(fā)展，圖像畫質(zhì)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(shù)及人工智能更提高了虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(fā)展迅速，機械制造業(yè)的競爭相當激烈，而對于某些傳統(tǒng)機械的制造和設(shè)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(shù)，用最少的資源，生產(chǎn)出質(zhì)量高的產(chǎn)品，將會贏得更廣大的市場，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計及制造過程中的應(yīng)用，可以有效解決我國機械制造業(yè)存在的問題。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用實踐

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造過程的運用，首先就要形成初期的概念設(shè)計，進而產(chǎn)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(shù)據(jù)的修改，重新構(gòu)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(yōu)化設(shè)計，并進行虛擬制造，從而產(chǎn)生滿足要求的成品。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行機械的生產(chǎn)較傳統(tǒng)的機械制造，可以大大節(jié)省資源的消耗，當機械不符合要求的時候，傳統(tǒng)機械制造不僅造成資源的浪費，還需要重新修改設(shè)計思路，加強制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量，所以設(shè)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(huán)，但如果機械制造過程中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，則可以節(jié)省這些循環(huán)過程中需要消耗的資源。其設(shè)計過程，主要包含以下三個環(huán)節(jié)。

3.1 虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計

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

3.2 虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計就是在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)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(chǎn)生新的可靠設(shè)計思路，這與過程主要包含兩種設(shè)計方法，一種是利用CAD系統(tǒng)產(chǎn)生模型，將CAD系統(tǒng)的模型引入到虛擬空間中，再進行設(shè)計。一種是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到CAD環(huán)境，這種方法不僅可以設(shè)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(shè)計方法，都可以實現(xiàn)對產(chǎn)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(shè)計的產(chǎn)品，已經(jīng)擁有完善的設(shè)計思路和體系，通過仿造真實的產(chǎn)品制造過程的各個環(huán)節(jié)，從而確保在產(chǎn)品制造的過程中，產(chǎn)品的性能及質(zhì)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(jīng)成功運用在制造業(yè)的相關(guān)企業(yè)中，比如航空航天，汽車等領(lǐng)域。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在機械設(shè)計與制造的優(yōu)勢

4.1 節(jié)省人力物力資源

虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在機械設(shè)計與制造過程中，首先就是對虛擬機械進行簡單的設(shè)計，構(gòu)造一個虛擬的空間，而工作人員不僅是虛擬機械的設(shè)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(gòu)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(shù)據(jù)為支撐點，所以使用者可以通過刪減和編排數(shù)據(jù)等方式，就可以對虛擬機械進行適當?shù)母脑?，而產(chǎn)生新的設(shè)計，直到設(shè)計符合設(shè)計者對該機械的制造目標和預(yù)期，這樣比傳統(tǒng)的機械設(shè)計更安全，更方便，最重要的是可以節(jié)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(xiàn)實技術(shù)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(shè)計者即便被空間所阻隔，也可以同時對要生產(chǎn)的機械一起進行改造，突破了設(shè)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(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)，投入到設(shè)計及制造過程中，那么就會避免形成不可挽回的后果。

結(jié)束語

總之，現(xiàn)在很多工業(yè)機械設(shè)計與制造工作量大，企業(yè)之間競爭壓力大，如果虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠成功運用與機械設(shè)計與制造的過程中，將會節(jié)省大量資源，推動社會經(jīng)濟發(fā)展，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益，有著不容小覷的重大意義，虛擬現(xiàn)實技術(shù)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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