虛擬技術(shù)在建筑工程機械設計中的應用解析

摘 要：虛擬技術(shù)作為新興技術(shù)，應用于建筑工程機械設計，可更加直觀、立體的觀看建筑呈現(xiàn)效果，為建筑人員創(chuàng)造豐富的想象空間，提升設計效率，節(jié)約設計時間。本文主要例舉筑工程中反鏟載機的設計過程，概述虛擬技術(shù)在產(chǎn)品設計、制造過程中發(fā)揮的作用以及具體步驟的應用，為建筑設計朝著高質(zhì)量方向發(fā)展保駕護航。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù);建筑工程機械設計;應用解析

一、虛擬技術(shù)概述

虛擬技術(shù)又被叫做VR技術(shù)，該技術(shù)改變了傳統(tǒng)設計信息的靜態(tài)輸送，通過圖形交互技術(shù)，在傳感器以及人工智能硬件設備的幫助下，將合成的三維空間形象設計轉(zhuǎn)化為圖表以及動畫，帶來聽覺、視覺、觸覺感受盛宴。目前，虛擬技術(shù)所呈現(xiàn)出的特性包含三點：一是交互性。通過專用設備操作且模擬現(xiàn)實環(huán)境，從而能夠?qū)崟r獲取環(huán)境反饋程度;二是構(gòu)想性，指的是在虛擬技術(shù)所合成的模擬環(huán)境中，能夠幫助人尋找理性的新意以及認知，信息接收變被動為主動，創(chuàng)新且積極探索行業(yè)實際問題，并在VR技術(shù)的助力下得已解決;三是沉浸性。虛擬技術(shù)可以真實的模擬現(xiàn)實環(huán)境，給人一種真實的沉浸式感受[1]。

二、虛擬技術(shù)在建筑工程機械設計中的作用

（一）涵蓋建筑工程機械的全部信息

傳統(tǒng)的筑工程機械功能方案設計形式，涵蓋文字、圖片、模型、三維動畫等四種呈現(xiàn)方式，其中前三個展現(xiàn)形式趨于靜態(tài)，只能片面觀察計算方案的局部，不能帶來全方位的視覺體驗。而后者的三維動畫盡管可以動態(tài)的呈現(xiàn)數(shù)據(jù)模型，但在方案修改方面，無法實現(xiàn)實時交互性，人們只能被動式接受重新核算數(shù)據(jù)，在設計過程會忽略掉現(xiàn)實實際問題的考量。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)，將建筑工程機械設計推向高峰。通過CAD三維數(shù)據(jù)建造虛擬的三維環(huán)境，實現(xiàn)動態(tài)交互性。當進入虛擬環(huán)境后，可自由操控瀏覽路線，切換運動模式、環(huán)境效果場景、設計方案，并全面預覽并精細觀察工程機械內(nèi)部信息[2]。

（二）實時多方案比較

機械產(chǎn)品設計采用虛擬技術(shù)，設計人員可通過虛擬空間，進行不同方案的設計、切換以及方案的局部修改，降低勞動強度，在有限時間內(nèi)實時感受不同方案在實際應用中的優(yōu)勢與劣勢，多組合排列，從而決策出最優(yōu)的設計方案，以有限的成本獲取優(yōu)質(zhì)的設計質(zhì)量[3]。

（三）實時修改

虛擬技術(shù)中的CAD 技術(shù)可以模擬實際模型，設計人員通過觀察成品模型可以及時更正錯誤，完善方案。避免成品制造后投入市場所帶來的經(jīng)濟損失。同時，工程師可以進入設計產(chǎn)品的世界，對產(chǎn)品內(nèi)部構(gòu)造、尺度、聲音等進行近距離的感受觀察，對于客戶提出的改進問題，也可以實時快捷修改設計數(shù)據(jù)，完善設計方案[4]。

（四）降低項目投資成本

虛擬技術(shù)可以100%還原現(xiàn)實建筑設計，無論是設計者還是客戶，都可以結(jié)合設計方案對模擬模型展開修改、驗證、瀏覽等工作，在此過程中節(jié)省成品模型的制作成本、返修費用、產(chǎn)品運行費用以及用戶投資成本，實現(xiàn)合作雙方利益的最大化，并最終得到滿意的產(chǎn)品。

三、虛擬技術(shù)在建筑工程機械設計中的應用

（一）構(gòu)造虛擬產(chǎn)品系統(tǒng)框架

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)框架的組成包含兩大部分。一是軟件，二是硬件。首先，WTK三維虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件，支持鼠標、6個自由度輸入設備、跟蹤定位式的頭戴式立體顯示器等各種虛擬現(xiàn)實輸入、輸出工具設備的連接，建立實時的三維圖形應用系統(tǒng);其次，硬件主要設備包含立體發(fā)聲器、跟蹤輸入到主用程序信息的位置和方向的計算機圖形系統(tǒng)、顯示器、位置。方向跟蹤器、三位輸入裝置等內(nèi)部構(gòu)造[5]。

（二）初步設計階段

在反鏟載機產(chǎn)品設計的初步階段，需要參照工程圖建立初級的實體運動模型。實體模型需設置的內(nèi)容包含連桿，運動副，物件庫以及方法庫兩大模塊，同時還包含恒定驅(qū)動，關(guān)節(jié)運動驅(qū)動，運動函數(shù)等在內(nèi)的5大運動驅(qū)動類型。其中，以實體打造物件庫模塊那零部件的尺寸型號以及相關(guān)的屬性信息并進行存儲，會造成空間時間以及人力物力的浪費，但是通過虛擬CAD計數(shù)中的ADS便可以打造虛擬物件庫模塊參數(shù)化造型;方法庫模塊存儲過往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，機械產(chǎn)品設計步驟準則等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，一方面用戶可以在方法庫模塊，檢索設計類型等相關(guān)參數(shù)性關(guān)鍵詞，系統(tǒng)一自動或半自動，兩種不同的方式生成設計方案。另一方面通過VC++5.0編制機械產(chǎn)品的交互式非標準設計[6]。

（三）建模仿真階段

反鏟載機內(nèi)部構(gòu)造零部件約計1000多個，且每個零部件都具有不同的造型和結(jié)構(gòu)。但是在建模仿真階段，零部件三維實體造型的仿真，可以參照以下步驟進行三維造型的建模。第1步采用參數(shù)化建模方法繪制模型的初步草圖，可以有效的防止設計變形，同時便于及時修改不合理的零件尺寸以及結(jié)構(gòu);第2步進行零件三維模型的建模。但是在該過程當中需要參考不同零部件的特征以及附加特性，構(gòu)建不同的零件三維模型;第3步，按照零部件之間的功能關(guān)聯(lián)以及羅列順序?qū)α慵M行裝配，完成整機裝配仿真過程。

（四）虛擬系統(tǒng)技術(shù)路線

運用 WTK虛擬開發(fā)軟件以及圖形庫，開發(fā)并創(chuàng)建產(chǎn)品的虛擬開發(fā)環(huán)境。其中虛擬開發(fā)環(huán)境的創(chuàng)建層次需要由高到低實現(xiàn)。低層次虛擬開發(fā)環(huán)境可調(diào)用WTK R9中VRML2現(xiàn)實語言得以創(chuàng)建，而通過與Ob j etARX可實現(xiàn)高層次虛擬環(huán)境的集成開發(fā)和創(chuàng)建。通過借助C語言函數(shù)等相關(guān)工具實現(xiàn)產(chǎn)品裝載文件幾何對象、虛擬產(chǎn)品設備實例等相關(guān)功能。CAD系統(tǒng)可以完成產(chǎn)品幾何對象的建模并運用 dxf 等存儲對象文件[7]。

（五）虛擬環(huán)境下VTML與CAD集成

CD系統(tǒng)可以將CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為VRML格式的虛擬場景，實現(xiàn)場景的360度，無死角可視化以及可編輯性。設計者可不受空間的限制，虛擬操作反鏟載機操作桿以及其他部件，以防出現(xiàn)視野死角，造成制造樣機時間和費用的浪費。除此之外，VRML2.0格式的產(chǎn)品交互式三維圖形程序，可以定義虛擬機器的部件形狀、聲音、力學性質(zhì)等特性，同時計算虛擬機器的應力、強度、高度等數(shù)據(jù)并實現(xiàn)結(jié)果的可視化。

四、結(jié)論

綜上所述，虛擬技術(shù)應用于建筑工程機械設計過程，無論是產(chǎn)品的初級設計階段，還是產(chǎn)品最終制造階段，都對機械產(chǎn)品的創(chuàng)新以及實際投入使用創(chuàng)造了重要價值。虛擬技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景，因此未來工程機械設計的發(fā)展，將會逐漸重視虛擬技術(shù)。目前，盡管虛擬技術(shù)處于初級起步階段，技術(shù)的熟練度以及相應設備還不夠健全，但是相信隨著科技的發(fā)展以及新興技術(shù)的出現(xiàn)，將會使虛擬技術(shù)不斷得以開發(fā)和完善，為建筑工程機械行業(yè)的發(fā)展保駕護航。

參考文獻：

[1]徐志，汪洪波. 現(xiàn)代機械工程設計中的虛擬制造技術(shù)探討[J].建筑工程技術(shù)與設計，2017（21）：4121.

[2]張小亞.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設計與制造中的應用[J].企業(yè)導報，2011（16）：276-277. [3]朱和鯤.淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其在機械設計與制造中的應用[J].科技與創(chuàng)新，2015（16）：140.

[4]羅亮.淺論虛擬樣機技術(shù)在機械設計中的應用[J].華東科技：學術(shù)版，2013（4）：323.

[5]羅卓杰. 虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用[J].南方農(nóng)機，2018，49（24）：76，78.

[6]董晨，徐艷. 淺析虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設計中的應用[J].南方農(nóng)機，2018，49（17）：63.

[7]周鑫. 基于虛擬工程設計的數(shù)控機床工業(yè)設計研究[D].西安電子科技大學，2018.

作者簡介：鄭森（1983-），女，漢族，吉林省長春市人，博士，任職于吉林建筑大學，講師，研究方向：工程機械設計。