虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用

李光华 董凡荣 孙鹏

山东华鉴工程检测有限公司 山东省济南市

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。为了能够满足新时期的机械设计与制造发展需求，对虚拟现实技术的概念进行简要论述，在讨论虚拟现实技术特点的同时，对于虚拟现实技术在机械设计与制造中的实际运用给出一些有效建议，以供相关从业人员参考借鉴。

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（Virtual reality technology），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。虚拟现实技术除了能够模仿机械产品制造过程以外，还能够利用计算机和信息交互技术来对机械产品进行设计、产品加工工艺以及产品的制造和产生等一系列过程进行管控，而且整个过程高度真，对于机械产品品质的提升具有重要影响。

1、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术产生于20世纪60年代，这一技术的产生与发展基础是计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、多媒体信息处理技术、信息传感技术等多种技术的创新发展，其本质是一种依靠计算机网络与信息传感处理而进行运算的交叉性虚拟技术。虚拟现实技术不仅仅可以使体验用户在近乎于真实的环境中感受事物，还可以应用在多种行业领域中，帮助行业领域发展进步。例如，虚拟现实技术能够实现对产品的制造过程中的事物仿真，并借助计算机技术对产品的概念设计、工艺技术等生产制造过程进行管理、控制和优化。虚拟现实技术有着诸多的特点和优势，具体而言，虚拟现实技术有着以下特点特征：1）实时性。虚拟现实技术能够根据用户的交流互动，实时对用户的使用感受进行记录，并在此基础上对用户所提出的建议进行分析，对产品概念设计与生产制造过程进行优化与改进。虚拟现实技术能够直观且直接地将用户建议进行反馈改进，显著提高产品的应用性能。2）感知性。虚拟现实技术能够让用户通过视觉、触觉、听觉等感知方式对机械产品的功能进行感受和使用，不仅为机械产品设计人员提供更多的产品设计思路，也为用户感受机械产品功能提供了更为丰富的方式手段。3）交互性。虚拟现实技术的一大优势就是用户可以通过多种方式与虚拟世界环境中的事物对象进行交流或者互动，这就帮助相关机械产品制造与设计人员能够通过用户与产品的交互，对产品进行优化和改进。

2、虚拟现实技术的作用

2.1使知识主题更清晰

当学生阅读某些内容时，他们经常想要体验它。使用VR，它们不仅限于文字描述或书籍插图；他们可以探索这个主题，看看机械构件是如何组合在一起的。由于VR提供的存在感，学生可以通过体验来学习主题。虽然VR体验并不真实，但体验过的这种感觉以一种非凡的方式吸引着大脑，并永远留存。例如，学生们可以戴上VR耳机，然后立即被送到企业，就可以体验企业实际生产过程。

2.2降低学习成本

机械基础实验在专业教学中作用很大，但建立一个实验室价格昂贵，而且实验室功能单一，只能做一些特定数量的实验，不可扩展。但VR技术可以为我们建立虚拟实验室，一个较小的VR设备可以支撑起一个实验室，还可以为教育教学提供扩展能力，使学习更具活力和吸引力。

2.3增加学习体验

机械基础的教学中，“边做边学”“做中学”“学中做”是学生更高效获得知识的途径方式，虚拟现实技术引入机械基础教学，可以使学生在虚拟现实环境中获得实践经验，并参与与现实世界体验相关的挑战性练习。这种学习方式更适合于中职学生的学习特点，中职学生动手能力强，他们更希望通过做事来获得知识，而不是学习抽象的理论知识或者阅读书本。

2.4提高学习情绪体验

情绪也学习效果是否强烈的重要影响因素之一，它会对学习者所经历的学习内容产生强烈反应，从而加深记忆。VR技术可以让学生与虚拟现实中的学习经历中，建立与知识的情感联系增加了他们的兴奋感，并帮助他们记住不同的知识细节。例如我们可以通过设计建筑大梁，从力学角度出发，当大梁构件损坏时，所造成的建筑倒塌引起学生情感变化，从而增加学生对力学的认知理解。

2.5发展创造力

虚拟现实技术不仅对知识内容学习并消化有很大帮助，同时，也可以为学习者创建创新教学内容。虚拟现实技术可以为学生提供强大的工具，如TiltBrush，来帮助他们提高创造力。例如我们可能通过TiltBrush自己来设计机构、构件、零件，也可以来实现零部件之间的组装。

3、虚拟现实技术在机械制造与设计中的应用

3.1虚拟产品概念设计中的应用

所谓的“概念设计”是针对概念产品的设计形式，其目的是为了能够获得产品的基本形态，是产品研发与设计中最为关键的组成部分，对于产品的生产成本有着密切的关系。把虚拟现实技术运用到概念设计中，要从以下两个方面进行着手：一是运用虚拟现实技术优化、改进机械产品概念中的不足之处，既能够为机械制造的设计人员提供语音识别输入所带来的便利性，而且机械产品设计人员还可以通过不同的手势动作以及程序输入的方式进行操作。此外，设计人中也能够通过虚拟技术在三维环境中把产品的立体模型进行数据分析，并对内部结构进行细节调整与优化。二是可以为产品设计人员理清机械概念的思维和设计内涵的表达，让更多的人可以直接、立体地感受产品的设计意图，不仅可以提高机械产品设计的成功概率，还可以强化机械产品在激烈的市场竞争中的核心竞争力。此外，虚拟现实技术的运用也可以让用户的产品体验变得更加完整，而厂商也可以按照用户的体验来对产品的不足之处进行及时调整、改进，并生产出更多让用户满意和认可的产品。

3.2虚拟设计中的应用

虚拟设计就是把虚拟现代技术运用到机械制造与产品开发设计环节中。通常情况下，机械设计人员在设计出一款新的产品，设计人员会把产品的相关参数以及设计框架进行详细测试，以此来确认产品本身是否能够满足市场的需求，并针对其间不合理或者有缺陷的位置进行及时整改、优化，让产品变得更完美。例如在进行蜗轮蜗杆减速器的设计过程中要对蜗轮蜗杆的所有参数都要进行评测和调整，在经过反复确认之后才能够再利用数据建模的方式来进行仿真制造和加工；或者运用虚拟现实技术对该设备进行重新设计，这样既可以防止在实际生产过程中出现不合理的情况，同时也可以确认该设备与其他构件在操作过程中是否存在不合理的运动协调问题，确认轴、键、轴承等相关配件的硬度、刚度以及抗冲击性等等。

3.3虚拟制造中的应用

随着计算机技术和互联网技术的进步与发展，设计人员也摆脱了传统的手工绘图的局限性，运用现代虚拟技术和计算机协同合作的方式对现有的机械产品制造、产品的设计加工以及质量检验方面进行了模拟，不但提高了产品的综合性能，还能够强化机械制造部门以及机械产品的生产加工流程的控制与管理效果，对于提高机械管理高层的决策能力具有重要的意义。

结语

综上所述，在当今虚拟现实技术不断发展进步的背景与趋势下，社会中各行各业都已普及应用虚拟现实技术。在机械设计与制造中，虚拟现实技术的应用有着诸多的优势与价值，对其进行分析研究希望能够帮助机械设计与制造产业进一步发展。

参考文献

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