虚拟现实技术在机械设计与制造中的运用

陈传民

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摘要：随着现代科技的进步与发展，各种高科技技术纷纷涌现，虚拟现实技术在科技的发展之下应运而生。虚拟现实技术凭借着众多优势受到了诸多行业领域的关注并广泛应用。机械设计与制造行业是我国经济发展过程中的重要产业，虚拟现实技术在机械设计与制造中有着广大的发展前景，在这样的情况下，本文对机械设计与制造中虚拟现实技术的运用进行了简单探讨，让虚拟现实技术能在机械设计与制造行业充分发挥其价值。

关键词：虚拟现实技术；机械设计与制造；运用

引言

虚拟现实技术是在科技发展过程中产生的一种新型的高科技网络技术，也是时代发展科技进步的体现之一。虚拟现实技术很好的满足了人们的实际需求，因此，在现代社会的各行各业中得到了广泛应用，而机械设计与制造行业也不例外，将虚拟现实技术运用在机械设计与制造中，利用计算机来模拟真实的机械设计与制造，让机械设计与制造有了更多的可能性。

一、虚拟现实技术的介绍

虚拟现实技术是一种现代化新型科学技术，它在计算机技术的基础上将各领域多方面的高科技技术进行了有机融合，给人们呈现出一个逼真的虚拟场景，人们能在这个虚拟场景中得到视觉、听觉、触觉等方面逼真的反馈信息，人们对虚拟对象的操控有着十分真实的感知，是一种全新的人机交互模式。虚拟现实技术利用计算机仿真技术将人与环境完美融合，让人们的交互形式得到了很大的改变，也给人类带来了一种新的感知方式，实现了人们的实际需求。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、感知性以及实时性四个特点。虚拟现实技术的沉浸性是其首要特点，真实反映了观察者对徐虚拟世界中的情感，利用计算机来模拟现实，给观察者营造一个十分真实的虚拟世界，观察者在这个虚拟世界中能通过视觉、听觉、触觉来感受虚拟世界中发生的任何事，给观察者一种身临其境的感觉。交互性是虚拟现实技术的重要特性，用户可以操作虚拟世界中的各个物体，并且能得到相应的反馈信息。在虚拟现实系统中，人机交互是一种十分逼真自然的交互形式，用户可以通过电脑键盘、鼠标等多种交互方式来进行交互，并且可以进行更多的设计操作。虚拟现实技术的感知性可以让用户在虚拟世界中通过视觉、听觉、初级等各种感知方式来感受与使用机械产品的各项功能，可以给机械设计与制造的工作人员提供更多的设计思路，用户也能在虚拟世界中去切身感受机械产品的实际功能。实时性是指用户利用虚拟现实技术来实时参与，形成实时交互模式，让用户与系统一体化。用户可以利用虚拟现实技术来处理问题，通过完善的网络体系为用户提供智能化的软件应用，让用户的思路与系统创新相一致，用户可以通过自主操作来掌握专业技能，帮助用户更好的工作与学习。

二、虚拟现实技术在机械设计与制造中的运用

（一）虚拟产品概念设计

在机械设计中，概念设计是一种物质形式的理想形态，也是一种创新性思维的具体表现。在机械设计与制造行业，相关设计人员为了确保产品设计构思的准确性，要进行产品基本形态的捕捉，虚拟产品概念设计就很好的满足这一要求。虚拟概念设计通过虚拟技术来给设计人员提供多种输入方法，设计人员可以通过手势、语言等多种方式对自己的形态建模进行修改，并且利用三维空间设计帮助设计人员观察自己的产品设计情况，不断调整与优化，最终达到预期效果。在产品概念设计过程中应用虚拟现实技术，能让设计人员将自己的设计思路直观清晰的表达出来，让人们在虚拟世界有直观的交互感知。虚拟现实技术的这一特性大幅度的降低了其市场投放的风险，为虚拟现实技术的应用与发展提供了重要保障。

（二）虚拟设计

设计人员设计可以通过虚拟设计产品来深入分析产品是否符合设计要求，及时发现产品的不足，及时进行修改，完善产品设计，也就是说虚拟现实技术可以运用在产品的开发设计中。虚拟设计涉及到很多的专业技术与学科知识，也是多学科交互技术的一种。目前，虚拟现实技术上的工程设计方法主要分为两种。第一，通过现有的CAD系统构建模型，再将模型转换成适合虚拟现实软件的格式，再在虚拟现实软件的环境中输入模型，进行虚拟产品的设计工作，设计人员可以通过头盔显示器等各种增强效果的设备来增强身临其境的感觉。第二，VR-CAD系统。工作人员在CAD环境中引入虚拟现实技术，在这样的设计环境下，设计对象不止有外形，还有材料特点、表面硬度、物理性能以及主要功能等各种信息。用户可以通过对象之间的相互作用来了解对象内部的结构状态等内容，也能随着外部输入进行实时改变。设计人员可以直接在虚拟世界中进行产品设计，利用虚拟设计来进行产品的外形、产品布局、动力设计等各方面的仿真设计，有效避免产品设计中出现的不合理问题，还能很好的检查出运动构件在运行时的协调关系。

（三）虚拟制造

虚拟制造是指利用虚拟现实技术在计算机上模拟制造过程。机械设计与制造的相关工作人员利用计算机仿真与虚拟现实技术进行产品设计、工艺规划、产品制造、产品分析、质量检测等一系列产品制造的相关流程，提高制造过程中的控制与各级的决策能力。由于应用要求不同，在应用过程中存在不同的侧重点，虚拟制造分为了三种类型，即以设计为核心、以生产为核心以及以控制为核心的虚拟制造方式。比如，在减速器设计的壳体成型中，工作人员通过数值模拟和物理模拟来进行金属材料热成型过程的仿真制造，通过对不同条件下成形材料的组织、性能、质量的预测，调整与优化热成形件的质量与性能；在仿真轴、齿轮等零件的加工过程时，工作人员利用虚拟加工，优化机床刀具路径，调整最佳加工参数，并对产品设计的合理性、可加工性以及加工方法等进行合理分析与评估，并分析加工过程中可能会存在的问题；工作人员可以在设计阶段利用虚拟制造技术进行轴系部件的装配工作，随时修改，防止在实际的装配工作中出现差错。工作人员可以利用虚拟样机代替物理模型，展示、分析并测试产品的寿命周期，及时发现问题并进行完善修正，提高产品的试验成功率，降低设计制造成本，缩短设计开发时间，确保产品的质量符合相关要求。

总结

随着虚拟现实技术在各个行业领域的广泛应用，机械设计与制造行业迎来了新的发展机遇，虚拟现实技术在机械设计与制造行业有着重要意义。机械制造人员可以在产品制造之前在虚拟世界中进行产品概念设计，利用计算机仿真技术构建产品模型来分析、研究与检测产品是否符合相关要求，并对产品进行预测与评估，虚拟实验很好的替代了实体测试，有效降低了产品的研发成本，缩短了开发周期，还保障了产品质量。

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