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虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用初探薛松

发表时间：2020/9/23 来源：《基层建设》2020年第17期作者：薛松

[导读] 摘要：虚拟现实技术在机械设计与制造领域的应用，可实现虚拟设计、虚拟装配、机械仿真、虚拟样机等功能，实现数据的可视化，提高机械设计与制造的效率和质量。

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        摘要：虚拟现实技术在机械设计与制造领域的应用，可实现虚拟设计、虚拟装配、机械仿真、虚拟样机等功能，实现数据的可视化，提高机械设计与制造的效率和质量。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；虚拟装配
        前言
        虚拟现实技术是指通过计算机创设虚拟环境，使用户在该环境中体验与真实环境相同的感受，具有实时性、交互性、沉浸性及感知性等特征。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 虚拟现实技术分析
        虚拟现实技术是计算机技术、电子信息技术及仿真技术整合的先进技术，逐渐发展为全新的科技领域，并已应用于多个行业领域，推动相关行业的信息化、智能化及现代化发展。在应用中，虚拟现实技术表现出如下特征：第一，实时性，虚拟现实技术可使用户在虚拟环境中获得实时体验，在机械设计与制造中，实时反馈机械产品的设计成果、制造成果，及时发现设计与制造的问题，进行设计与制造优化；第二，交互性，用户在虚拟环境中的操作均是基于虚拟现实技术的交互特征，通过手势或语言完成虚拟对象的操作；第三，沉浸性，虚拟现实技术创设的虚拟环境与真实环境高度相似，可使用户在不受影响的情况下，获得真实世界中同样的感受；第四，感知性，虚拟现实技术支持视觉、听觉等多种感知途径，可用于感知机械产品的使用效果，为功能完善和更新升级提供帮助[1]。基于虚拟现实技术的上述特征，可将其用于机械领域，为产品开发设计与制造提供技术支持，提高机械产品设计的可行性及制造的精度。和传统机械生产模式对比，在机械产品设计与制造中，往往在试样制作完成后，发现生产问题，生产效率和质量得不到保障，加大企业生产成本。而在虚拟现实技术应用基础上，制造企业可在生产前，创设虚拟生产环境，模拟机械产品的设计、生产及装配过程，优化产品设计、合理规划生产工艺、了解机械产品的各项性能，使制造企业的实际生产更为协调规范，保障机械产品质量，提高生产效率，创造更多利润[2]。
        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
        在机械设计与制造中，虚拟现实技术在设计领域的应用更为广泛，通过设计方案优化，为机械制造提供指导，保障机械产品的质量。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。

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目前虚拟机械设计在汽车和航空领域有较为广泛的应用，例如，德国大众研发了 Cave 系统，可全面呈现汽车结构，为设计优化提供虚拟环境；美国通用公司研发了虚拟现实软件，设计人员可在软件内进行虚拟汽车设计，在虚拟环境中呈现三维立体图像，设计人员也可在设计室内，通过虚拟现实技术，获得汽车使用体验，根据虚拟环境中汽车三维模型的改进细节与自身体验，进行调节与改进，优化机械产品设计。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。
        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 UG NX 10.0 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 CATIA V5-6R 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。同时，在 UG NX 10.0 环境下进行机械零件装配的仿真模拟，模拟其在虚拟环境中的运动，明确机械零件的运动轨迹，记录机械零件运动时的坐标，保障虚拟装配的准确性。
        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[3]。
        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]代明远，王明江，肖利伟，等.工程机械产品虚拟设计应用综述[J].机械设计，2020，37（03）：128-134