姜晓丽

摘要：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。

关键词：虚拟现实技术;机械设计制造;应用要点

引言

近年来，我国的科学技术水平尤其是计算机互联网相关技术发展迅速，在此背景下，基于计算机互联网技术而产生发展的虚拟现实技术日益影响到了人们的生产生活。作为一种新兴的高科技技术，虚拟现实技术在机械设计与制造中被广泛应用，有效推动了机械设计与制造产业的发展。当前，我国对虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用研究不足，使得虚拟现实技术在机械设计与制造中应用的优势和价值难以发挥。

1虚拟现实技术的特点

1.1实时性

虚拟现实技术的运用可以让产品和用户之间进行即时性、深入性的交互，对于提高用户的产品体验是极为重要的。而且生产商还能够在第一时间把用户的产品体验和反馈建议进行记录，并在短时间内对产品的不足之处进行调整、优化。除此之外，机械产品的设计结构也可以通过虚拟现实技术真实反映到计算机中并进行实时同步，这对于提升机械产品的性能是十分有利的。

1.2感知性

虚拟现实技术可以让人们用视觉、触觉、听觉等不同的感知途径来了解、体验机械产品的特点和功能，这种方式既可以为机械产品的设计人员带来更丰富的设计灵感，还可以帮助人们了解当前机械产品在功能上有待提升与完善的部份，对于机械产品后续的更新、升级意义重大。

1.3交互性

把虚拟现实技术融入到机械设计与制造环节中，可以让所有机械产品的体验者用自然、轻松的方式和虚拟世界里的事物进行即时的信息交互，也可以运用不同的手势或者语言下达命令操作虚拟对象。

1.4沉浸性

沉浸性是虚拟现实技术的重要特点之一，通俗地说就是观察者在面对虚拟世界情感时的一种真实反映，虚拟现实技术利用计算机构建出一个高度真实的虚拟环境，使用者的感知力（视、听、触、嗅等等）可以如同在真实世界中那样运用，并且不会受到任何影响。

2虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用

2.1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。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。

2.2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。

2.3虚拟现实技术在机械制造中应用

虚拟现实技术在机械制造中的应用主要有三种表现形式，分别为设计、控制与生产。在机械制造中，相关工作人员可以先行应用虚拟现实技术，模拟在机械制造中的产品设计情况，并以此作为依据对机械产品的制造工艺与技术等进行不断地调整与改进，使得机械制造技术工艺获得提升，提高机械制造的效率与质量水平。在机械制造过程中，则可以应用虚拟现实技术对整体制造过程流程进行模拟，从而更好地控制机械制造工作，对机械制造进行管理，更加细致地对机械制造过程进行监控。在机械制造生产中，虚拟现实技术则能够及时地发现产品问题，从而加以解决处理，提升机械产品品质性能。

2.4工程数据可视化

在传统机械设计中，设计人员通过有限元分析方法进行产品模型分析，分析过程较为复杂，分析结果体现的设计问题不够全面。在引进虚拟现实技术后，设计人员可将有限元分析置于虚拟环境中，完成机械产品的形体网格划分，以图形方式呈现有限元分析结果，实现工程分析数据可视化，可获取机械产品更为全面直观的参数数据，找出机械產品复杂结构中的隐蔽问题，进而优化设计。以汽车和飞机造型设计为例，在设计时需设计人员进行流体动力学计算，而数据计算会受有限元分析中的网格划分影响。在虚拟现实技术支持下，设计人员可针对汽车或飞机结构的不同区域，践行针对性网格划分，了解其速度、压力所在环境的涡流、剪切层及冲击波等参数，使设计方案更为合理。

2.5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UGNX10.0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CATIAV5-6R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UGNX10.0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。

2.6人机工程学评价

在传统机械设计中，人机分析及机械产品评价在样机模型制作和试制产品中完成。在虚拟现实技术支持下，可在产品设计环节进行人机工程学评价，设计人员可在虚拟环境中创设虚拟的操作者和虚拟的机械产品，由虚拟的操作者进行虚拟机械产品的使用，了解机械产品制造的性能、功能等状况，获取全面的人机工程学参数，为设计优化提供数据参考。例如，在汽车设计中，设计人员可通过虚拟现实技术进行汽车驾驶室内操作性能的分析，了解设计中方向盘距离、车身高度及车门进出效果等参数性能。

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：

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（作者单位：南通泰胜蓝岛海洋工程有限公司）