虛擬現(xiàn)實(shí)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用

張先鋒

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也在不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。制造企業(yè)要提高市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，必須要加強(qiáng)技術(shù)改造和創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為電子信息化創(chuàng)新的產(chǎn)物，也逐漸地被應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域，促進(jìn)了該領(lǐng)域的更好更快發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；機(jī)械制造；應(yīng)用要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：X701；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

基于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)衍生出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以逼真的模擬人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等感知行為。并且隨著虛擬技術(shù)的越發(fā)成熟，被廣泛應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。尤其是機(jī)械安全領(lǐng)域，應(yīng)用虛擬技術(shù)，可以對(duì)安全事故進(jìn)行逼真的模擬，有利于工作人員尋找事故發(fā)生原因，進(jìn)而提高機(jī)械的安全性。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)擁有廣泛的通用性

虛擬現(xiàn)實(shí)慢慢趨于普遍，各個(gè)企業(yè)都開(kāi)始利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。虛擬技術(shù)是通過(guò)力學(xué)的研究發(fā)展起來(lái)的，這就使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就更加容易建立模型。每個(gè)構(gòu)件都有6個(gè)自由度，這是虛擬現(xiàn)實(shí)的根本。這就使得大部分的設(shè)計(jì)建模都能夠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，沒(méi)有什么限制，所有企業(yè)都能通過(guò)虛擬技術(shù)進(jìn)行建模。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)計(jì)更加便捷

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)都是通過(guò)紙質(zhì)的畫(huà)設(shè)計(jì)圖，通過(guò)設(shè)計(jì)者利用大量復(fù)雜的公式，圖形進(jìn)行計(jì)算，從而推算出各個(gè)零部件的尺寸，設(shè)計(jì)枯燥繁瑣，還更加容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。最關(guān)鍵的是，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源建立最初的設(shè)計(jì)模型以后，才能判斷設(shè)計(jì)是否合理標(biāo)準(zhǔn)。而且一些產(chǎn)品的材料，契合程度都無(wú)法從最初的設(shè)計(jì)中得到結(jié)論。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，還需要再重新進(jìn)行計(jì)算核對(duì)。這樣又浪費(fèi)了大量的時(shí)間，使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加繁瑣，并且耗費(fèi)了企業(yè)的資源，使得企業(yè)在最佳的時(shí)間錯(cuò)過(guò)了生產(chǎn)，讓企業(yè)失去了核心競(jìng)爭(zhēng)力。然而，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們就可以直接通過(guò)電腦，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的推算，準(zhǔn)確度大大的提升。這樣的方式也減輕了設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)，提升了其工作效率。并且在設(shè)計(jì)中，能夠建立立體的模型，節(jié)約了企業(yè)的成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使設(shè)計(jì)者通過(guò)構(gòu)件材料，外觀，摩擦，契合程度更好的審視自己的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)錯(cuò)誤能夠馬上修改。這樣為企業(yè)節(jié)約出了大量的生產(chǎn)時(shí)間。產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)，便可以搶先一步搶奪市場(chǎng)資源，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3虛擬技術(shù)可以更好地進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的處理與分析

在得到許多重要的數(shù)據(jù)以后，虛擬技術(shù)可以將這些數(shù)據(jù)做成圖形或者動(dòng)畫(huà)，通過(guò)比對(duì)，這些數(shù)據(jù)就會(huì)比我們傳統(tǒng)的將數(shù)據(jù)排列一起更加直觀，更加生動(dòng)。而且利用互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大資源，我們甚至可以比對(duì)近十年的數(shù)據(jù)。直觀的數(shù)據(jù)比對(duì)讓我們能夠更好的認(rèn)識(shí)自己企業(yè)的許多方面，從而企業(yè)可以清楚的認(rèn)識(shí)自己的劣勢(shì)，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2虛擬現(xiàn)實(shí)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1虛擬制造技術(shù)中的建模技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械工程、制造工程的流程反應(yīng)出來(lái)，將現(xiàn)實(shí)中的制造過(guò)程數(shù)字化，信息化，規(guī)?；陀?jì)算機(jī)化。虛擬制造技術(shù)的建設(shè)過(guò)程涉及到三種模型的建立。第一種模型是生產(chǎn)模型。而生產(chǎn)模型主要分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩種類(lèi)型。靜態(tài)模型是指生產(chǎn)模型的性能和功能，動(dòng)態(tài)模型是指產(chǎn)品所表現(xiàn)出來(lái)的生命周期和主要用途。第二就是產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型主要考究的是虛擬制造技術(shù)所產(chǎn)生的模型的外觀。第三種模型就是工藝模型。這種模型是要在用虛擬制造技術(shù)建設(shè)模型的過(guò)程當(dāng)中，聯(lián)系各種工藝數(shù)據(jù)，最后將現(xiàn)實(shí)中的制造過(guò)程映射出來(lái)。

2.2虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)

虛擬制造技術(shù)的仿真技術(shù)，就是說(shuō)用虛擬制造技術(shù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的疊加，將現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化和模型化，最終展示出來(lái)。在仿真技術(shù)的支持下，就可以通過(guò)對(duì)所產(chǎn)生的模型進(jìn)行各種分析，最后研究出現(xiàn)實(shí)當(dāng)中如果建立這種模型是否真實(shí)有用。仿真技術(shù)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)是兩種完全分離，并且獨(dú)立的生產(chǎn)過(guò)程。但是虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際模型的建立有著指導(dǎo)作用，而且仿真技術(shù)在建設(shè)模型的過(guò)程當(dāng)中可以極大限度的利用高效的計(jì)算機(jī)技術(shù)，節(jié)約了大量的時(shí)間和資源，并且可以建設(shè)出比較完善的模型。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬設(shè)計(jì)指的是設(shè)計(jì)人員通過(guò)設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行分析、研究、檢查，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加完善。通常虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括虛擬環(huán)境生成器和外圍設(shè)備兩部分組成，虛擬環(huán)境生成器是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主體，包括計(jì)算機(jī)基本軟硬件、軟件開(kāi)發(fā)工具和其他設(shè)備，相當(dāng)于一個(gè)包括各種數(shù)據(jù)庫(kù)的高性能圖形工作站，可根據(jù)用戶需求在工具軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，設(shè)計(jì)出所需的、多維的、適人化的情景和實(shí)例。虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)交互技術(shù)主要集中在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)三方面，主要通過(guò)這三個(gè)方面的輸入和輸出設(shè)備來(lái)完成。目前主要應(yīng)用兩種虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)方法。一個(gè)通過(guò)現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生模型將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持的格式，再將模型輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，從而完成虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另一個(gè)是通過(guò)VR—CAD系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入CAD虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，這種方式不僅保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境的穩(wěn)定性，又保證產(chǎn)品在虛擬技術(shù)的支持下高精度、高效率地完成。比如通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以檢查運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)的協(xié)調(diào)關(guān)系，可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉，對(duì)軸、齒輪等零件的強(qiáng)度、剛度、耐磨和耐沖擊性能進(jìn)行檢測(cè)，確保協(xié)調(diào)、可靠的工作性能?？梢哉f(shuō)，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中加入虛擬技術(shù)，有效保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，減少了資金和材料的消耗，為企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)提供有效保障。

2.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械安全領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在機(jī)械安全設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬技術(shù)。將虛擬技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械的安全設(shè)計(jì)中去，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械各種參數(shù)的整合，從而進(jìn)行模擬，并將這些信息體現(xiàn)的更具有直觀性與立體性。從而提供參考給機(jī)械的改造升級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。使相關(guān)的人員可以及時(shí)的對(duì)機(jī)械素偶存在的危險(xiǎn)進(jìn)行了解，并制定相應(yīng)的解決措施，提升機(jī)械的安全性。當(dāng)前階段利用虛擬技術(shù)進(jìn)行機(jī)械安全的模擬，具有數(shù)據(jù)修改方便的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員輸入外部數(shù)據(jù)后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行生成模擬，設(shè)計(jì)人員便可在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計(jì)、裝配等，對(duì)其中存在的缺點(diǎn)和危險(xiǎn)可以更加直觀的感受到，并進(jìn)行及時(shí)的干政，從而有效避免機(jī)械發(fā)生安全事故。

（2）在機(jī)械安全教學(xué)中應(yīng)用虛擬技術(shù)。隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中教育建設(shè)的開(kāi)展，高校逐漸由之中時(shí)理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。眾多高校在校園內(nèi)建設(shè)實(shí)訓(xùn)基地與實(shí)驗(yàn)室，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)課程。機(jī)械設(shè)備種類(lèi)眾多，因此高校在建設(shè)實(shí)驗(yàn)室時(shí)往往面臨資金不足的困境，進(jìn)而阻礙了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的更好開(kāi)展。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)及廣泛應(yīng)用為高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的教學(xué)方式。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作中，體現(xiàn)了較高的應(yīng)用價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，不僅能有效減輕人力勞動(dòng)，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益，還能切實(shí)增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟和完善，必將促進(jìn)機(jī)械自動(dòng)化進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，推進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、加快發(fā)展。

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