基于虛擬現實技術的機械設計問題探討

王江林

摘要在科技助推下，虛擬現實技術逐漸被運用到各領域中。本文以虛擬現實技術的簡介作為開端，介紹虛擬技術在機械設計上的應用。

關鍵詞虛擬現實技術；機械設計；問題探討

在全球經濟的迅猛發展下，各行業間的無形競爭變得越來越激烈。為延長產品壽命，提升產品競爭力，產品設計就成為了整個生產過程中最重要的環節。為了使企業在市場上立于不敗之地，企業必須將焦點投到產品設計方法的改進上。

機械產品設計方法存在種種問題，已是常見現象。傳統的產品設計需要兩個人，一個是繪圖者，一個理念設計者，在設計過程中，繪圖者需要結合理念設計者所給出的設計標準來建立產品模型。這種設計方式存在弊端，一旦設計者沒有CAD系統的操作經驗，那么在產品設計的過程中，由于理念設計者與繪圖者溝通不善，就會浪費掉很多時間，為解決這一難題，唯有設計者直接將CAD模型構造出。

1虛擬現實技術簡介

1.1虛擬現實技術

虛擬現實技術是多種技術的綜合體，它融合了計算機技術、交互技術。信息處理技術等，其發展于20世紀末，到如今已成為各領域的重點研究對象。

在計算機的發展過程中包含了計算機速度、信息處理容量、智能化、交互技術及信息輸入技術等。而交互硬件的發展是較為明顯的，從曾經的紙帶到鍵盤和鼠標，再到現在開始嶄露頭角的高級虛擬現實交互硬件。而指令控制也由匯編語言變為現在的程序設計語言，并朝語音控制方面發展。信息輸出方面的發展同樣不落后與交互硬件及指令控制。圖形界面替代了早期的文字界面，而現在全息影像、立體頭盔和虛擬影院逐漸進入人們的生活。這些技術的發展為虛擬現實技術的發展提供了便利。

到目前為止，虛擬現實技術一直沒有明確定義，但普遍認為虛擬現實技術是一種能讓人在幻境中難辨虛實的技術，人們可以通過各種溝通方式與虛幻之境的事物進行互動。虛擬現實技術的目的就是讓人處在一個可以與機器進行交流互動的幻境。

1.2硬件系統

在操作一些較為簡單的虛擬現實系統時只需要其擁有信息輸出輸入功能，依靠計算機桌面的交互信息系統即可，不需要特別的硬件設備。若要讓現實虛擬系統的交互性、沉浸性、想象性能充分展現出來就需要相對高級一點的設備做輔助，以達到提升系統性能的目的。

這些設備分為兩種類型，一個是包含空間控制球、運動跟蹤器等的信息輸入設備，一個是包含了立體顯示器、立體頭盔等的信息輸出設備。

1.3軟件系統

在虛擬現實系統中，虛擬場景和交互過程是必不可少的。讓這兩者的作用發揮，不僅需要依靠硬件系統，也需要依靠相關的軟件系統。很多軟件都可以建立虛擬場景，當前的所有3D軟件都可以完成建立虛擬環境的任務，其中比較規范專業的有3DSMAX、MDT、POSER等。由于科技的發展，這些軟件可以憑靠網絡建模技術相互通用交換。網絡建模技術是指由三角形的面組建而成的，其網格的密度是由形體的劃分決定的，形體分的越細，其密度就越大，逼真程度就越高，要想完成這種工作，就要降低儲存空間與計算的速度。在建立虛擬場景中，為達到加快渲染的目的，一般會采用細節層次技術來實現。為使渲染的速度加快，還需要對網格進行選擇，在形體離網格的觀測點較為遠時，就應當避免選用精細的網格，而當形體離觀測點很近時，應當避免選擇稀疏的網格，這樣才能增加它的細節和真實感。當建立的是較為復雜、自然的模型時，其模型描述需要依靠非均勻有理B樣條曲線來實現，它組成形體的特征曲線是建立在數學公式上的，由數學公式為代表將形體組成。

虛擬過程實現技術的軟件很多，其中最具有代表性的有WorldToolkit、Superscape等，而能在Pc到SGI系統運行，并總支持虛擬現實硬件設備的是WTK，它是根據c語言技術而開發的函數庫。而可以建立三維場景的是VRT，它是依靠Java Script技術來將成果從網絡發布出去的。

2虛擬現實系統體系構成

虛擬現實技術有兩大部分構成，一個是硬件系統，一個是軟件系統。而軟件系統又含有初步建造時所需的三維圖形應用系統軟件、三維建模、模擬系統、虛擬現實建模語言、語言識別系統等。

虛擬現實的硬件有高性能計算機、聲音系統等等，虛擬現實產生器實際上是一個高性能的計算機系統，其圖像是由虛擬世界數據庫來生成的。聲音系統含有聲音合成器、語音識別器等。聲音系統中的合成聲音信號使人在虛擬環境中辨不清虛實，其主要是將人所能觀察到的范圍結合其肢體所在位置，讓其感到真實感和沉浸感。為了使幻境更加的逼真，虛擬需要提供觸感條件，例如物質的凹凸面，并且結合幻境要求，提供相應的阻力，如風的阻力等，這些條件的實現，存在很大的難關。

3虛擬現實系統的種類與發展方向

現在所有的虛擬現實系統包括桌面虛擬現實系統、臨境虛擬現實系統和分布式虛擬現實系統三大類。桌面虛擬現實系統的組成沒有其他系統的繁雜，而且價格相對來說很貼民心，桌面虛擬現實系統的操作方式十分簡便，可以通過鼠標、系統交互來實現，是擁有高級輸送裝置3D計算機圖像的自然延伸；臨境虛擬現實系統通過將體驗者的各種感覺封閉起來，如視覺、聽覺，使體驗者在虛擬環境中辨不清真假來實現虛擬環境建立的目標。臨境虛擬現實系統是通過數據手套和頭部跟蹤來實現人機交互的。未來若想讓處于各地的用戶分享同一個虛擬幻境，就必須依靠臨境虛擬現實系統將處在各處的用戶聯系起來，這就是分布式虛擬現實系統，這也將是未來虛擬現實技術的一個發展的方向。

4探討虛擬現實技術在機械設計上的應用

4.1虛擬現實技術應用于機械設計的必要性

在我國的機械設計中，很大一部分是依靠設計者的經驗來完成的，而設計者會比較重視靜態分析而忽視動態特征。在機械的設計中，需要考慮的因素很多，例如，在農機設計上，設計者需要根據不同的農作物、地理位置、氣候來設計機器。設計者需要設計出反季節性的農業機械，這樣才能解決因各種問題而出現的罷工情況。使用傳統的設計模式來設計機械，不僅費力費時，且很大程度上會出現偏差。為了能使機械設計在設計過程中能動靜結合，引入虛擬現實技術是非常有必要的。

4.2發展和成果

白虛擬現實技術進入我國后，使得軍事、工程、醫學、文化教育獲得較大的發展。以農業為例，自虛擬現實技術被引入后，農業利用其自建幻境的功能，創建了虛擬動農場、虛擬溫室等，在農業上也小有成就。

虛擬現實技術為機械設計提供了大的便利，以農業機械為例，在以前，農業機械零件的二維圖和整機的三維圖需要依靠計算機來完成，使得設計過程十分麻煩。而近幾年由于虛擬現實技術的廣泛使用，如ADAMS軟件的使用，使得機械設計過程變得簡便了許多。這套仿真分析軟件，能對虛擬樣機進行測試，分析機械的運動學和動力性能。而實現對虛擬機械的測試，其過程又是比較簡單的，只要用使用像pro/E、uG等的建模軟件將模型建立好，再利用ADAMS對模型進行分析。

4.3虛擬產品概念設計

鄒慧君教授認為機械設計有4個步驟，這4個步驟分別是產品進行規劃，設計方案、詳細設計和改進設計。這4個步驟綜合起來也就是概念設計和構造設計。產品設計過程中前期的本質形狀既是概念設計，概念設計是機械設計中最重要的環節，其占產品總成本的六到七成。這關鍵的環節若是通過才采用CAD系統來完成，是非常困難的，在CAD系統的使用過程中，設計師主要是通過鍵盤和鼠標來實現交互目的。二維的界面因缺少三維的溝通設備，所以若將三維的造型環境放入二維界面處理時，就會出現直觀性缺乏的情況。

如將VR技術與CAD系統融合，則利用CAD系統完成理念設計就成為可能，當CAD的模型環境以vA作為基礎時，設計者就可以利用各種溝通手段，在3D空間內將立體模型快速的建立好。

4.4機械虛擬設計

虛擬設計是指設計者將虛擬機械設計出來，對所設計出的機械進行研究和分析等，以便修改機械的不足點，將產品完美化。由此可以得出結論，虛擬現實技術在機械設計中起到的一個重要作用就是對機械的完善。

虛擬設計系統包含虛擬環境生成器和外圍設備兩種。外圍設備包含了數據傳輸、信號控制裝置等。虛擬設計系統的主體便是虛擬環境生成器，它可以根據設計者的指示，憑借軟件功能和數據庫的支持，將指示結果生成，并且其結果是多維的、符合要求的。虛擬環境生成器是由計算機的軟件和硬件延伸出的開發工具結合其他設備組合而成的。它就像一個將各種數據囊括在內的、性能很高的圖形工作站。虛擬設計的優勢是通過虛擬交互技術來實現的，虛擬系統的交互技術主要是視、聽、觸3個方面，而實現這些功能主要依靠系統的輸入和輸出設備來完成，而這些設備主要有頭盔顯示器、三維聲音處理器、語言輸入等。虛擬設計所涉及的范圍很廣，是以一門結合多種學術、多門學科的技術。當前，存在兩種以虛擬現實為目的的工程設計方法，一種是利用CAD系統來完成，另一種是利用VR CAD系統來實現。

4.5機械虛擬制造

虛擬制造的本質就是將最后制造的結果通過計算機呈現出來。而這種結果的實現需要依靠計算機仿真技術和虛擬現實技術來完成。在計算機和網絡技術的配合下，將設計過程的工藝規劃、加工制造及性能分析等完成。由于側重點不同，因此虛擬制造出現了以虛擬設計為中心、以生產為中心、以控制為中心的3種流派。例如，減速器外科的設計，在其外科成型時，其金屬熱成型的動態仿真需要依靠數值模型和物理模型來完成，以便于設計者分析材料處于不同情況下的反應，如會不會對機械的性能和質量產生影響。軸、齒輪的過程仿真是通過虛擬加工來完成的，虛擬加工的應用方便設計者對機床刀具路徑和加工參數的選擇，便于設計者對設計結果的分析和評定、對機械的加工方法的分析等。虛擬制造技術應用于軸系部件的設計可以讓軸系部件在設計階段就能進行裝配和修改。而運用虛擬樣機代替減速器可以將產品的一次實驗成功率提高，為機器生產者省去大量的制造成本并使設計周期縮短，也使產品質量得到保證。

5結論

在科技的快速發展下，虛擬現實技術逐漸被普及。虛擬現實技術運用與機械設計上，使得機械設計的流程變得簡便，使得機械生產者的成本得到縮減，并縮短了機械的設計開發周期。