虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用初探

虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用初探

张 肃

(美的研究院 广东 佛山 528000)

摘要】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 【 虚拟现实技术在机械设计与制造领域的应用,

化,提高机械设计与制造的效率和质量。基于此,本文针对虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应用进行探析,以供参考。

【关键词】机械设计;应用 虚拟现实技术;

()中图分类号】文献标识码】A 【文章编号】X701 【1003-9619201935-0227-01 【

使用户在该环 虚拟现实技术是指通过计算机创设虚拟环境,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 虚拟现实技术概述虚拟现实技术产生于2这一技术的产生与发0世纪60年代,展基础是计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、多媒体信息处理技术、信息传感技术等多种技术的创新发展,其本质是一种依靠计算机网络与信息传感处理而进行运算的交叉性虚拟技术。虚拟现实技术不仅仅可以使体验用户在近乎于真实的环境中感受事物,还可以应用在多种行业领域中,帮助行业领域发展进步。例如,虚拟现实技术能够实现对产品的制造过程中的事物仿真,并借助计算机技术对产品的概念设计、工艺技术等生产

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制造过程进行管理、控制和优化1。虚拟现实技术有着诸多的特点和优势,具体而言,虚拟现实技术有着以下特点特征:①实时性。虚拟现实技术能够根据用户的交流互动,实时对用户的使用感受进行记录,并在此基础上对用户所提出的建议进行分析,对产品概念设计与生产制造过程进行优化与改进。虚拟现实技术能够直观且直接地将用户建议进行反馈改进,显著提高产品的应用性能。②感知性。虚拟现实技术能够让用户通过视觉、触觉、听觉等感知方式对机械产品的功能进行感受和使用,不仅为机械产品设计人员提供更多的产品设计思路,也为用户感受机械产品功能提供了更为丰富的方式手段。③交互性。虚拟现实技术的一大优势就是用户可以通过多种方式与虚拟世界环境中的事物对象进行交流或者互动,这就帮助相关机械产品制造与设计人员能够通过用户与产品的交互,对产品进行优化和改进。2 虚拟现实技术在机械设计与制造中的应用分析

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。

虚拟现实技术的应用以建2.1 虚拟设计 在机械设计中,

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C专AD系统与VR环境的融合、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C后者则直接在虚拟AD软件进行设计及优化改进;

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

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设计2。

机械零件的装配由仿2.2 虚拟装配 在传统机械制造中,

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2产品研发周期分别缩短10%及18%,2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。

人机分析及机2.3 人机工程学评价 在传统机械设计中,

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

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门进出效果等参数性能。

设计人员通过2.4 工程数据可视化 在传统机械设计中,

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,找出机械产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。

3 结语综上所述,在当今虚拟现实技术不断发展进步的背景与趋势下,社会中各行各业都已普及应用虚拟现实技术。在机械设计与制造中,虚拟现实技术的应用有着诸多的优势与价值,对其进行分析研究希望能够帮助机械设计与制造产业进一步发展。

参

考

文

献

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[浅谈虚拟现实技术及其在机械设计与制造中的应3] 朱和鲲.

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