虚拟现实环境下的产品设计和制造技术
在桌面虚拟环境中,人机交互的操纵器主要是普通鼠标、6自由度鼠标、数据手套、操纵杆。数据服、大型投影球幕等使用于更完善的虚拟现实系统中。
虚拟现实系统的软硬件价格是较高的。为此,根据不同的用途和需要,可配置不同的系统,适当的沉浸深度的虚拟环境才不会使系统过于复杂及成本、维护的负担过重。例如,用于汽车外形造型设计的系统,重点在显示高质量的立体图象,而听觉和触觉的要求很低,用普通鼠标进行操纵即可,实时性也要求不高。再如,零件装配模拟中,除了图象外,可操纵性要求较高,可配备6自由度鼠标和数据手套等。在车辆、飞机模拟训练等虚拟现实系统中,要求有宽阔的视野、实时的操纵系统、逼真的声响效果。不仅要快速响应人们的操纵信号,还要实现人们对力、位移等的触觉反馈的仿真。
2、虚拟现实系统的应用
虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐与漫游等方面获得成功的应用。例如:用于宇航员、飞
行员训练的座舱系统、战场实时演练系统(虚拟战场)等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用,可大大提高产品的技术水平,例如:波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和建筑物的漫游等。目前应用效果最好是下面几个方面:
(1)产品的外形设计
例如:汽车外形造型设计是汽车的一个极为重要的方面,以前多采用泡沫塑料制作外形模型,要通过多次的评测和修改,费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计,可随时修改、评测,方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工,甚至用于广告和宣传。在其它产品(如:飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等)外形设计中,均有极大的优势。
(2)产品的布局设计
在复杂产品的布局设计中,通过虚拟现实技术可以直观地进行设计,避免可能出现的干涉和其它不合理问题。例如,工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等,都需要该技术的支持。在复杂的管道系统、液压集流块设计中,设计者可以“进入”其中进行管道布置,检查可能的干涉等错误。在汽车、飞机的内部设计中,“直观”是最有效的工具,虚拟现实技术可发挥不可替代的积极的作用。
(3)机械产品的运动仿真
在产品设计阶段中必须解决运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。
(4)产品装配仿真
机械产品中有成千上万的零件要装配再一起,其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误,往往要到产品最后装配时才能发现,造成零件的报废和工期的延误,不能及时交货造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证,保证设计的正确。
(5)产品加工过程仿真
产品加工是个复杂的过程。产品设计的合理性、可加工性、加工方法和机床的选用、加工过程中可能出现的加工缺陷等,有时在设计时是不容易发现和确定的,必须经过仿真和分析。例如,冲压件的形状或冲压模具设计不合理,可能造成冲压件的翘曲和破裂,造成废品。铸造件的形状或模具、浇口设计不合理,容易产生铸造缺陷,甚至报废。机加工件的结构设计不合理,可能产生无法加工、或者加工精度无法保证、或者必须采用特种加工,增加了加工成本和加工周期。通过仿真,可以预先发现问题,采取修改设计或其他措施,保证工期和产品质量。
(6)虚拟样机与产品工作性能评测
设计、重新制造等一系列的反复试制过程,许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中,甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后,通过试运转才能判定。这时,多数问题是无法更改的,修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求,试制周期长,费用高。而采用虚拟制造技术,可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真,解决大多数问题,提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术,可以方便、直观地进行工作性能检查。例如,美国的JohnDeere公司,采用该技术,对新产品反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真,结果否定了其中的两个方案,节约了大量的研制经费。如图1所示是利用dVISE制作的虚拟装载机模型。
(7)产品广告与漫游
用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果,不仅可显示产品的外形,还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等,尤其是利用网络进行的产品介绍,广告效果很好。例如,在internet网络上某复印机的产品介绍和用户使用说明,可在网上进行操作:复