虚拟现实技术在制造业中的应用及现状—刘云博士

2021-07-06

摘要:随着我国制造产业转型升级步伐加快,不同重工业、轻工产品对设计的要求越来越高,如做到最低制造成本、完成最优良结构、最好工作性能等。在这一设计发展要求下,通过引入CAD、CAE技术和VR 空间交互技术等,完成对产品结构的设计、优化,做到对生产加工等整体流程的预测,以及最终对虚拟产品空间上的三维展示,从而提高产品的核心竞争力。

关键词:制造业升级  虚拟现实  核心竞争力

1虚拟现实技术的概念

虚拟现实(VR)技术是一种多领域的科学技术,将人机交互、计算机图形学理论、计算机技术等相结合,创造虚拟世界,达到实时的效果。VR 技术以人机互动理论为基础,人们可以直接观察周围世界和物体,自然交互虚拟世界的对象。

2虚拟现实技术的技术特点

VR 技术具有交互性、沉浸感、多感知性、构想性。

1)交互性。在仿真环境中,对于物体用户得到回应程度、可掌控程度,就是交互性。通过必要的操控,虚拟环境的用户可以获得与真实环境一样的反应,利用多维化信息、各类传感器交互作用。

2)沉浸感。也称为临场感,利用计算机构造逼真的虚幻世界。使用者在三维虚拟世界中,视觉和听觉与真实的一样。

3)多感知性。在虚拟环境中,不仅有一般的视觉感知性,并且有听觉、触觉,甚至嗅觉、味觉的冲击。

4)构想性。相比过去,虚拟现实技术涉及的领域和手段更多,设想空间更为宽广,不仅仅是真实环境的还原,也有创新设想的环境,甚至是现有技术无法达到的环境。

3虚拟现实技术在制造业中发展现状

3.1国外发展现状

一直以来,随着全球制造业市场竞争越来越激烈,许多国家的企业为了快速抢占市场,不断围绕着如何提高产品质量、提高生产效率和控制生产成本而努力,在 20 世纪 90 年代,随着一种全新的制造模式与概念的提出——虚拟制造,通过不断发展,成为了现代制造技术中的重要发展技术。在国外许多工业较为发达的国家,虚拟制造技术已经被广泛应用在各个领域,包括交通、物流、生产制造等。例如,波音777的设计、装配、测试等制造环节都建立在虚拟制造技术上完成的,并在虚拟制造技术的支持下,将原定的8年开发周期缩短到了5年,提高了生产效率。另外,虚拟制造技术也对世界制造业的未来发展具有较为深远的影响。

3.2国内发展现状

一直以来,虚拟现实技术在我国各个领域中的应用都不高,但随着我国频频颁布相关支持政策,并将虚拟现实技术列为未来发展的重点任务之一,体现了我国对虚拟现实技术发展的重视。虚拟现实技术是虚拟制造技术的基础,但目前,虚拟制造技术在我国企业应用中依旧欠缺,相比发达国家而言,我国企业缺乏对虚拟制造技术的应用,生产效率相对低下,企业利润也相对较低,源于我国对虚拟制造技术的研究力度、宣传力度不高。因此,政府部门应带头发挥组织工作,组织相关企业进行虚拟制造技术的研究和创新,加强与国外企业技术方面的交流与合作。企业应根据自身发展需求,不断提高企业生产技术,保证产品质量和生产效率,从而提高企业竞争力[1]。

4虚拟现实技术在制造业中的应用

4.1在服装设计上的应用

随着经济全球化与消费个性化的转变,服装行业开始向智能制造发展。虚拟现实技术成本低、效率高,在服装行业中发挥着重要作用。三维虚拟服装的设计与展示追求真实性与交互性,为使用者带来真实的观感及便利的修改方案,拓宽了设计师的想象空间[2]。

在印花这一工艺中,通过手工来完成印染图案的设计和制作,难以满足人们的需求。而在虚拟现实技术的辅助下,以传统印染技术结合现代印花技术,生成更加符合人们审美需求的设计作品,在保障设计和制作质量的情况下,最大限度地提升生产和设计的效率,并且能保证个性化设计,保障服装印染行业的健康运行[3]。

4.2在机械设计上的应用

数字化虚拟设计与验证是机械产业发展的趋势,在产品设计开发过程中,集成数字化设计和虚拟开发技术即可实现设计方案优化、性能仿真、验证和评价的全过程,省去实物样机制作和试验验证,做到零试制。与传统制造相比,节约人力成本的同时也降低了设计过程中对人工操作能力的依赖性,极大地减少材料浪费,真正实现柔性化、个性化设计[4]。

机械设计虚拟仿真系统包括计算机设备、头戴式或穿戴式传感设备、CAVE 投影设备等硬件结构,分为基础层、交互层、数据层等层级。在虚拟现实环境中,根据机械产品结构设计的数据信息,由手持控制器、混合动捕服务器等硬件,在用户、计算机工作站之间,建立起与虚拟装配环境的直接对话窗口,进行多元机械结构数据信息的有效处理。关于软件组成部分则针对各类机械产品零部件的自动拆装、重组,引入不同的系统开发工具,可以满足多人机械产品交互装配、零部件虚拟检测等的要求[5]。

产品通过Solid Works、3DMAX、PROE等应用较为广泛的第三方工具进行建模分析,然后将其以虚拟现实文件的格式导出。在这一过程中,建模的对象以机械的主体结构和各零部件为主,主要展示不同零部件之间的交互关系,促使零部件和主体之间相辅相成。当建模结束之后,便可以通过软件进行虚拟装配,将主体结构和各个零部件结合起来。在这一过程中,可以直接检查零部件是否能够满足生产需求和操作需求,这种虚拟装配借助上述第三方软件便可以完成。装配结束之后,需要通过ADAMS等力学软件进行设备的动力学以及运动学仿真分析,也需要利用ANSYS等软件对虚拟设备进行有限元分析。这些分析能够进一步提升虚拟设备的仿真质量,并且使其满足实际的生产和操作要求。在相关力学性能满足了实际的生产需求之后,还需要通过软件检测系统结构的相关功能。

根据检验结果进行优化之后,便可以将虚拟模型导出,传输至虚拟现实浏览器内,可以通过软件以及硬件的配合落实人机调控,通过头盔能够直接观看机械的设计形态,通过电子手套可以进行功能检测。若设备允许,可以直接与客户进行沟通,通过互联网和软件可以直接查看设备的设计情况以及相关功能,这也是建立在虚拟现实系统基础上提升机械设计效率的主要优势。通过互联网多方主体便可以快速地获悉设备设计的情况,并且进行功能检测;通过信息反馈,能够为机械的优化提供依据(图1)。当所有的性能检测合格之后,还可以直接通过互联网将文件传输至生产厂商,直接进行生产制造[6]。image.png

图1 虚拟制造设计中的技术路线


5结束语

综上所述,随着当前信息技术的不断优化和调整,虚拟现实技术已经成为了社会生产生活质量提升的主要依据。虚拟现实技术、互联网和信息技术于一体,建立在浏览器、软件、硬件设备的基础上打造了跨空间的三维技术体系,在当前的产品设计环节中有着极强的应用价值[6]。通过技术体系的优化能够及时检测产品设计环节中存在的误区,并且落实针对性调整,对于强化产品设计的合理性有着一定的促进作用,同时也能够极大地节约时间和优化成本;对于相关企业而言,是提高生产效益的重要举措;而针对制造设计领域的未来发展而言,能够描绘一幅自动化、智能化、高效化的发展蓝图。