在工业领域，虚拟现实技术多用于产品论证、设计、装配、人机工效和性能评价等。虚拟现实技术是工业4.0的核心技术之一，是数字化工业制造技术和生产流水线的重要应用环节，针对工业产品，利用该技术可优化产品设计，通过虚拟装配避免或减少物理模型的制作，缩短开发周期，降低成本；同时通过建设数字工厂，直观地展示工厂、生产线、产品虚拟样品以及整个生产过程，为员工培训、实际生产制造和方案评估带来便捷，在企业科学决策、优化产品性能、提高产品质量、降低生产成本、提升品牌影响力和赢得市场先机方面具有重要的应用价值。

（一）虚拟设计

虚拟设计指的是以虚拟现实作为基础，把机械产品作为设计的手段，通过这样的方式，利用多种传感器使设计人员和多维信息环境进行交互影响，从定量和定性两个方面对复杂的环境进行理性和感性的认识，从而有助于创新和深化概念。

虚拟设计主要体现在产品的外形设计和产品的布局设计上。例如，在传统的工业设计中，一般情况下开发或设计一个产品需要经过图纸设计、外形铸模、多次的评测修改等众多步骤，并且还会花费大量的时间与资金，而采用虚拟现实技术进行产品设计，则不需要实体建模，简化了很多工序，还可以根据CAD和CAM程序所收集的有关设计的数据库进行仿真，验证其形状是否符合空气动力学原理、运动过程的阻力、其内部结构布局的合理性等，极大地缩短了制造周期。例如，虚拟设计的著名案例——波音 777飞机虚拟设计，在原有Boing-CAD的基础上建立了一个由数百台工作站组成的产品设计虚拟环境，300万个零件的设计及整体设计都在这个虚拟环境中运行。设计师戴上头盔显示器后，能进入虚拟“飞机”中，审视其各项设计，最终实现机翼和机身结合的一次成功，缩短数千小时的设计工作量，如图1所示。

图1 波音777飞机虚拟原型

采用虚拟现实系统不仅可以进行全尺寸的产品设计，还可以进行虚拟工厂和虚拟生产线的设计，VR-Layout是江衡信息科技有限公司自主开发的虚拟工厂布局与仿真平台，提供三维虚拟环境中实现车间布局可视化仿真以及漫游功能。VR-Layout可以取代传统的二维布局软件，在实际生产线建设之前，对布局方案进行评估、修改，提高布局规划的效率，避免出现不合理的问题，主要功能特点如下所述。

· 实时三维布局功能：VR-Layout能够方便地在三维环境中进行模型的移动、旋转、缩放等操作，实时对当前的布局进行修改和可视化。

· 物流路径规划功能：VR-Layout允许让用户进行三维标识、三维路径规划与显示，在生产线布局时能够作为物流路径的显示。

· 大规模数据实时处理能力：飞机及其加工工装数模通常包含大量曲面数据，这类产品生产线仿真要求能够对大规模数据进行实时处理。VR-Layout具有强大的3D图形处理能力，支持超大量三维模型数据（1000万面片以上）的实时渲染，并支持光照、阴影等特效，能够在三维环境下对真实场景进行仿真。

· 三维CAD软件接口：VR-Layout支持大部分主流CAD软件（CATIA、ProE、UG、SolidWorks等）以及三维设计软件（如 3D Max、Maya等）以及三维模型导入，将多种格式的模型放在同一环境中显示。

· 三维立体显示：VR-Layout能够实现主动立体、被动立体、红蓝立体等多种立体显示方式，支持几乎所有的立体显示器、3D电视以及3D投影仪，让用户获得更真实的视觉效果，如图2所示。

图2 VR-Layout虚拟工厂场景

（二）虚拟装配

装配是产品设计制造过程中的重要环节，虚拟装配应用计算机仿真技术，基于产品的数字化实体模型，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用、加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、运行物件的运动性等进行建模仿真，分析与验证产品的装配性能及工艺过程，从而提前发现加工缺陷和装配时出现的问题，优化制造过程、提高加工效率。

虚拟装配模型是分析装配问题的基础，因此，在虚拟装配中，面向装配过程、支持虚拟装配中各种需要的产品装配模型十分重要，模型的特点和优劣在很大程度上决定了系统所能实现的功能。

虚拟装配仿真平台JHDMVA是江衡信息科技有限公司完全自主产权的软件，JHDMVA为各类复杂机电产品的设计和制造提供产品可装配性验证、装配工艺规划和分析、装配操作培训与指导、装配过程演示等完整解决方案。该方案为产品设计过程的装配校验、产品制造过程的装配工艺验证、装配操作培训提供虚拟装配仿真服务。其功能特点如下所述。

· 操作过程仿真：对生产线操作过程进行仿真，将生产过程中的各种要素，包括工件、机器、工装、夹具等在三维虚拟环境中进行建模，并对操作过程中各个要素的动作、状态进行仿真。

· 交互式装配仿真：为用户提供虚拟环境下的交互装配操作，用户能够使用鼠标、键盘、数据手套等交互工具进行交互式的抓取、移动、装配、释放等功能，实现产品的装配与拆卸，能够验证装配过程，并生成作业指导书。

· 支持常用CAD软件接口：JHDMVA提供了常用CAD软件的接口，如UG、CATIA、Pro/E等，用户能够将这些CAD软件中的模型通过接口导入DMSP软件进行虚拟装配，并支持纹理、材质等，达到更好的效果。

· 路径序列规划：JHDMVA支持自定义装配序列，用户能够通过设置关键帧以及虚拟环境中三维模型的位置，形成装配路径及装配序列，生成装配动画及作业指导书。

· 碰撞检测功能：JHDMVA集成了快速碰撞检测模块，能够在装配过程中实现实时的碰撞检测，具备几何模型适应能力强、自行构造和管理碰撞检测计算场景、计算速度快等特点，并能够自定义计算精度，适合进行大规模场景实时碰撞检测。

· 虚拟人模块：JHDMVA集成了通用的虚拟人开发软件包，可按照身高、臂展或用户自定义参数构造虚拟人，并能够对虚拟人动作进行编辑与驱动。软件支持使用VICON、NDI等位置跟踪器驱动虚拟人模型。

· 三维标注：JHDMVA支持在三维环境中对零件的尺寸、间隙等进行标注，能够自动计算点—点、点—线、点—面、点—体，体—体等之间的距离，并进行自动标注。

图3是JHDMVA虚拟装配仿真效果。

图3 JHDMVA虚拟装配仿真效果

（三）虚拟维修

虚拟维修是虚拟技术近年来的一个重要研究方向，目的是通过采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上真实展现装备的维修过程，增强装备寿命周期，提高各阶段关于维修的各种决策能力，包括维修性设计分析、维修性演示验证、维修过程核查、维修训练实施等，如图4所示。

虚拟维修特别适用于煤矿、核电站、化工等对安全性要求较高的场所，并可应用于工业培训，设备快速抢修之前，进行维修预演和仿真。虚拟维修技术可以通过仿真操作过程，统计维修作业的时间、维修工种的配置、维修工具的选择、设备部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修费用，突破了设备维修在空间和时间上的限制。此外，录制的三维环境中的维修过程动画过程，也可以作为维修培训的图形化教程。

图4 虚拟维修

VR在设备维修方面最为典型的应用当属美国哈勃望远镜（HST）的虚拟维修系统。1990年4月，哈勃望远镜进入轨道不久，天文学家发现它的光学系统存在缺陷，因此NASA为执行任务的宇航员建立了虚拟的太空环境（哈勃望远镜（HST）的虚拟维修系统，如图5所示），从中完成各种模拟维修活动。经训练后，HST的维修任务于1993年12月成功完成。这是第一次大规模应用虚拟维修技术完成实际任务，并取得了成功。

图5 哈勃望远镜（HST）的虚拟维修系统

下面介绍一个沉浸式维修验证系统的案例，如图6所示，该系统主要由维修任务/场景服务器、沉浸式维修模拟终端、建模管理终端、监控指挥终端、维修分析终端、控制/观摩终端等几部分组成，各部分主要功能如下所述。

· 维修任务/场景服务器：由任务/场景监控服务器、文件/数据库服务器和相应的管理服务程序组成。作用是管理模型库/场景库/任务库数据、监控维修任务及场景的运行状态、管理用户权限、管理用户维修记录、执行必要的客户端之间的协调处理等。

· 沉浸式维修模拟终端：由捕捉处理和头盔图像渲染两部分组成，前者由光学捕捉设备、数据衣（或光学标识设备）、数据手套、捕捉处理计算机组成，后者由数据头盔、头盔图形渲染计算机组成。其中，捕捉处理计算机的作用是实时捕捉人体各个部位的方位，转换为人体姿态数据。头盔图形渲染计算机的作用是接收捕捉得到的三维人体姿态数据、结合维修场景的数据，进行三维图形生成（左右眼的图形），并输出给数据头盔。

图6 沉浸式维修验证系统

· 监视/指挥终端：主要由投影图形渲染计算机、大屏幕立体投影系统及相应的软件组成。作用是接收捕捉得到的三维人体姿态数据、结合维修场景的数据，进行三维立体图形生成，并输出给双通道的立体投影系统，供领导和专家对于维修模拟过程进行检查、评估和指挥。其中立体投影系统由立体投影仪、投影大屏幕、立体眼睛等组成。

· 建模管理客户端：主要由建模管理计算机、建模管理程序和模型转换程序组成。作用是接收来自CAD/PDM软件的产品三维数字模型和产品结构数据。

· 通过模型转换处理：生成模型库数据并存储到服务器。同时，通过选择模型和定义约束，生成维修场景库数据并存储到服务器。通过选择场景和预设维修过程，生成维修任务库数据并存储到服务器。

· 维修分析终端：主要是维修分析计算机和维修分析软件。本部分的作用是记录虚拟维修过程、维修障碍分析、维修时间分析、维修空间分析等。

· 控制/观摩终端：由图形渲染计算机及相应软件组成。本部分的作用是控制维修模拟任务的开始/结束/暂停，控制参与模拟和观摩的人员，帮助参与模拟人员的定位，协调有关人员行为，并且提供对于维修场景的实时显示和图形角度变换。本部分可以分为两种运行模式：控制和观摩，前者既能够控制又可实时观看场景；后者只能观看，不能控制场景。

系统主要功能如下所述。

· 维修任务、场景建立和管理：利用数据接口从产品数据管理系统（PDM）和维修性设计/分析软件中获取产品的数字模型和维修规划数据，构建三维产品模型库、维修场景库和维修任务库。

· 维修过程模拟和验证：在维修任务场景中，操作人员借助虚拟现实设备，在数字化的三维场景中按照装备维护维修的顺序进行各种模拟操作，并亲身体验维护操作过程。针对既定的维修任务，初步验证其维修规划的合理性，为改进方案和编制维修规程提供依据。

· 维修可见性、可达性、维修障碍以及维修空间的分析：在虚拟的维护维修场景内，操作者可随意改变头部姿态来考察可见性；操作者通过肢体的运动来考察可达性；通过对人体与三维场景内的装备和设施的几何干涉检查来分析维修障碍；通过计算肢体与装备之间、工具与装备之间的空间距离来分析维修空间是否足够。

· 综合的维修性初步评估：记录维修模拟过程中的各种关键信息，包括时间、路线、异常情况频度等，对该维修规划的合理性、效率等方面进行初步的综合评估。通过操作者在模拟过程中的亲身体验，如工作的姿态、负荷、相互配合等，初步评估维修人员的感受。

· 维修训练素材的产生：将三维数字化环境下的维修模拟过程记录下来，形成可以交互式播放的三维动画，可以嵌入到装备的维护维修训练手册中，提高装备维修训练的直观性，并降低训练费用。