虛擬現(xiàn)實技術在新產(chǎn)品設計中的運用

1、虛擬現(xiàn)實技術在新產(chǎn)品設計中的運用虛擬現(xiàn)實技術在新產(chǎn)品設計中的運用引言伴隨著科學的不斷發(fā)展，人類禮會進入了嶄新的世紀。各種新技術層出不窮，而各個學科相互融合發(fā)腱，又產(chǎn)生了許多新的學科技術。產(chǎn)品設計就是這樣的一門學科。每一次新科技的出現(xiàn)，都會給產(chǎn)品設計的途徑、方式帶來新的發(fā)展和變化。虛擬現(xiàn)實技術(VirtualReality，VR)是以計算機支持的仿真技術為前提的，對設計、加工、裝配、維護等，經(jīng)過統(tǒng)一建模形成虛擬的環(huán)境、虛擬的過程、虛擬的產(chǎn)

2、品。虛擬技術產(chǎn)生于20世紀40年代，到90年代才逐步發(fā)展完善起來，現(xiàn)在已經(jīng)應用劍了制造、軍工、醫(yī)學、航天、建筑等很多領域，并且都取得了很人的成功。虛擬技術應川到產(chǎn)品設計中，更會體現(xiàn)出它的很多優(yōu)勢，給設計業(yè)帶來全新的理念和方式。1虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品設計中的應用虛擬現(xiàn)實技術是人的想象力和電子學相結合而產(chǎn)生的一項綜合技術，是一種高度逼真地模擬人在自然環(huán)境中的視聽動等行為的人機界面技術，它利用多媒體計算機仿真技術構成一種特殊的環(huán)境，用戶可以通過

3、各種傳感系統(tǒng)與這種環(huán)境進行自然交互。虛擬現(xiàn)實的基本特征有沉浸(Immersion、交互(Interaction)和構想(Imagination)。與其他的計算機系統(tǒng)相比，VR系統(tǒng)可提供實時交互性操作、三位視覺空間和多通道的人機界面。近年來，虛擬現(xiàn)實技術被越米越多地應用于科學研究，已逐漸被認為是重要的科學探索工具。將虛擬技術應用于產(chǎn)品的開發(fā)設計，稱之為虛擬設計，虛擬設計是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，它是以機械產(chǎn)品為對象的設計手段。本質(zhì)上講，虛擬

4、設計是將產(chǎn)品從概念設計到投入使用的全過程在計算機上構造的虛擬環(huán)境中虛擬地實現(xiàn)，其目標不僅是對產(chǎn)品的物質(zhì)形態(tài)和制造過程進行模擬和可視化，而且對產(chǎn)品的性能、行為和功能以及在產(chǎn)品實現(xiàn)的各個階段中的實施方案進行預測、評價和優(yōu)化。虛擬設計在現(xiàn)實中的應用有很多的方面，正由于其具有以上的優(yōu)點而被越來越多的人關注。下面是虛擬設計在現(xiàn)階段的應用狀況。(1)虛擬原型可視化并取代物理原型。例如1992年美國NASA建立航天飛機數(shù)字模型與虛擬風洞川以觀察飛機流

5、線分布，驗證飛機外型設計的合理性。(2)沉浸式設計環(huán)境。虛擬環(huán)境與設計互連，通過建立三維數(shù)字模型，設計者使用虛擬現(xiàn)實裝備在虛擬環(huán)境中直接指導操縱模型。在產(chǎn)品開發(fā)的各個階段，對虛擬產(chǎn)品原形的結構、功能、性能、加工工藝、裝配、生產(chǎn)組織等各個方面進行虛擬環(huán)境下的仿真，從而保證設計的可靠、高效。(3)虛擬裝配。產(chǎn)晶往往不是單一的零件，多零件產(chǎn)品的裝配干涉是常見錯誤。傳統(tǒng)的設計方法，這一錯誤要到產(chǎn)品最后裝配時才能發(fā)現(xiàn)。應用虛擬設計，則可以及早發(fā)現(xiàn)

6、干涉甚至完全避免干涉的發(fā)生。通過裝配模擬軟件，設計人員可以對虛擬原型進行試驗，分析應力和變形等。若設計不符合標準，可以方便地更改模型并重新生成模型。虛擬裝配設計（VirtualAssemblyDesign）是虛擬設計在新產(chǎn)品開發(fā)方面具有較大影響力的一個領域。虛擬裝配（VirtualAssembly）采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試，它是實際裝配的過程在計算機上的本

7、質(zhì)體現(xiàn)。目前，就其技術而言，已經(jīng)成熟，雖尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng)，也尚未充分地應用于新產(chǎn)品開發(fā)的分析和評價，但這項技術在新產(chǎn)品開發(fā)中已得到肯定，并具有很重要的意義。述，物理模型能通過快速原型方法被迅速的制作出來。例如：美國波音公司777飛機的虛擬原形機，就利用虛擬產(chǎn)品設計對該產(chǎn)品進行全數(shù)字化三維描述，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計的虛擬油泥模型和無紙工程等，這個模型可為產(chǎn)品開發(fā)不同的階段和設計原則提供參考。同時，虛擬產(chǎn)品設計在造船等其他新產(chǎn)品開發(fā)方面也得

8、到了成功的應用。另外，虛擬產(chǎn)品設計與其它設計過程進行數(shù)字連接，可實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)過程的集成，使并行工程(ConcurrentEngineering)得到充分體現(xiàn)與實施。從而縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造性潛能。2.1提高設計的直觀性和真實性虛擬設計系統(tǒng)不同于一般的計算機輔助設計系統(tǒng)?，F(xiàn)在普遍應用的計算機輔助設計并沒有從根本上、理念上改變原來的設計方式，只是川顯示器、鼠標和鍵盤取代丫紙筆的設計。而虛擬設計系統(tǒng)中的設計人員，不

9、必受到這些外界設備的各種約束，可以通過虛擬設備自由的在虛擬空問內(nèi)發(fā)揮白己的想象力和創(chuàng)造力。2.2縮短設計流程，提高設計效率將虛擬設計應用到流程后，可以省去原來的樣機試制，而且產(chǎn)品的實驗（試用）都是虛擬完成的，從而縮短產(chǎn)品設計周期、提高效率。國際上許多大的制造商都爭先在設計中引入虛擬技術，如：通用汽車公司、波音公司、英國航空公司等。其中波音公司的777飛機的設計就是采用了虛擬設計技術，開發(fā)周期從通常的8年減少到了5年。2.3降低設計成本，

10、提高產(chǎn)品競爭力在商品競競爭日益激烈的今大，對于任何一個制造商而言，降低產(chǎn)品成本無疑是應該首先考慮的問題之一。在以往的產(chǎn)品設計中，光是實物模型和樣機的制作就花去了很多人力物力財力，還有對產(chǎn)品的實驗更是費時費力。波音公司在設計707客機機艙時，曾山資50萬美元，完成了1：1的機艙模型。為了對機艙座椅和食品服務艙進行人體工程分析試驗，模型被用于“模擬飛行”。虛擬技術可以虛擬產(chǎn)品建模，也可以對產(chǎn)品的性能進行物理仿真、動力學仿真，測試產(chǎn)品的性能和

11、可靠性等等，從而降低成本，提高效率。3虛擬技術應用到工業(yè)設計中的途徑3.1產(chǎn)品的外形設計采川虛擬現(xiàn)實技術的外形設計，可隨時修改、評測、方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設計、仿真和加工，甚至用于廣告和宣傳。在其他產(chǎn)品（如飛機、建筑和裝修、家用電器、化妝品包裝等）的外形設計中同樣有極人的優(yōu)勢。3.2產(chǎn)品的布局設計在復雜產(chǎn)品的布局設計巾，通過虛擬現(xiàn)實技術可以直觀地進行設計，避免可能出現(xiàn)的干涉和其他不合理問題。例如，在復雜的管道設計巾，采

12、用虛擬技術，設計者可以“進入其中”進行管道布置，并檢查可能的干涉等問題。3.3產(chǎn)品的運動和動力學仿真產(chǎn)品設計必須解決運動構件工作時的運動協(xié)調(diào)關系、運動范圍設計、可能的運動干涉檢查、產(chǎn)品動力學性能、強度、剛度等。例如，牛產(chǎn)線上各個環(huán)節(jié)的動作協(xié)調(diào)和配合是比較復雜的，采川仿真技術，可以直觀地進行配置和設計，保證工作的協(xié)調(diào)。3.4產(chǎn)品的廣告語漫游用虛擬現(xiàn)實或二維動畫技術制作的產(chǎn)品廣告具有逼真的效果，不僅可以顯示產(chǎn)品的外形，還可以顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結