近年來，隨著信息技術的發展，虛擬現實技術的應用很好地解決了傳統制造業中存在的問題。與傳統產品開發相比，虛擬產品開發不消耗物資資源和能源，而且可在產品投產前對產品實現的方案進行評估和優化，提高了產品實現的可行性，增強了企業的市場競爭力。
1 虛擬現實技術
虛擬現實技術是一種有效的模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術；它采用計算機技術生成一個逼真的虛擬環境，使置身于該環境中的人能通過各種傳感交互設備與這一虛擬環境進行相互操作，達到彼此交換更迭，融為一體的程度。
1.1 虛擬現實特征
虛擬現實技術具有以下四個重要特征：
(1)多感知性所謂多感知就是說除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知、甚至應該包括味覺感知、嗅覺感知等。
(2)存在性又稱為臨場感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。
(3)交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度。
(4)自主性 自主性是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的程度。
1.2 虛擬現實系統組成
用戶通過傳感裝置直接對虛擬環境進行操作，并得到實時三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當系統與外部世界通過傳感裝置構成反饋閉環時，在用戶的控制下，用戶與虛擬環境間的交互可以對外部世界產生作用（見圖1）。
圖1 虛擬現實系統
1.3 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language虛擬現實建模語言)，是描述虛擬環境中場景的一種標準。它定義了虛擬現實環境中幾乎全部的常用屬性，如層次變換、光源、視點、材料特性和紋理影射等，并提供了簡單的行為特征描述功能。VRML本質上可以說是一種面向對象的語言，它定義了一系列對象用來實現三維場景、多媒體以及交互性，這些對象稱作“節點”(Node)。互性，這些對象稱作“節點”(Node)。
節點包含的基本元素有“域”(Field)和“事件”(Event)。域是節點中包含的參數，事件用于參數的傳遞。一個三維場景由具有層次結構的多個子節點組成，子節點的集合可以構成復雜的結構，這使得幾何對象中被指定的部分成為可控制的整體；傳感器(Sensor)則提供了人機交互及節點同路由的能力，這使得VR世界的真實感大大增強；在VRML中可以嵌人程序腳本，Java、JavaScript等擴展接口極大地提高了應用擴展能力。
2 虛擬制造
虛擬制造技術首先在飛機、汽車等工業領域獲得了成功的應用。其實質是，實際制造過程在計算機上的本質實現，即利用計算機仿真和虛擬現實技術，在計算機上模擬出產品的整個制造過程，從而對產品開發設計、加工制造、性能分析、生產管理和調度、銷售及售后服務做出綜合評價，以增強制造過程各個層次的決策與控制能力。虛擬制造并不產生真實產品，不消耗材料和能量，而只是利用制造對象、制造資源和制造過程的模型實現制造的本質過程。目前，虛擬制造技術的應用主要在以下幾個方面。
2.1 虛擬產品制造
應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工藝參數的選用，加工工藝性、配合件之間的配合性、運動構件的運動性等均可建模仿真。建立數字化虛擬樣機是一種嶄新的設計模式和管理體系。
虛擬樣機是基于三維CAD的產物。三維CAD系統是造型工具，能支持“自頂向下”和“自底向上”等設計方法，完成結構分析、裝配仿真及運動仿真等復雜設計過程，使設計更加符合實際設計過程。三維造型系統能方便地與CAE系統集成，進行仿真分析；能提供數控加工所需的信息，如NC代碼，實現CAD/CAE/CAM的集成。通過數字化虛擬樣機的建立、實施，幫助企業建立起一套基于三維CAD的產品開發體系，實現設計模式的轉變，加快產品推向市場的周期。
2.2 虛擬企業
虛擬企業是目前國際上一種先進的產品制造方式，采用的是“兩頭在內，中間在外”啞鈴型生產經營模式，即產品研究、開發、設計和組裝、調試、銷售兩頭在公司內部進行，而中間的機械加工部分則通過外協、外購方式進行。其特征是：企業地域分散化。虛擬企業從用戶訂貨、產品設計、零部件制造，以及總成裝配、銷售、經營管理都可以分別由處在不同地域的企業，按契約互惠互利聯作，進行異地操作。企業信息共享化是構成虛擬企業的基本條件之一，企業伙伴之間通過互聯網及時溝通信息，保證虛擬企業各部門步調高度協調，在市場波動條件下，確保企業最大整體利益。
3 實例設計與實現
下面是利用三維造型軟件AutoCAD和VRML語言完成虛擬機械零部件的設計實例，即所謂虛擬產品制造，具體的設計方法和實現途徑如下：
3.1 三維建模及格式轉換
在通過三維造型軟件AutoCAD環境下，根據設計參數完成實體建模（見圖2）。然后將生成的DXF格式文件利用RSVRMLED、3DS Max或TGS 3D Tool中的VRML輸出口生成相應文件。以下是通過3DS Max的輸出口導出的齒輪幾何外觀圖和VRML文件內容。由于數據量較大，僅給出簡化了的WRL文件，并添加了理解性注釋。生成的WRL文件的總體框架和齒輪外觀圖（見圖3）。
圖2 三維實體建模
圖3 齒輪外觀
以上代碼主要是實現機械零部件的三維實體建模，生成齒輪的各部分結構，并定義虛擬環境中的視點、場景背景等特征，完成實體建模階段。
3.2 修改WRL文件
齒輪的幾何形狀及場景特征已經定義好后，可以利用VRML瀏覽器選擇任何視點來觀察靜態的齒輪。至此，還沒有任何動態效果及可控因素。下面擬用鼠標接觸來控制齒輪傳動，來說明如何形成動態效果及控制流。
3.2.1 加入動態節點
上述代碼通過TouchSensor、TimeSensor變換方位動態節點等功能節點，為實現齒輪傳動過程做準備。
3.2.2 建立控制流
為了使控制流能準確地傳遞，必須建立事件路由，來實現齒輪轉動過程。在已生成的VRML文件的末尾加入代碼，建立實際的控制機制。
4 結論與展望
作為國民經濟的支柱產業、基礎產業和先導產業，信息產業實現持續發展意義重大，利用虛擬現實等高科技信息技術發展新型制造業和現代裝備制造業，加速推進老工業基地振興，在信息化迅速發展的條件下，東北老工業基地的振興步伐一定會不斷加快。有理由相信，若干年后，東北老工業基地必將再現輝煌，成為推動中國經濟發展的又一個動力十足的“發動機”。
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本文標題：虛擬現實技術在虛擬制造中的研究與實現
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