基于虚拟现实的智能设计方案

1.虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）的概念是20世纪80年代初提出的，它是综合利用计算机图形系统以及各种显示和控制接口设备，在计算机上生成的可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实技术又称临境技术，是一种高级仿真技术。虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“进入”该环境中，实现用户与环境的自然交互，同时环境对用户的控制行为做出动态的反应，并能为用户的行为所控制。运用该技术建立的模型世界可以是真实世界的仿真，也可以是抽象概念的建模。由于虚拟现实技术强调介入者的亲身体验，是一种人与技术融为一体的全新的人机交互的计算机系统，它能逼真地模拟和重现现实世界，并对用户的操作实时做出反应，为用户提供一个与计算机所产生的三维图像进行交互的平台。

虚拟现实技术以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体；借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、对象等，因而也能拟实制造过程和未来的产品，从感官和视觉上使人获得完全如同真实的感受。利用虚拟现实技术，创新的大量过程和中间结果可以在计算机上进行仿真，减少实物制造成本和周期，提高创新的效率。在产品设计阶段就能模拟出该产品的整个生命周期，从而更有效、更经济、更灵活地组织生产。

虚拟现实系统具有以下特征：

（1）沉浸（Immersion）。指用户借助各种先进的传感器进入虚拟环境后，由于感受异常逼真，使得他相信一切都“真实”存在。

（2）交互（Interaction）。指用户对虚拟环境内的物体进行实时操作的程度以及能从该环境得到反馈的真实程度。

（3）想象（Imagination）。指由虚拟环境的逼真性与实时交互而使用户产生丰富的联想，是获取沉浸的必要条件。

（4）自主（Autonomy）。指虚拟环境中的物体依据物理定律动作的程度。

（5）存在（Presence）。指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度。

2.虚拟现实技术在智能设计中的应用(www.xing528.com)

虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉和触觉等的感受如同身处真实环境，人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，只是一种图像和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品，可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为我们实施并行工程、敏捷制造，减少失误和返工，缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。

3.基于虚拟现实的智能设计的发展方向

（1）产品的外形设计。如外形造型设计是汽车设计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。

（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他不合理问题。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。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。通过虚拟现实技术可以帮助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在一起，其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误，且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。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。传统的设计、制造需要一系列的反复试制，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。