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　　按虛擬制造技術的功能可分為：面向產品的虛擬制造技術和面向生產過程組織管理的虛擬制造技術。前者著重于產品的設計、制造、使用、檢驗及評價的建模與仿真，后者則著重于生產過程的計劃、組織管理、資源調度、物流、信息流等的建模與仿真。

　　虛擬現實技術是利用計算機技術建立一種逼真的虛擬環境，在這個環境中，人們的視覺、聽覺和觸覺等的感受象是在真實的環境中一樣，即有“身臨其境”的感覺，人們可以沉浸在這個環境中與環境進行實時交互。這就是它的所謂“沉浸性”、“實時性”和“主動的交互性”。在這個環境中，設計、制造和使用的產品，并不是實物，不消耗實際材料，也不需要機床等設備，他只是一種圖象和聲音的所謂“數字產品”而已。利用這種數字產品，我們可以進行產品的外觀審查和修改、裝配模擬和干涉檢查、機械的運動仿真、零件的加工模擬，乃至產品的工作性能模擬與評價，以便在產品的生命周期的上游 設計階段就可以消除設計的缺陷、評價加工的可行性和合理性，預測產品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虛擬現實技術為我們實施并行工程、敏捷制造，減少失誤和返工、縮短研制周期和提高產品質量提供了一個最佳的環境�？梢�，虛擬現實技術與面向產品的虛擬制造技術的關系最為密切。

　　虛擬現實技術是80年代才剛剛提出來的，隨著計算機技術的迅速發展，是在90年代得到人們的極大重視而獲得迅速發展、很快進入實用階段，尤其在軍事、娛樂方面首先獲得的成功應用是令人振奮的�，F在的情況是，一方面，其軟、硬件技術的發展日新月異；另一方面，其軟、硬件的價格驚人地高，而價格下跌之快也十分驚人，還有些技術尚處于初級階段，并不能令人滿意，軟件功能也不能滿足需要。

　　在現有的條件和技術的基礎上，如何充分地發揮虛擬現實技術的作用，為我們的制造業作出有益的貢獻，是我們的責任。

　　1、虛擬現實技術的基本要求

　　從人類獲取信息的方式看，視覺是最主要的，它占人們獲取的信息量的70%，其次是聽覺、觸覺和味覺。為了實現逼真的效果，滿足人的視覺和聽覺習慣，虛擬環境的圖象和聲響應是三維立體的；為了達到實時性，圖象至少應有60 120Hz的幀頻，還要隨時響應人們的操縱信號，延遲不能超過0.1秒。因此，虛擬現實技術對計算機的計算處理速度和顯示器的要求很高，多數系統和高質量的系統都是在工作站上開發的，并要配備高級圖形加速卡。但這兩年，微機性能大幅度提高，已經在微機上實現了較高質量的虛擬現實技術。成本降低和微機的普及性，將大大推動該技術的應用與發展。

　　人們通過視覺獲得外界物體的形狀、空間位置和速度，要通過人的靜態、動態和生理的立體深度線索來獲取。靜態深度線索主要是空間內物體的位置、遮擋關系、大小和清晰度等，這在我們的三維造型的投影關系中已經考慮進去了。物體運動產生的動感和位置變化，就要求計算機必須實時地計算和處理圖象，只有超出人的視覺暫留時間，一般不少于30幀/秒，才能獲得平滑穩定的圖象，而不會出現閃爍。這就是我們目前的一般三維動畫所要求和應達到的。但這樣的三維圖形和動畫在屏幕上是二維顯示的，就象我們用一只眼睛看物體，缺乏物體的深度感和立體感。實踐表明，人的雙目視差對物體的深度感起決定的作用。要達到自然的物體立體效果，就必須用“兩只眼睛”看物體。

　　在計算機虛擬環境中的圖象，就必須將人的兩只眼睛的圖象分開計算和處理，相應地要求有分開的圖象顯示。目前常用的是頭盔式顯示器，但較高高分辨率的頭盔式顯示器價格超過$50000。在桌面虛擬環境中，是在普通顯示器上顯示雙圖象或交替顯示雙目圖象，再通過光閥眼鏡分離兩眼看到的圖象。因此，采用雙目圖象交替顯示時，顯示器的幀頻必須是普通顯示方式的兩倍以上。再考慮到光閥眼鏡的延遲，幀頻不少于80Hz才不出現閃爍現象。

　　雙目分開的圖象就要求計算機必須實時計算和處理80幀/秒以上的圖象。這個實時性要求是很高的，故多采用工作站作為主機。在微機上的游戲軟件中，以前的方法是采用很低的分辨率和二維圖象。隨著微機速度的提高，目前可以采用三維圖象，但分辨率仍很低。采用高檔圖形加速卡，可以大大加快計算速度，可以達到32bit彩色、1600*1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s紋理，已經使得微機平臺上的虛擬現實技術進入了實用階段。

　　在制造技術上，一般對聲響的要求較低。而在軍事實時對抗訓練等虛擬現實系統中，空間立體聲效果是必須的了。

　　在桌面虛擬環境中，人機交互的操縱器主要是普通鼠標、6自由度鼠標、數據手套、操縱桿。數據服、大型投影球幕等使用于更完善的虛擬現實系統中。

　　虛擬現實系統的軟硬件價格是較高的。為此，根據不同的用途和需要，可配置不同的系統，適當的沉浸深度的虛擬環境才不會使系統過于復雜及成本、維護的負擔過重。例如，用于汽車外形造型設計的系統，重點在顯示高質量的立體圖象，而聽覺和觸覺的要求很低，用普通鼠標進行操縱即可，實時性也要求不高。再如，零件裝配模擬中，除了圖象外，可操縱性要求較高，可配備6自由度鼠標和數據手套等。在車輛、飛機模擬訓練等虛擬現實系統中，要求有寬闊的視野、實時的操縱系統、逼真的聲響效果。不僅要快速響應人們的操縱信號，還要實現人們對力、位移等的觸覺反饋的仿真。

　　2、虛擬現實系統的應用

　　虛擬現實系統首先在軍事、航天等高科技領域以及娛樂與漫游等方面獲得成功的應用。例如：用于宇航員、飛行員訓練的座艙系統、戰場實時演練系統（虛擬戰場）等。虛擬現實系統在產品設計、制造過程中同樣具有重要的應用，可大大提高產品的技術水平，例如：波音公司777飛機的設計、福特汽車外形設計與碰撞實驗、工廠和建筑物的漫游等。目前應用效果最好是下面幾個方面：

　　 (1) 產品的外形設計
　　例如：汽車外形造型設計是汽車的一個極為重要的方面，以前多采用泡沫塑料制作外形模型，要通過多次的評測和修改，費工費時。而采用虛擬現實建模的外形設計，可隨時修改、評測，方案確定后的建模數據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。在其它產品（如：飛機、建筑和裝修、家用電器、化妝品包裝等）外形設計中，均有極大的優勢。

　　(2) 產品的布局設計
　　在復雜產品的布局設計中，通過虛擬現實技術可以直觀地進行設計，避免可能出現的干涉和其它不合理問題。例如，工廠和車間設計中的機器布置、管道鋪設、物流系統等，都需要該技術的支持。在復雜的管道系統、液壓集流塊設計中，設計者可以“進入”其中進行管道布置，檢查可能的干涉等錯誤。在汽車、飛機的內部設計中，“直觀”是最有效的工具，虛擬現實技術可發揮不可替代的積極的作用。

　　(3) 機械產品的運動仿真

　　在產品設計階段中必須解決運動構件在運動過程中的運動協調關系、運動范圍設計、可能的運動干涉檢查等。

　　(4) 產品裝配仿真
    機械產品中有成千上萬的零件要裝配再一起，其配合設計、可裝配性是設計人員常常出現的錯誤，往往要到產品最后裝配時才能發現，造成零件的報廢和工期的延誤，不能及時交貨造成巨大的經濟損失和信譽損失。采用虛擬現實技術可以在設計階段就進行驗證，保證設計的正確。

　　(5) 產品加工過程仿真
　　產品加工是個復雜的過程。產品設計的合理性、可加工性、加工方法和機床的選用、加工過程中可能出現的加工缺陷等，有時在設計時是不容易發現和確定的，必須經過仿真和分析。例如，沖壓件的形狀或沖壓模具設計不合理，可能造成沖壓件的翹曲和破裂，造成廢品。鑄造件的形狀或模具、澆口設計不合理，容易產生鑄造缺陷，甚至報廢。機加工件的結構設計不合理，可能產生無法加工、或者加工精度無法保證、或者必須采用特種加工，增加了加工成本和加工周期。通過仿真，可以預先發現問題，采取修改設計或其他措施，保證工期和產品質量。

　　(6) 虛擬樣機與產品工作性能評測

　　設計、重新制造等一系列的反復試制過程，許多不合理設計和錯誤設計只能等到制造、裝配過程中，甚至到樣機試驗時才能發現。產品的質量和工作性能也只能當產品生產出來后，通過試運轉才能判定。這時，多數問題是無法更改的，修改設計就意味著部分或全部的報廢和重新試制。因此常常要進行多次試制才能達到要求，試制周期長，費用高。而采用虛擬制造技術，可以在設計階段就對設計的方案、結構等進行仿真，解決大多數問題，提高一次試制成功率。采用虛擬現實技術，可以方便、直觀地進行工作性能檢查。例如，美國的John Deere公司，采用該技術，對新產品 反鏟裝載機的三個技術方案進行建模仿真，結果否定了其中的兩個方案，節約了大量的研制經費。

　　(7) 產品廣告與漫游

　　用虛擬現實或三維動畫技術制作的產品廣告具有逼真的效果，不僅可顯示產品的外形，還可顯示產品的內部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等，尤其是利用網絡進行的產品介紹，廣告效果很好。例如，在internet網絡上某復印機的產品介紹和用戶使用說明，可在網上進行操作：復印、打開復印機側板顯示內部結構，更換墨盒，清潔磁鼓，去除卡著的紙，關上側板等，生動、直觀。

　　漫游技術使人們能在城市、工廠、車間、機器內部乃至圖紙和零部件之間進行漫游，直觀方便地獲取信息。

　　3、虛擬現實環境下的產品制造技術
    虛擬現實環境下的產品設計、制造和評價，首先是進行產品的立體建模，然后將這個模型置于虛擬環境中實施控制和分析。由于虛擬現實技術正在發展中，虛擬現實的環境軟件相對較成熟，如WTK、dVISE、VRT等，而用于機械設計、制造的仿真和控制的軟件功能比較分散，兩者之間的連接尚不成熟，是研究和開發的熱點。如機械運動仿真、薄板沖壓成型分析與仿真、零件加工和裝配仿真等。目前，基于特征的3D建模技術正逐漸進入實用并開始推廣應用，為我們提供了堅實的基礎。但這些建模軟件不支持虛擬現實環境，必須進行轉換和數據處理。

     我們根據本單位的產品立體停車庫，建立了一套虛擬現實環境下的參數設計系統，其中包括：車庫布局設計、車庫類型選擇、車庫設計和車庫工作演示系統，初步實現了參數化虛擬設計。該系統采用VC和 OpenGL進行編程，其中的復雜模型采用AUTOCAD和3DS MAX進行建模。在這個虛擬設計軟件中，采用參數化建模，可以直觀地進行車庫的布局、設計、分析和運動模擬，效果較好。

 機械產品有著自己的統一特征， 基于這些特征建立一套連接3D建模與虛擬環境的軟件，有利于該技術在制造領域內的應用。

　　4、結論
    面向產品的虛擬制造技術是以三維建模和仿真技術為基礎，以虛擬現實技術為支撐的全新的技術，是CAD/CAM/CAE技術的更高級階段，近幾年發展迅速。
    應用虛擬現實技術，工程師可以利用實時的視覺圖象，更直觀、更方便地進行產品的設計、布局、仿真、分析、可制造性檢查、性能評價，快速、可靠地設計、制造出高質量的產品，滿足市場競爭的需要。
    主要參考文獻
    [1] 王成為等，靈境（虛擬現實）技術的理論、實現及應用，清華大學出版社，1996。
    [2] 廖朵朵等，OpenGL三維圖形程序設計，星球地圖出版社，1996。