近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中存在的問題。與傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)相比，虛擬產(chǎn)品開發(fā)不消耗物資資源和能源，而且可在產(chǎn)品投產(chǎn)前對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，提高了產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可行性，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種有效的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)；它采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，使置身于該環(huán)境中的人能通過各種傳感交互設(shè)備與這一虛擬環(huán)境進(jìn)行相互操作，達(dá)到彼此交換更迭，融為一體的程度。
1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)特征
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下四個(gè)重要特征：
(1)多感知性所謂多感知就是說除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)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(yùn)動(dòng)感知、甚至應(yīng)該包括味覺感知、嗅覺感知等。
(2)存在性又稱為臨場(chǎng)感，它是指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度。
(3)交互性是指用戶對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。
(4)自主性 自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的程度。
1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)組成
用戶通過傳感裝置直接對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行操作，并得到實(shí)時(shí)三維顯示和其它反饋信息（如觸覺、力覺反饋等）。當(dāng)系統(tǒng)與外部世界通過傳感裝置構(gòu)成反饋閉環(huán)時(shí)，在用戶的控制下，用戶與虛擬環(huán)境間的交互可以對(duì)外部世界產(chǎn)生作用（見圖1）。
圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)
1.3 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言)，是描述虛擬環(huán)境中場(chǎng)景的一種標(biāo)準(zhǔn)。它定義了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中幾乎全部的常用屬性，如層次變換、光源、視點(diǎn)、材料特性和紋理影射等，并提供了簡(jiǎn)單的行為特征描述功能。VRML本質(zhì)上可以說是一種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它定義了一系列對(duì)象用來實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景、多媒體以及交互性，這些對(duì)象稱作“節(jié)點(diǎn)”(Node)�；バ裕@些對(duì)象稱作“節(jié)點(diǎn)”(Node)。
節(jié)點(diǎn)包含的基本元素有“域”(Field)和“事件”(Event)。域是節(jié)點(diǎn)中包含的參數(shù)，事件用于參數(shù)的傳遞。一個(gè)三維場(chǎng)景由具有層次結(jié)構(gòu)的多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，子節(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這使得幾何對(duì)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(jī)交互及節(jié)點(diǎn)同路由的能力，這使得VR世界的真實(shí)感大大增強(qiáng)；在VRML中可以嵌人程序腳本，Java、JavaScript等擴(kuò)展接口極大地提高了應(yīng)用擴(kuò)展能力。
2 虛擬制造
虛擬制造技術(shù)首先在飛機(jī)、汽車等工業(yè)領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。其實(shí)質(zhì)是，實(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即利用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬出產(chǎn)品的整個(gè)制造過程，從而對(duì)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造、性能分析、生產(chǎn)管理和調(diào)度、銷售及售后服務(wù)做出綜合評(píng)價(jià)，以增強(qiáng)制造過程各個(gè)層次的決策與控制能力。虛擬制造并不產(chǎn)生真實(shí)產(chǎn)品，不消耗材料和能量，而只是利用制造對(duì)象、制造資源和制造過程的模型實(shí)現(xiàn)制造的本質(zhì)過程。目前，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面。
2.1 虛擬產(chǎn)品制造
應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)零件的加工方法、工序順序、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、配合件之間的配合性、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性等均可建模仿真。建立數(shù)字化虛擬樣機(jī)是一種嶄新的設(shè)計(jì)模式和管理體系。
虛擬樣機(jī)是基于三維CAD的產(chǎn)物。三維CAD系統(tǒng)是造型工具，能支持“自頂向下”和“自底向上”等設(shè)計(jì)方法，完成結(jié)構(gòu)分析、裝配仿真及運(yùn)動(dòng)仿真等復(fù)雜設(shè)計(jì)過程，使設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際設(shè)計(jì)過程。三維造型系統(tǒng)能方便地與CAE系統(tǒng)集成，進(jìn)行仿真分析；能提供數(shù)控加工所需的信息，如NC代碼，實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM的集成。通過數(shù)字化虛擬樣機(jī)的建立、實(shí)施，幫助企業(yè)建立起一套基于三維CAD的產(chǎn)品開發(fā)體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變，加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的周期。
2.2 虛擬企業(yè)
虛擬企業(yè)是目前國(guó)際上一種先進(jìn)的產(chǎn)品制造方式，采用的是“兩頭在內(nèi)，中間在外”啞鈴型生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，即產(chǎn)品研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)和組裝、調(diào)試、銷售兩頭在公司內(nèi)部進(jìn)行，而中間的機(jī)械加工部分則通過外協(xié)、外購(gòu)方式進(jìn)行。其特征是：企業(yè)地域分散化。虛擬企業(yè)從用戶訂貨、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零部件制造，以及總成裝配、銷售、經(jīng)營(yíng)管理都可以分別由處在不同地域的企業(yè)，按契約互惠互利聯(lián)作，進(jìn)行異地操作。企業(yè)信息共享化是構(gòu)成虛擬企業(yè)的基本條件之一，企業(yè)伙伴之間通過互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)溝通信息，保證虛擬企業(yè)各部門步調(diào)高度協(xié)調(diào)，在市場(chǎng)波動(dòng)條件下，確保企業(yè)最大整體利益。
3 實(shí)例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
下面是利用三維造型軟件AutoCAD和VRML語(yǔ)言完成虛擬機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)實(shí)例，即所謂虛擬產(chǎn)品制造，具體的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)途徑如下：
3.1 三維建模及格式轉(zhuǎn)換
在通過三維造型軟件AutoCAD環(huán)境下，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成實(shí)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(yīng)文件。以下是通過3DS Max的輸出口導(dǎo)出的齒輪幾何外觀圖和VRML文件內(nèi)容。由于數(shù)據(jù)量較大，僅給出簡(jiǎn)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(shí)體建模
圖3 齒輪外觀
以上代碼主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件的三維實(shí)體建模，生成齒輪的各部分結(jié)構(gòu)，并定義虛擬環(huán)境中的視點(diǎn)、場(chǎng)景背景等特征，完成實(shí)體建模階段。
3.2 修改WRL文件
齒輪的幾何形狀及場(chǎng)景特征已經(jīng)定義好后，可以利用VRML瀏覽器選擇任何視點(diǎn)來觀察靜態(tài)的齒輪。至此，還沒有任何動(dòng)態(tài)效果及可控因素。下面擬用鼠標(biāo)接觸來控制齒輪傳動(dòng)，來說明如何形成動(dòng)態(tài)效果及控制流。
3.2.1 加入動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)
上述代碼通過TouchSensor、TimeSensor變換方位動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)等功能節(jié)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)過程做準(zhǔn)備。
3.2.2 建立控制流
為了使控制流能準(zhǔn)確地傳遞，必須建立事件路由，來實(shí)現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程。在已生成的VRML文件的末尾加入代碼，建立實(shí)際的控制機(jī)制。
4 結(jié)論與展望
作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展意義重大，利用虛擬現(xiàn)實(shí)等高科技信息技術(shù)發(fā)展新型制造業(yè)和現(xiàn)代裝備制造業(yè)，加速推進(jìn)老工業(yè)基地振興，在信息化迅速發(fā)展的條件下，東北老工業(yè)基地的振興步伐一定會(huì)不斷加快。有理由相信，若干年后，東北老工業(yè)基地必將再現(xiàn)輝煌，成為推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一個(gè)動(dòng)力十足的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。
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