近年来，随着信息技术的发展，虚拟现实技术的应用很好地解决了传统制造业中存在的问题。与传统产品开发相比，虚拟产品开发不消耗物资资源和能源，而且可在产品投产前对产品实现的方案进行评估和优化，提高了产品实现的可行性，增强了企业的市场竞争力。
1 虚拟现实技术
虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术；它采用计算机技术生成一个逼真的虚拟环境，使置身于该环境中的人能通过各种传感交互设备与这一虚拟环境进行相互操作，达到彼此交换更迭，融为一体的程度。
1.1 虚拟现实特征
虚拟现实技术具有以下四个重要特征：
(1)多感知性所谓多感知就是说除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知、甚至应该包括味觉感知、嗅觉感知等。
(2)存在性又称为临场感，它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。
(3)交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。
(4)自主性 自主性是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。
1.2 虚拟现实系统组成
用户通过传感装置直接对虚拟环境进行操作，并得到实时三维显示和其它反馈信息（如触觉、力觉反馈等）。当系统与外部世界通过传感装置构成反馈闭环时，在用户的控制下，用户与虚拟环境间的交互可以对外部世界产生作用（见图1）。
图1 虚拟现实系统
1.3 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language虚拟现实建模语言)，是描述虚拟环境中场景的一种标准。它定义了虚拟现实环境中几乎全部的常用属性，如层次变换、光源、视点、材料特性和纹理影射等，并提供了简单的行为特征描述功能。VRML本质上可以说是一种面向对象的语言，它定义了一系列对象用来实现三维场景、多媒体以及交互性，这些对象称作“节点”(Node)。互性，这些对象称作“节点”(Node)。
节点包含的基本元素有“域”(Field)和“事件”(Event)。域是节点中包含的参数，事件用于参数的传递。一个三维场景由具有层次结构的多个子节点组成，子节点的集合可以构成复杂的结构，这使得几何对象中被指定的部分成为可控制的整体；传感器(Sensor)则提供了人机交互及节点同路由的能力，这使得VR世界的真实感大大增强；在VRML中可以嵌人程序脚本，Java、JavaScript等扩展接口极大地提高了应用扩展能力。
2 虚拟制造
虚拟制造技术首先在飞机、汽车等工业领域获得了成功的应用。其实质是，实际制造过程在计算机上的本质实现，即利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品开发设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。虚拟制造并不产生真实产品，不消耗材料和能量，而只是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。目前，虚拟制造技术的应用主要在以下几个方面。
2.1 虚拟产品制造
应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工艺参数的选用，加工工艺性、配合件之间的配合性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机是一种崭新的设计模式和管理体系。
虚拟样机是基于三维CAD的产物。三维CAD系统是造型工具，能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法，完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与CAE系统集成，进行仿真分析；能提供数控加工所需的信息，如NC代码，实现CAD/CAE/CAM的集成。通过数字化虚拟样机的建立、实施，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品开发体系，实现设计模式的转变，加快产品推向市场的周期。
2.2 虚拟企业
虚拟企业是目前国际上一种先进的产品制造方式，采用的是“两头在内，中间在外”哑铃型生产经营模式，即产品研究、开发、设计和组装、调试、销售两头在公司内部进行，而中间的机械加工部分则通过外协、外购方式进行。其特征是：企业地域分散化。虚拟企业从用户订货、产品设计、零部件制造，以及总成装配、销售、经营管理都可以分别由处在不同地域的企业，按契约互惠互利联作，进行异地操作。企业信息共享化是构成虚拟企业的基本条件之一，企业伙伴之间通过互联网及时沟通信息，保证虚拟企业各部门步调高度协调，在市场波动条件下，确保企业最大整体利益。
3 实例设计与实现
下面是利用三维造型软件AutoCAD和VRML语言完成虚拟机械零部件的设计实例，即所谓虚拟产品制造，具体的设计方法和实现途径如下：
3.1 三维建模及格式转换
在通过三维造型软件AutoCAD环境下，根据设计参数完成实体建模（见图2）。然后将生成的DXF格式文件利用RSVRMLED、3DS Max或TGS 3D Tool中的VRML输出口生成相应文件。以下是通过3DS Max的输出口导出的齿轮几何外观图和VRML文件内容。由于数据量较大，仅给出简化了的WRL文件，并添加了理解性注释。生成的WRL文件的总体框架和齿轮外观图（见图3）。
图2 三维实体建模
图3 齿轮外观
以上代码主要是实现机械零部件的三维实体建模，生成齿轮的各部分结构，并定义虚拟环境中的视点、场景背景等特征，完成实体建模阶段。
3.2 修改WRL文件
齿轮的几何形状及场景特征已经定义好后，可以利用VRML浏览器选择任何视点来观察静态的齿轮。至此，还没有任何动态效果及可控因素。下面拟用鼠标接触来控制齿轮传动，来说明如何形成动态效果及控制流。
3.2.1 加入动态节点
上述代码通过TouchSensor、TimeSensor变换方位动态节点等功能节点，为实现齿轮传动过程做准备。
3.2.2 建立控制流
为了使控制流能准确地传递，必须建立事件路由，来实现齿轮转动过程。在已生成的VRML文件的末尾加入代码，建立实际的控制机制。
4 结论与展望
作为国民经济的支柱产业、基础产业和先导产业，信息产业实现持续发展意义重大，利用虚拟现实等高科技信息技术发展新型制造业和现代装备制造业，加速推进老工业基地振兴，在信息化迅速发展的条件下，东北老工业基地的振兴步伐一定会不断加快。有理由相信，若干年后，东北老工业基地必将再现辉煌，成为推动中国经济发展的又一个动力十足的“发动机”。
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本文标题：虚拟现实技术在虚拟制造中的研究与实现
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