关键词：虚拟制作技术；模具制造
一、虚拟制造技术概述
虚拟制造技术（virtualmanufacturingtechnology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成企业的市场竞争优势。虚拟制造是融合了计算机仿真技术与虚拟现实技术、由多学科先进知识组成的综合系统技术，是为了实现企业或产品的柔性，快速地响应市场以及一次制造成功而提出的一种虚拟现实技术。它是CAD/CAE/CAM/CAPP和仿真技术的更高阶段，能在计算机上实现产品从设计到制造到检验的全过程：根据物体的虚拟模型，在计算机上模拟“实际”加工的全过程及产品的装配情况；还可以及时修改设计，避免在生产过程中可能出现的问题，达到新产品一次开发成功，以缩短开发周期、降低开发成本、提高生产效率的目的。
二、虚拟制造技术在模具工业中的应用
（一）虚拟产品和模具设计
无论是塑料模具还是金属冲压模具，其最终的目的是能够生产出符合要求的产品。企业可以根据市场要求进行产品设计。在保证产品用途要求的前提下，外观和产品的最终成本也要兼顾。产品设计是模具工业中的第一环节，也是影响后续工作的重要一环，产品设计是否合理直接影响经济效益。一般借助计算机进行的模具设计不能有效、合理地把产品设计、模具设计、模具制造等结合起来考虑，在实际制造过程中造成返工修改的次数多、装配性不好，在交付使用过程中则发现满足不了用户的要求，而且设计出来的模具生产灵活性差。虚拟制造技术的虚拟设计过程能够克服上述缺点，因为虚拟设计能充分利用现有的CAD软件，基于特征设计的设计平台，较好地体现面向制造设计、面向装配设计的设计思想。在虚拟设计的过程中，可以充分利用虚拟制造、虚拟装配技术等初步的设计方案进行虚拟装配，并及早发现设计上的问题。
（二）虚拟制造与模具加工
“质量好”、“精度高”、“价格低”、“交货期短”等是人们对模具制造的基本要求。但是许多模具体积庞大、结构复杂、尺寸精度和表面粗糙度要求较高，设计制造相当困难。在模具设计阶段无法预料制造过程中将出现的问题，有可能造成制造困难或无法进行加工。采用虚拟制造的方式，可以优化模具零件加工过程中的工艺参数，及时解决加工过程中出现的问题。数控仿真加工是目前应用较广的加工方法，在计算机上采用仿真软件根据Pro/E产生的零件图即可生成零件的加工程序代码。通过计算机构造出一个虚拟的加工环境，在虚拟加工过程中可以观察到刀具完整的运行路径，完成常规加工的各种功能，如铣流道、铣平面、钻孔等，同时还可以发现加工过程中存在的问题，并及时修正。仿真加工结束后，将加工程序输入数控机床即可进行实物加工。
（三）虚拟制造与模具装配
在传统模具装配过程中，需要反复修改和调试，才能得到满意产品。在调模过程出现的缺陷，如破裂、起皱、回弹、翘角等，主要凭装配人员的经验，通过反复试模、修模、再试模、再修模的循环过程才能解决，这样经常导致零件的报废或工期的延长。而虚拟制造技术可以大大缩短这一过程，因为在虚拟现实环境下，不需要建造实体模型，工程师可以利用虚拟的“自然”环境、可视化优势进行设计，避免出现干涉等问题，这样可以避免反复修模，从而保证模具的精度和制造周期。在模具装配中，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。产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如，生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作的协调。
（四）虚拟调试
模具的调试主要是指虚拟模具的动作过程，对不合理的地方及时反馈信息进行调整。试模是具出厂前必须经历的一个阶段。虚拟试模是虚拟制造模具生产的产品，对于虚拟生产出的产品是否满足顾客需求予以检验，以确定模具能否投入正常生产。例如对塑料注射模具，通过虚拟注射过程检验生产出的制件是否有缺陷，浇口、浇道是否设计合理，型腔能否正常填满。
从时间上讲，产品的开发有先后顺序的，比如设计、工艺、制造，只有在设计进行之后才能进行工艺设计；从数据上来说，工艺性分析在设计数据给出后才能进行。然而，关键的问题在于设计后何时以及数据生成多少时进行工艺分析、工艺设计。在模具工业中，产品设计开始生成某些数据后，就可以将数据传递给模具设计、模具制造、模具装配等，即下游的工作人员可根据产品设计传递来的数据对其进行模具设计、制造、装配方面的分析，并将分析的结果反馈给设计人员。但产品设计与其相关领域的局部数据的一致并不能说明全局数据信息的一致性。
三、结语
总而言之，对于模具工业企业而言，首先必须立足于企业的现有条件，根据虚拟制造的思想发现问题，挖掘潜力；其次必须在组织结构、技术、人才和管理等方面进行进一步的改革，为虚拟制造技术的应用奠定基础；再次，对于模具工业有关的科研单位而言，必须紧紧跟踪国外虚拟制造技术的发展动态，加大国内的研究力度。
参考文献：
论文摘要：论述了基于虚拟产品设计模式和虚拟环境的产品创新设计、人机工程分析、形态组构、设计管理等产品造型设计方法的应用，认为在现代工业设计中运用虚拟现实技术，将极大地加快产品设计周期，降低产品开发的成本，对工业设计方法的创新有着巨大影响。
0引言
虚拟现实vr(virtualreality)是一种高度逼真的模拟人在自然环境中的视、听、动等行为的人机界面。简单地说，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实技术是20世纪末兴起的一门新的综合性信息技术，它融合了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、数字图像处理、网络技术、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术和方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于自然技能的人机交互。
工业设计是建立在科学技术基础之上，以赋予工业产品艺术性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不相同，大体上有以下几种：创新设计法、人机工程学法、形态组构法、系统设计方法、caid方法、价值工程与价值创新法、设计管理法等。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论以新的理念。
1虚拟现实技术在国内外研究的现状
1．1国外的研究情况
随着虚拟技术的不断成熟与发展，一些发达国家已经在很多领域中应用了虚拟设计，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系，其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项目，此外还有美国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境(collaborativevirturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。
1．2国内的研究现状
相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪80年代vr技术开始起步以来，至今我国在vr的基础图形技术领域已经具备了坚实的基础。据不完全统计，目前全国已有34家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作，有4家企业参与了这种新的探索，其主要的研究内容包括：①产品的虚拟设计；②热加工工艺模拟；③加工过程、装配过程的仿真；④虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；⑤虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数是在原先的cad／cam及仿真技术的基础上进行，而系统、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用水平远落后于发达国家。由此来看，我国重视产品设计水平的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。
2基于虚拟现实技术的工业设计方法
2．1创新设计法
创新是工业设计的灵魂所在。当代社会经济条件下，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图1、2所示，在传统的工业设计中，人们一直沿用着平面图来表达设计思想。即使应用计算机三维软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完整地表达出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型，主动索取信息，从而实现工业设计由面表达向体表达的突破，使设计师有更充裕的时间来考虑设计的细节问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图3所示。
此外，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计、开发人员的良好沟通和互动。
2．2基于虚拟现实技术的产品人机工程分析
(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：①采样数量、测量和数据分析的工作量均很大，且成本高、周期长；②无法进行动态修订；③缺乏对于企业具体产品的针对性；④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术(获取静态三维数据)、动作捕捉技术(获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维动态数字模型。这些数字模型在被更新前一直可以“活在”虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制，实现实时数据的不断更新。(2)虚拟人机工程设计与评价。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机(virtualprototype)系统进行设计，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，精确研究产品的人机工程学参数，直接与设计的产品进行交互，并评价产品的性能。
在传统产品设计的人机系统中，人是操作者，机器只是被动的反应，而在虚拟产品设计的人机系统中，人成为主动参与者，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行．而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行，也可与产品使用者进行各种实时的交互。
如图4所示．基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行，若人机评价结果达不到要求，就需要进行重新设计和样品试制，再进行人机评价，这样反复循环指导方能达到要求，这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协同并行式，人机设计、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程，而且和虚拟加工、虚拟制造形成并行，大大的节省了时间和资原，也加快企业新产品的开发进程。
2.3形态组构法
有研究表明，“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深入观察理解生活与自然形态，及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循科学的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体轻微向外弯曲，以至前端产生运动感，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破，但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时，设计师借助于freeform系统，依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究，见图6，找出形态变化的一般规律，使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。
2.4设计管理法
设计管理常以并行工程为模式[7]，设计过程引入虚拟现实，将使参与产品开发的所有专业人员可采用并行工作模式系统地将市场需求、工艺制造水平、装配、维修、产品推广等来实现协同工作。图6所示的freeform建模系统即可以在设计过程中满足直观交流这一要求，设计师利用力反馈输入设备进行模型的塑造，也可在原来产品的基础上进行不断地修改，并在短时间内完成新的概念模型。为了让更多的专业人员参与到设计中，还可利用增强式虚拟现实系统，在真实的环境中增加虚拟物体、装饰、结构部件，改变样式，将信息与生产准备阶段的反馈信息相结合,选出最后方案。基于虚拟现实技术的设计管理能很好地遵循“赋予工作的喜悦”的理念,设计中注重理性因素的表达，使设计更加大胆地运用前卫个性的动物外观形态的处理手法，将产品的目标市场牢牢抓住，本文电锤产品便是作者为无锡锐克电动工具有限公司进行设计的典型范例。目前电锤产品包括八个系列，在虚拟设计中能感悟到该品牌的每一款产品，设计集个性、高性能、完美美学和实用乐趣于一身，在虚拟使用电锤中感悟到高科技，感悟到电锤凸形腰线的形态美，及至高境界的精神美。
[关键词]虚拟现实工业旅游
随着计算机技术的飞速发展,涉及计算机图形技术、人机交互技术、人工智能、传感技术等领域的虚拟现实技术在近阶段同样高速发展。虚拟现实技术通过计算机模拟出一个三维的虚拟世界,为用户提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟,令用户如同身临其境。由于虚拟现实技术所具有的突出特性,目前虚拟现实技术已广泛应用在军事、医疗、教育、文化、航天、水利、城市规划等方面,无形中改变着我们的工作、学习、生活的方式,因此也成为学者们当前关注和研究的热点。
工业旅游是伴随城市化和工业化高速发展而产生的,是融合知识、观光、休闲的一种旅游项目。工业旅游在满足大众好奇心的同时,也可以宣传企业文化、提升企业形象,随着工业旅游的深入发展,将来也可以成为企业新的经济增长点。工业旅游最早出现在西方,人们把倒闭、废弃的工矿企业重新进行改造,转变成为工业博物馆、景观公园、艺术表演场地、设计公司的办公场所等现代实用场所,逐渐发展成为工业遗产旅游。随着工业遗产旅游的发展,旅游开始进入生产经营中的工业企业,从而形成现在完整的工业旅游概念。我国在经历了几十年的工业高速发展后,工业企业逐步成熟,对于工业旅游的认识不断深入,近年来越来越多的工业企业开始加入到工业旅游中,并呈现出一种快速增长的趋势。
一、虚拟现实技术涉及了多种学科的技术,综合利用了多种先进技术装备,具有如下三个主要的特点
1.沉浸性。指用户感觉完全置身于虚拟世界中,被虚拟世界所包围。由于虚拟现实技术提供的多感知性,用户不仅具有常见的视觉、听觉感知,还具有触觉感知、嗅觉感知、运动感知等。通过多感知性,使用户沉浸于虚拟世界中,由被动的观察者成为主动的参与者,参与虚拟世界的活动。
2.交互性。在虚拟现实系统中,交互性的实现相比以往的人机交互方式有了巨大的改变,不再像以往那样完全依赖于键盘、鼠标,借助于虚拟现实系统殊的硬件设备,人与虚拟现实世界可以通过自然的方式进行交互,例如人的走动、头的转动、手的移动等等。
3.想象性。虚拟现实技术不仅可以虚拟构建真实存在的环境,还可以构建人们的想象空间,从而去体现设计者的思想,实现一定的目标。虚拟现实技术为人类认识世界提供了一种全新的方法和手段,为人类去探索和研究已知以及未知的问题提供了新的方法及思路。
充分利用虚拟现实技术所具有的鲜明特点,在工业旅游中发挥虚拟现实技术的优势,从而完善、促进工业旅游。
二、增强工业旅游中知识的传播与普及
在工业旅游过程中,工业企业或多或少都会对工业企业的制造流程、制造工艺进行一定的介绍,但是由于制造流程、制造工艺涉及的知识专业性、理论性较强,有些很难通过讲解员的讲解完全说明,并且很多机器设备内部结构也是无法直接观察到的,因此目前的讲解方式还不能十分有效的进行知识传播。但是通过虚拟现实技术,就可以完全解决这些问题,通过对厂房、机器设备的虚拟构建,在计算机的虚拟平台上就可以构建任何我们需要的部件,不仅可以渲染动画进行工作原理、工作流程的介绍,还可以提供计算机终端设备供参观者模拟操作,从而极大提高知识的普及和传播。
三、增强工业旅游中的冲击力、感染力
由于虚拟现实技术是以计算机平台为基础的,因此通过虚拟现实技术生成的虚拟环境、虚拟模型都可以利用计算机的图形技术进行画面的优化,从而为参观者呈现出精美绚丽的画面。在拥有了优质画面的前提下,充分发挥计算机多媒体技术的优势,声觉、触觉等设备营造出完整地虚拟现实环境将给予参观者多感官的刺激,带给参观者强劲的冲击力、感染力。
四、增强工业旅游过程中的安全性
在工业企业中,总是有些区域是具有一定危险性的。在参观过程中,由于人员数量多,人员的组成结构复杂,增加了工业企业管理上的难度。而利用虚拟现实技术,可以在实地参观中避开潜在危险区,通过在虚拟厂区系统中模拟游览来替代实地参观,从而彻底避免危险情况的发生,增强工业旅游的安全性。
五、增强工业旅游企业的宣传方式
通过虚拟现实技术完成了虚拟厂区的整个系统之后,可以利用系统在多种途径进行知识传播和企业宣传。例如:在多媒体放映厅进行大屏幕播放、装载在单机上供使用者单机操作、还可以通过互联网使普通民众在网络上进行浏览操作、通过系统导出数据刻录在光盘等媒介后,用户可以在个人电脑上进行浏览。总而言之,虚拟现实技术可以极大丰富工业企业现有的宣传方式。
六、增强工业旅游企业的规划管理能力
通过扩展系统功能,可以为工业企业提供一个全三维可视化的规划管理系统平台,在管理系统中工业企业可以对厂区的改建、扩建规划方案进行可视化的评估论证,为规划方案的修改完善提供有力的支持。同时对于厂区中的地下管线等隐蔽设备,通过系统可以进行可视化的管理,从而极大提高地下管线等隐蔽设备的管理、维护水平。
本文从虚拟现实技术入手,对虚拟现实技术在工业旅游方面的应用进行了阐述,结合虚拟现实的技术特点对它在工业旅游应用中的优势进行了初步的介绍,对于虚拟现实技术在工业旅游中更深入的应用,有待于以后的研究。随着工业旅游的不断发展,虚拟现实技术的进步,虚拟现实技术与工业旅游的结合必将更加紧密,推动工业旅游更加蓬勃的发展。
参考文献:
[1]张洁李同升:我国工业旅游发展的现状与趋势[J].西北大学报(自然科学版),2007年6月,第37卷第3期.
[2]莫毅华:基于VRML的可视化技术在科普展教中的应用[D]:(硕士学位论文).华中科技大学,2006.
[3]黄心渊:虚拟现实技术及应用[M].北京:北京科学出版社,1999.
[4]方丽:虚拟校园的研究与实现[M].西安科技大学,硕士学位论文,2007.4.
[5]丁爱玲周琳等.计算机图形学.西安电子科技大学出版社,2005.7.