虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與制造業(yè)重點(diǎn)應(yīng)用分析研究

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展趨勢(shì)與制造業(yè)重點(diǎn)應(yīng)用分析研究目錄CONTENTS虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)參考文獻(xiàn)制造業(yè)應(yīng)用分析Part1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展歷程1.有聲形動(dòng)態(tài)的模擬階段〔1963年以前〕1929年，EdwardLink設(shè)計(jì)出用于訓(xùn)練飛行員的模擬器；1956年，MortonHeilig開(kāi)發(fā)出多通道仿真體驗(yàn)系統(tǒng)Sensorama。2.虛擬現(xiàn)實(shí)萌芽階段〔1963-1972年〕1965年，IvanSutherland發(fā)表論文“UltimateDisplay〞〔終極的顯示〕；1968年，IvanSutherland研制成功了帶跟蹤器的頭盔式立體顯示器〔HMD〕；1972年，NolanBushnell開(kāi)發(fā)出第一個(gè)交互式電子游戲Pong。3.概念產(chǎn)生和理論初步形成階段〔1973-1989年〕1977年，DanSandin、TomDeFanti和RichSayre研制出第一個(gè)數(shù)據(jù)手套SayreGlove；1984年，NASAAMES研究中心開(kāi)發(fā)出用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器；1984年，VPL公司的JaronLanier首次提出“虛擬現(xiàn)實(shí)〞的概念；1987年，JimHumphries設(shè)計(jì)了雙目全方位監(jiān)視器〔BOOM〕的最早原型。4.虛擬現(xiàn)實(shí)理論進(jìn)一步完善和應(yīng)用階段〔1990-至今〕1990年，提出VR技術(shù)包括三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)和高分辨率顯示技術(shù)；VPL公司開(kāi)發(fā)出第一套傳感手套〞DataGloves〞，第一套HMD“EyePhones〞；21世紀(jì)以來(lái)，VR技術(shù)高速開(kāi)展，軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不斷完善，有代表性的如MultiGenVega、OpenSceneGraph、Virtools等。1234開(kāi)展歷程：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)〔VR〕是一種可以創(chuàng)立和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境，是一種多源信息融合、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，并使用戶沉浸到該環(huán)境中。VR是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多技術(shù)的集合，也是一門(mén)富有挑戰(zhàn)性的交叉技術(shù)前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。VR概念：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)指三維交互設(shè)備。數(shù)據(jù)手套、力矩球、操縱桿、觸覺(jué)反響裝置、力覺(jué)反響裝置、運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)捕捉〔機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式〕、數(shù)據(jù)衣等。模擬環(huán)境指理想的VR應(yīng)該具有一切人所具有的感知。除計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)所生成的視覺(jué)感知外，還有聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等，甚至還包括嗅覺(jué)和味覺(jué)等，也稱(chēng)為多感知。自然技能指人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，眼睛、手勢(shì)、或其他人體行為動(dòng)作，由計(jì)算機(jī)來(lái)處理與參與者的動(dòng)作相適應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)用戶的輸入作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，并分別反響到用戶的五官。感知由計(jì)算機(jī)生成的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真圖像。傳感設(shè)備VR主要包括模擬環(huán)境、感知、自然技能和傳感設(shè)備等幾局部。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸性：用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境中的真實(shí)程度，是VR技術(shù)最主要的特征。影響因素包括多感知性、自主性、三維圖像中的深度信息、畫(huà)面的視野、實(shí)現(xiàn)跟蹤的時(shí)間或空間響應(yīng)及交互設(shè)備的約束程度等。交互性：對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從虛擬環(huán)境中得到反響的自然程度。借助各種專(zhuān)用設(shè)備〔頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等〕產(chǎn)生，使用戶以自然方式如手勢(shì)、體勢(shì)、語(yǔ)言等技能，如同真實(shí)世界一樣操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。想象性：用戶在虛擬世界中根據(jù)所獲取的多種信息和自身在系統(tǒng)中的行為，通過(guò)邏輯判斷、推理和聯(lián)想等思維過(guò)程，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)變化而對(duì)其未來(lái)進(jìn)展進(jìn)行想象的能力。VR特征：G.Burdea在1993年提出“VR三角形〞，簡(jiǎn)捷說(shuō)明了虛擬現(xiàn)實(shí)的根本特征:沉浸〔immersion〕、交互〔Interaction〕、想象〔imagination〕。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR類(lèi)別：利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，將計(jì)算機(jī)屏幕作為用戶觀察虛擬境界的窗口。通過(guò)輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)世界的交互，但參與者缺少完全沉浸。缺乏真實(shí)體驗(yàn)，但價(jià)格較低，因而應(yīng)用較廣泛。

1.桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)高級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供完全沉浸的體驗(yàn)，使用戶有一種置身于虛擬境界中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺(jué)。

2.沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性虛擬現(xiàn)實(shí)不僅利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)世界、仿真現(xiàn)實(shí)世界，而且要利用它來(lái)增強(qiáng)參與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。

3.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)性虛擬現(xiàn)實(shí)4.分布式虛擬現(xiàn)實(shí)多個(gè)用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，共同體驗(yàn)虛擬經(jīng)歷，這就是分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。多個(gè)用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以到達(dá)協(xié)同工作的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)0102030405虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)〞生成。在不降低圖形的質(zhì)量和復(fù)雜度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴(lài)于立體顯示和傳感器技術(shù)的開(kāi)展?，F(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的需要，因此有必要開(kāi)發(fā)新的三維顯示技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵是尋找適宜的場(chǎng)合和對(duì)象，即如何發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用對(duì)象可以大幅度地提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。為了到達(dá)這一目的，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)工具。虛擬現(xiàn)實(shí)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別和合成技術(shù)等等。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)立體顯示和傳感器技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具系統(tǒng)集成技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)：技術(shù)應(yīng)用：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、交互技術(shù)和人工智能等相關(guān)技術(shù)的快速開(kāi)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了巨大進(jìn)步。適合應(yīng)用于使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的場(chǎng)合,特別是需要在三維空間中表現(xiàn)仿真模擬過(guò)程或結(jié)果且需實(shí)時(shí)交互時(shí),具有很大優(yōu)勢(shì)。最初,虛擬技術(shù)是美國(guó)航空航天局與軍事部門(mén)為了模擬訓(xùn)練而開(kāi)發(fā)的。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被運(yùn)用在教育教學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、游戲產(chǎn)業(yè)、工程制造、航空航天、軍事仿真、科學(xué)研究、娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、房產(chǎn)開(kāi)發(fā)、文物古跡展示、能源開(kāi)發(fā)、軌道交通等各個(gè)領(lǐng)域中。開(kāi)展趨勢(shì)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)1.市場(chǎng)初級(jí)，但顯現(xiàn)巨大潛力2.工程進(jìn)展迅速，大局部在初級(jí)階段開(kāi)展趨勢(shì)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)3.認(rèn)知度不高，用戶不愿付費(fèi)4.內(nèi)容和舒適感，成為關(guān)注主流開(kāi)展趨勢(shì)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。為滿足應(yīng)用領(lǐng)域的新需求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究遵循“低本錢(qián)、高性能〞的原那么，表現(xiàn)出一些新的開(kāi)展趨勢(shì)。如：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)；實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示技術(shù)；適人化、智能化人機(jī)交互設(shè)備的研制；大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)的研究與應(yīng)用；計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和圖形處理速度的開(kāi)展將促進(jìn)其普及；更真實(shí)的虛擬環(huán)境，更先進(jìn)的交互系統(tǒng)；更先進(jìn)的軟件技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)新興的科學(xué)技術(shù)，它與許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，應(yīng)用前景也非常廣闊。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速開(kāi)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將更為廣泛地為人類(lèi)的生產(chǎn)生活帶來(lái)全新的面貌。待解難題：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)價(jià)格問(wèn)題：大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備較昂貴，高昂售價(jià)阻礙了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的普及。性能問(wèn)題：對(duì)幀數(shù)、畫(huà)面清晰度等要求較高，電腦資源消耗較大。舒適問(wèn)題：因需傳輸大量數(shù)據(jù)，大多數(shù)廠商使用傳統(tǒng)線纜，線纜較多；頭戴式設(shè)備質(zhì)量較大，會(huì)產(chǎn)生沉重的墜壓感；長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)產(chǎn)生眩暈感、易疲勞。繁瑣的三維建模：基于圖形的虛擬環(huán)境首先要解決三維造型問(wèn)題，大局部模型仍由人工繪制，且需聘請(qǐng)高水平的專(zhuān)業(yè)人士。數(shù)據(jù)量大：虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量非常大，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)速度較慢的情況下，等待時(shí)間較長(zhǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中應(yīng)考慮數(shù)據(jù)壓縮問(wèn)題。缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：該技術(shù)應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，而對(duì)于這個(gè)平臺(tái)大家都有各自的演示方法。沒(méi)有真正進(jìn)入虛擬世界的方法：通過(guò)線纜連接到虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備上，限制了使用者的活動(dòng)范圍。VR與AR：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR（VirtualReality）AR（AugmentedReality）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)、無(wú)限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。通俗說(shuō)來(lái)就是你看到的所有東西都是計(jì)算機(jī)生成的，都是虛假的純虛擬畫(huà)面。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)電腦技術(shù)，將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)世界，“在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界，并進(jìn)行互動(dòng)〞。不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息,而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)VR：在夢(mèng)里見(jiàn)到了鬼！AR：在現(xiàn)實(shí)中見(jiàn)到了鬼！VR與ARPart2制造業(yè)制造業(yè)制造業(yè)：是指對(duì)制造資源〔物料、能源、設(shè)備、工具、資金、技術(shù)、信息和人力等〕，按照市場(chǎng)要求，通過(guò)制造過(guò)程，轉(zhuǎn)化為可供人們使用和利用的大型工具、工業(yè)品與生活消費(fèi)產(chǎn)品的行業(yè)。制造業(yè)的開(kāi)展水平直接表達(dá)了一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)力水平，是區(qū)別開(kāi)展中國(guó)家和興旺國(guó)家的重要因素，制造業(yè)在世界興旺國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要份額。制造業(yè)包括：產(chǎn)品制造、設(shè)計(jì)、原料采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸、訂單處理、批發(fā)經(jīng)營(yíng)、零售。在主要從事產(chǎn)品制造的企業(yè)〔單位〕中，為產(chǎn)品銷(xiāo)售而進(jìn)行的機(jī)械與設(shè)備的組裝與安裝活動(dòng)。制造業(yè)我國(guó)制造業(yè)存在的問(wèn)題和考驗(yàn)：“五大問(wèn)題〞：①創(chuàng)新能力薄弱；④傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩；②核心技術(shù)匱乏；⑤大而不強(qiáng)。③資源浪費(fèi)，環(huán)境污染；“雙向壓迫〞：①興旺國(guó)家“再工業(yè)化〞；②新興國(guó)家本錢(qián)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯。內(nèi)憂外患〔1〕我國(guó)制造業(yè)本身存在一些問(wèn)題；〔2〕興旺國(guó)家利用既有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不斷增強(qiáng)其先進(jìn)制造業(yè)在全球價(jià)值鏈的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；〔3〕新興經(jīng)濟(jì)體憑借其廉價(jià)的勞動(dòng)力本錢(qián)優(yōu)勢(shì)，也不斷提升其制造業(yè)在全球的影響力；制造業(yè)?中國(guó)制造2025?提出“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色開(kāi)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本〞根本方針，“三步走〞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)：①2025年邁入制造強(qiáng)國(guó)行列；②2035年中國(guó)制造業(yè)整體到達(dá)世界制造強(qiáng)國(guó)陣營(yíng)中等水平；③新中國(guó)成立一百年時(shí)，綜合實(shí)力進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)前列。德國(guó)提出“工業(yè)4.0〞概念及模式。作為全球制造裝備的“領(lǐng)頭羊〞，德國(guó)制造業(yè)擁有強(qiáng)大的設(shè)備和車(chē)間制造工業(yè)，在信息技術(shù)領(lǐng)域、嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)化工程方面有非常專(zhuān)業(yè)的技術(shù)。美國(guó)推出了先進(jìn)制造業(yè)回歸方案。“美國(guó)公司合作關(guān)系對(duì)于美國(guó)研發(fā)世界前沿技術(shù)起到關(guān)鍵作用。而美國(guó)鼓勵(lì)嘗試制造企業(yè)和教育、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作辦學(xué)的人才培養(yǎng)方式，為教育和培訓(xùn)各個(gè)層次的學(xué)生、工人提供獨(dú)特的時(shí)機(jī)。〞日本制造也提出了“產(chǎn)業(yè)振興〞戰(zhàn)略。安倍政府上臺(tái)后，提出了“安倍經(jīng)濟(jì)學(xué)〞戰(zhàn)略，其三項(xiàng)主要內(nèi)容除金融量化寬松和財(cái)政刺激舉措之外，就是“產(chǎn)業(yè)振興〞。2021年，英國(guó)政府就推出“高價(jià)值制造〞戰(zhàn)略，希望鼓勵(lì)英國(guó)企業(yè)在外鄉(xiāng)生產(chǎn)更多世界級(jí)的高附加值產(chǎn)品，以加大制造業(yè)在促進(jìn)英國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的作用。各國(guó)制造業(yè)戰(zhàn)略：我國(guó)制造業(yè)開(kāi)展方向：智能化如果說(shuō)第一次工業(yè)革命是蒸汽革命，那么所謂“第四次工業(yè)革命〞就是智能革命。在中國(guó)，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)階段還有待時(shí)日，但在2021年發(fā)布的相關(guān)政策中，智能化已寫(xiě)入有關(guān)文件，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然方向。0102互聯(lián)網(wǎng)＋“互聯(lián)網(wǎng)＋〞是把互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合，提升實(shí)體經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，形成更廣泛的以互聯(lián)網(wǎng)為根底設(shè)施和創(chuàng)新要素的經(jīng)濟(jì)社會(huì)開(kāi)展新形態(tài)。推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合，實(shí)際上就是打造“互聯(lián)網(wǎng)＋〞。0304綠色開(kāi)展?中國(guó)制造2025?提出制造業(yè)綠色開(kāi)展的要求。加大先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)力度，加快制造業(yè)綠色改造升級(jí)；積極推行低碳化、循環(huán)化和集約化，提高制造業(yè)資源利用效率；強(qiáng)化產(chǎn)品全生命周期綠色管理，努力構(gòu)建高效、清潔、低碳、循環(huán)的綠色制造體系。效勞化制造業(yè)效勞化是制造業(yè)開(kāi)展的必然趨勢(shì)，而且當(dāng)前制造業(yè)流行的所謂的“自動(dòng)化改造方案〞等等各種方案，以及一些企業(yè)所冠名的“效勞供給商〞，本身就具有效勞化的成分。應(yīng)該說(shuō)，以產(chǎn)品效勞客戶早已過(guò)時(shí)，未來(lái)的客戶需要的是一整套的效勞方案。開(kāi)展方向制造業(yè)Part3應(yīng)用分析應(yīng)用分析為適應(yīng)變化迅速的市場(chǎng)需求，企業(yè)必須考慮先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)施途徑，以保證產(chǎn)品研制質(zhì)量、降低開(kāi)發(fā)本錢(qián)、縮短設(shè)計(jì)周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的開(kāi)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步，全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已成為制造業(yè)開(kāi)展的重要特征，越來(lái)越多的企業(yè)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用數(shù)字化技術(shù)，用數(shù)字模型代替眾多昂貴的實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。數(shù)字模型是根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中所有技術(shù)數(shù)據(jù)完成的，工程技術(shù)人員用其代替實(shí)體原型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析、人機(jī)工程學(xué)的研究、碰撞測(cè)試等。但這些研究分析過(guò)程中，技術(shù)人員不能與虛擬對(duì)象進(jìn)行真實(shí)互動(dòng)，無(wú)沒(méi)法得到精確反響，一些研發(fā)數(shù)據(jù)缺乏可信度，尤其是在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配拆卸與維護(hù)的研究時(shí)，因此開(kāi)展受到了一定的限制。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)〔VR〕為解決以上問(wèn)題創(chuàng)造了良好條件，并引起了生產(chǎn)領(lǐng)域中方法和觀念上的變革。〔1〕虛擬制造技術(shù)：以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為根底，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、使用整個(gè)生命周期的模擬和仿真；〔2〕模擬產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)：如波音777飛機(jī)外型設(shè)計(jì)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)建模的外形設(shè)計(jì)后,可隨時(shí)修改和評(píng)測(cè),方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設(shè)計(jì)、仿真和加工，或用于廣告；〔3〕模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可直觀地進(jìn)行設(shè)計(jì),防止?jié)撛诘母深A(yù)等問(wèn)題；〔4〕虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)：用數(shù)字化試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿〈鷮?shí)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真、分析，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、測(cè)試、制造等整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程；〔5〕虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)：把虛擬技術(shù)用于試驗(yàn)研究中，通過(guò)交互改變參數(shù)、條件等，來(lái)模擬真實(shí)試驗(yàn)；〔6〕虛擬維修：現(xiàn)在許多國(guó)家的航空公司都在進(jìn)行用于飛機(jī)檢測(cè)人員培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以期提高飛機(jī)檢測(cè)質(zhì)量和可靠度的培訓(xùn)。應(yīng)用分析VR在制造業(yè)中的應(yīng)用：虛擬制造虛擬制造技術(shù)〔virtualmanufacturingtechnology,VMT〕是近些年來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一門(mén)新興技術(shù)，是許多先進(jìn)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的綜合集成與應(yīng)用，它以數(shù)字化建模技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，分析優(yōu)化技術(shù)為根底，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段或產(chǎn)品制造之前，實(shí)時(shí)、并行地模擬出產(chǎn)品的未來(lái)制造全過(guò)程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、本錢(qián)和可制造性，以到達(dá)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和本錢(qián)的最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最高化之目的。“虛擬〞是相對(duì)于實(shí)物產(chǎn)品的實(shí)際制造系統(tǒng)而言，它強(qiáng)調(diào)制造系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的計(jì)算機(jī)化。虛擬制造是實(shí)際制造的抽象，生產(chǎn)出的是全數(shù)字化產(chǎn)品，是在計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和相關(guān)軟件系統(tǒng)中進(jìn)行的制造，所處理的對(duì)象是有關(guān)產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)，處理結(jié)果是全數(shù)字化產(chǎn)品，而不是真實(shí)的物質(zhì)產(chǎn)品。虛擬制造特點(diǎn)：〔1〕無(wú)須制造實(shí)物樣機(jī)就可預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，節(jié)約制造本錢(qián)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；〔2〕產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中可以及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的反響和更正；〔3〕以軟件模擬形式進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)；〔4〕企業(yè)管理模式基于Intranet或Internet,整個(gè)制造活動(dòng)具有高度的并行性。虛擬制造分類(lèi)：ABC為設(shè)計(jì)者提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所需的制造信息，從而使設(shè)計(jì)最優(yōu)。設(shè)計(jì)部門(mén)和制造部門(mén)之間在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持下協(xié)同工作，以統(tǒng)一制造信息模型為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真與分析、優(yōu)化，從而在設(shè)計(jì)階段就可對(duì)所設(shè)計(jì)零件甚至整機(jī)進(jìn)行加工工藝分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、可裝配性分析等可制造性分析。A.以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造為工藝師提供虛擬的制造車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備，分析改進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)工藝，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造過(guò)程的最優(yōu)。在現(xiàn)有的企業(yè)資源（如設(shè)備、人力、原材料等）條件下，對(duì)產(chǎn)品的可生產(chǎn)性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，對(duì)制造資源和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化組合，通過(guò)提供精確生產(chǎn)成本信息對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度進(jìn)行合理化決策。B.以生產(chǎn)為中心的虛擬制造提供從設(shè)計(jì)到制造一體化的虛擬環(huán)境，對(duì)全系統(tǒng)的控制模型及現(xiàn)實(shí)加工過(guò)程進(jìn)行仿真，允許評(píng)價(jià)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃和控制策略。以全局優(yōu)化和控制為目標(biāo)，對(duì)不同地域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、加工制造等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加以連接和控制。C.以控制為中心的虛擬制造虛擬設(shè)計(jì)：①產(chǎn)品建模；②產(chǎn)品異地設(shè)計(jì)；③產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)；④產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)；⑤零部件分析優(yōu)化；⑥可制造性評(píng)價(jià)；⑦快速原型。虛擬制造：①生產(chǎn)工藝優(yōu)化；②工具設(shè)計(jì)優(yōu)化；③刀位控制參數(shù)優(yōu)化；④刀位軌跡參數(shù)優(yōu)化；⑤加工方案評(píng)估；⑥虛擬實(shí)驗(yàn)；⑦虛擬檢測(cè)；⑧工藝模型驗(yàn)證、產(chǎn)品模型實(shí)驗(yàn)：虛擬機(jī)床。虛擬生產(chǎn)：①生產(chǎn)方案仿真優(yōu)化；②虛擬生產(chǎn)布局；③虛擬設(shè)備集成；④虛擬裝配；⑤虛擬生產(chǎn)平臺(tái)效勞器。虛擬企業(yè)：①虛擬企業(yè)平臺(tái)效勞器；②企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境；③企業(yè)虛擬運(yùn)行；④企業(yè)運(yùn)行仿真。虛擬制造體系結(jié)構(gòu)：虛擬制造1.虛擬設(shè)計(jì)：虛擬設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)階段采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使設(shè)計(jì)人員可隨時(shí)看到并修改三維的作品，讓設(shè)計(jì)人員更專(zhuān)注于產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。虛擬設(shè)計(jì)是用數(shù)字模型來(lái)代替物理原型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的分析與評(píng)價(jià)，以產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)〔CAD〕模型為根底，以領(lǐng)域知識(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等為支撐，應(yīng)用不同分析方法檢驗(yàn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果。在廣義上，虛擬設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造。特點(diǎn):〔1〕虛擬設(shè)計(jì)的核心是表達(dá)了產(chǎn)品原型的全數(shù)字化；〔2〕它是在多學(xué)科集成的根底上實(shí)現(xiàn)的；〔3〕通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)師提供更為直觀的交互。虛擬制造虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上模擬設(shè)備的連續(xù)裝配過(guò)程，如何有效地模擬實(shí)際裝配過(guò)程是虛擬裝配的目的。虛擬裝配技術(shù)以可視化方式展示設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可裝配性，同時(shí)還可通過(guò)對(duì)零部件形狀進(jìn)行改進(jìn)以降低裝配的復(fù)雜性。在廣義上，虛擬裝配對(duì)應(yīng)于以控制為中心的虛擬制造。2.虛擬裝配：虛擬制造2.虛擬裝配：虛擬裝配11232自頂向下〔top-down〕裝配以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配自底而上〔down-top〕裝配以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配以虛擬原型為中心的虛擬裝配依據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和目的依據(jù)設(shè)計(jì)方式虛擬制造3.虛擬企業(yè)：虛擬企業(yè)〔VirtualEnterprise〕，是當(dāng)市場(chǎng)出現(xiàn)新機(jī)遇時(shí)，具有不同資源與優(yōu)勢(shì)的企業(yè)為了共同開(kāi)拓市場(chǎng)，共同對(duì)付其他的競(jìng)爭(zhēng)者而組織的、建立在信息網(wǎng)絡(luò)根底上的共享技術(shù)與信息，分擔(dān)費(fèi)用，聯(lián)合開(kāi)發(fā)的、互利的企業(yè)聯(lián)盟體。虛擬企業(yè)的出現(xiàn)常常是參與聯(lián)盟的企業(yè)追求一種完全靠自身能力達(dá)不到的超常目標(biāo)，即這種目標(biāo)要高于企業(yè)運(yùn)用自身資源可以到達(dá)的限度。虛擬企業(yè)具有集成性和實(shí)效性?xún)纱筇攸c(diǎn)。在面對(duì)多變的市場(chǎng)需求時(shí)，虛擬企業(yè)具有加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)本錢(qián)、快速響應(yīng)用戶需求、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期等優(yōu)點(diǎn)。因此，虛擬企業(yè)是快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的部隊(duì)，能在商戰(zhàn)中為企業(yè)準(zhǔn)時(shí)把握機(jī)遇。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為根底，集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、并行工程、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為一體，用數(shù)字化試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿〈鷮?shí)物試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真、分析，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、測(cè)試、制造等整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中進(jìn)行映射，利用其交互性、沉浸性和想象性到達(dá)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境的高度逼真化，使顧客直接參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，身臨其境地測(cè)試產(chǎn)品性能和真實(shí)感受產(chǎn)品的使用性能，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化和一次性開(kāi)發(fā)成功的目的，有效提高汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)本錢(qián)。應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以快捷地建立產(chǎn)品的模型族，可實(shí)現(xiàn)并行的、閉環(huán)的工作模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。最大限度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低本錢(qián)。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)〔又稱(chēng)VR〕等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、局部替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)工程，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上，而注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫(kù)和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于高校教師、學(xué)生、企業(yè)研究部門(mén)、研究院等進(jìn)行某些實(shí)驗(yàn)具有重要的作用。應(yīng)用分析VR應(yīng)用：波音公司曾投資40億美元研制波音777噴氣式客機(jī)，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完成，開(kāi)發(fā)周期從過(guò)去8年縮短了5年。從1990年