按虚拟制造技术的功能可分为：面向产品的虚拟制造技术和面向生产过程组织管理的虚拟制造技术。前者着重于产品的设计、制造、使用、检验及评价的建模与仿真，后者则着重于生产过程的计划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模与仿真。

　　虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉和触觉等的感受象是在真实的环境中一样，即有“身临其境”的感觉，人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”、“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，他只是一种图象和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品，我们可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的生命周期的上游 设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为我们实施并行工程、敏捷制造，减少失误和返工、缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。可见，虚拟现实技术与面向产品的虚拟制造技术的关系最为密切。

　　虚拟现实技术是80年代才刚刚提出来的，随着计算机技术的迅速发展，是在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展、很快进入实用阶段，尤其在军事、娱乐方面首先获得的成功应用是令人振奋的。现在的情况是，一方面，其软、硬件技术的发展日新月异；另一方面，其软、硬件的价格惊人地高，而价格下跌之快也十分惊人，还有些技术尚处于初级阶段，并不能令人满意，软件功能也不能满足需要。

　　在现有的条件和技术的基础上，如何充分地发挥虚拟现实技术的作用，为我们的制造业作出有益的贡献，是我们的责任。

　　1、虚拟现实技术的基本要求

　　从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占人们获取的信息量的70%，其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果，满足人的视觉和听觉习惯，虚拟环境的图象和声响应是三维立体的；为了达到实时性，图象至少应有60 120Hz的帧频，还要随时响应人们的操纵信号，延迟不能超过0.1秒。因此，虚拟现实技术对计算机的计算处理速度和显示器的要求很高，多数系统和高质量的系统都是在工作站上开发的，并要配备高级图形加速卡。但这两年，微机性能大幅度提高，已经在微机上实现了较高质量的虚拟现实技术。成本降低和微机的普及性，将大大推动该技术的应用与发展。

　　人们通过视觉获得外界物体的形状、空间位置和速度，要通过人的静态、动态和生理的立体深度线索来获取。静态深度线索主要是空间内物体的位置、遮挡关系、大小和清晰度等，这在我们的三维造型的投影关系中已经考虑进去了。物体运动产生的动感和位置变化，就要求计算机必须实时地计算和处理图象，只有超出人的视觉暂留时间，一般不少于30帧/秒，才能获得平滑稳定的图象，而不会出现闪烁。这就是我们目前的一般三维动画所要求和应达到的。但这样的三维图形和动画在屏幕上是二维显示的，就象我们用一只眼睛看物体，缺乏物体的深度感和立体感。实践表明，人的双目视差对物体的深度感起决定的作用。要达到自然的物体立体效果，就必须用“两只眼睛”看物体。

　　在计算机虚拟环境中的图象，就必须将人的两只眼睛的图象分开计算和处理，相应地要求有分开的图象显示。目前常用的是头盔式显示器，但较高高分辨率的头盔式显示器价格超过$50000。在桌面虚拟环境中，是在普通显示器上显示双图象或交替显示双目图象，再通过光阀眼镜分离两眼看到的图象。因此，采用双目图象交替显示时，显示器的帧频必须是普通显示方式的两倍以上。再考虑到光阀眼镜的延迟，帧频不少于80Hz才不出现闪烁现象。

　　双目分开的图象就要求计算机必须实时计算和处理80帧/秒以上的图象。这个实时性要求是很高的，故多采用工作站作为主机。在微机上的游戏软件中，以前的方法是采用很低的分辨率和二维图象。随着微机速度的提高，目前可以采用三维图象，但分辨率仍很低。采用高档图形加速卡，可以大大加快计算速度，可以达到32bit彩色、1600*1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s纹理，已经使得微机平台上的虚拟现实技术进入了实用阶段。

　　在制造技术上，一般对声响的要求较低。而在军事实时对抗训练等虚拟现实系统中，空间立体声效果是必须的了。

　　在桌面虚拟环境中，人机交互的操纵器主要是普通鼠标、6自由度鼠标、数据手套、操纵杆。数据服、大型投影球幕等使用于更完善的虚拟现实系统中。

　　虚拟现实系统的软硬件价格是较高的。为此，根据不同的用途和需要，可配置不同的系统，适当的沉浸深度的虚拟环境才不会使系统过于复杂及成本、维护的负担过重。例如，用于汽车外形造型设计的系统，重点在显示高质量的立体图象，而听觉和触觉的要求很低，用普通鼠标进行操纵即可，实时性也要求不高。再如，零件装配模拟中，除了图象外，可操纵性要求较高，可配备6自由度鼠标和数据手套等。在车辆、飞机模拟训练等虚拟现实系统中，要求有宽阔的视野、实时的操纵系统、逼真的声响效果。不仅要快速响应人们的操纵信号，还要实现人们对力、位移等的触觉反馈的仿真。

　　2、虚拟现实系统的应用

　　虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐与漫游等方面获得成功的应用。例如：用于宇航员、飞行员训练的座舱系统、战场实时演练系统（虚拟战场）等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用，可大大提高产品的技术水平，例如：波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和建筑物的漫游等。目前应用效果最好是下面几个方面：

　　 (1) 产品的外形设计
　　例如：汽车外形造型设计是汽车的一个极为重要的方面，以前多采用泡沫塑料制作外形模型，要通过多次的评测和修改，费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其它产品（如：飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等）外形设计中，均有极大的优势。

　　(2) 产品的布局设计
　　在复杂产品的布局设计中，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它不合理问题。例如，工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等，都需要该技术的支持。在复杂的管道系统、液压集流块设计中，设计者可以“进入”其中进行管道布置，检查可能的干涉等错误。在汽车、飞机的内部设计中，“直观”是最有效的工具，虚拟现实技术可发挥不可替代的积极的作用。

　　(3) 机械产品的运动仿真

　　在产品设计阶段中必须解决运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。

　　(4) 产品装配仿真
    机械产品中有成千上万的零件要装配再一起，其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误，往往要到产品最后装配时才能发现，造成零件的报废和工期的延误，不能及时交货造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证，保证设计的正确。

　　(5) 产品加工过程仿真
　　产品加工是个复杂的过程。产品设计的合理性、可加工性、加工方法和机床的选用、加工过程中可能出现的加工缺陷等，有时在设计时是不容易发现和确定的，必须经过仿真和分析。例如，冲压件的形状或冲压模具设计不合理，可能造成冲压件的翘曲和破裂，造成废品。铸造件的形状或模具、浇口设计不合理，容易产生铸造缺陷，甚至报废。机加工件的结构设计不合理，可能产生无法加工、或者加工精度无法保证、或者必须采用特种加工，增加了加工成本和加工周期。通过仿真，可以预先发现问题，采取修改设计或其他措施，保证工期和产品质量。

　　(6) 虚拟样机与产品工作性能评测

　　设计、重新制造等一系列的反复试制过程，许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。这时，多数问题是无法更改的，修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求，试制周期长，费用高。而采用虚拟制造技术，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术，可以方便、直观地进行工作性能检查。例如，美国的John Deere公司，采用该技术，对新产品 反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真，结果否定了其中的两个方案，节约了大量的研制经费。

　　(7) 产品广告与漫游

　　用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，广告效果很好。例如，在internet网络上某复印机的产品介绍和用户使用说明，可在网上进行操作：复印、打开复印机侧板显示内部结构，更换墨盒，清洁磁鼓，去除卡着的纸，关上侧板等，生动、直观。

　　漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图纸和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。

　　3、虚拟现实环境下的产品制造技术
    虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展中，虚拟现实的环境软件相对较成熟，如WTK、dVISE、VRT等，而用于机械设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散，两者之间的连接尚不成熟，是研究和开发的热点。如机械运动仿真、薄板冲压成型分析与仿真、零件加工和装配仿真等。目前，基于特征的3D建模技术正逐渐进入实用并开始推广应用，为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境，必须进行转换和数据处理。

     我们根据本单位的产品立体停车库，建立了一套虚拟现实环境下的参数设计系统，其中包括：车库布局设计、车库类型选择、车库设计和车库工作演示系统，初步实现了参数化虚拟设计。该系统采用VC和 OpenGL进行编程，其中的复杂模型采用AUTOCAD和3DS MAX进行建模。在这个虚拟设计软件中，采用参数化建模，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟，效果较好。

 机械产品有着自己的统一特征， 基于这些特征建立一套连接3D建模与虚拟环境的软件，有利于该技术在制造领域内的应用。

　　4、结论
    面向产品的虚拟制造技术是以三维建模和仿真技术为基础，以虚拟现实技术为支撑的全新的技术，是CAD/CAM/CAE技术的更高级阶段，近几年发展迅速。
    应用虚拟现实技术，工程师可以利用实时的视觉图象，更直观、更方便地进行产品的设计、布局、仿真、分析、可制造性检查、性能评价，快速、可靠地设计、制造出高质量的产品，满足市场竞争的需要。
    主要参考文献
    [1] 王成为等，灵境（虚拟现实）技术的理论、实现及应用，清华大学出版社，1996。
    [2] 廖朵朵等，OpenGL三维图形程序设计，星球地图出版社，1996。