机械数字化设计制造中虚拟现实技术的融合与实践

引言

机械数字化设计制造依托计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）等技术，已实现从二维图纸到三维模型的跨越，但在复杂结构可视化、人机交互效率、动态仿真精度等方面仍存在显著提升空间。虚拟现实技术通过构建沉浸式三维虚拟环境，支持用户以自然交互方式参与产品设计与制造全过程，为突破传统数字化设计的空间与逻辑限制提供了新路径。当前，VR 技术在机械领域的应用已从概念验证阶段转向工程实践，如何将其与 CAD/CAM/CAE 系统深度集成，形成标准化的融合应用模式，成为行业关注的重点。

一、机械数字化设计制造与虚拟现实技术的融合基础

（一）机械数字化设计制造的技术体系

机械数字化设计制造以三维建模技术为基石，通过参数化建模、自由曲面建模等手段，实现机械产品从概念到实体的数字化表达。参数化建模技术允许设计师通过修改关键参数，快速生成不同规格的零部件模型，如在汽车零部件企业的设计流程中，运用参数化建模技术可便捷调整齿轮传动系统的模数、齿数等核心参数，系统会自动同步更新整个装配体模型，极大提升设计效率。自由曲面建模则适用于复杂外形结构设计，例如航空发动机叶片的曲面造型，能够精准满足空气动力学要求 [1]。

数字孪生构建基于物理引擎，对零部件的动力学特性进行仿真，模拟实际工况下的受力、磨损情况。通过将材料属性、载荷条件等参数输入仿真模型，可预测零部件在不同工作场景下的性能表现，为结构优化提供数据支持。制造流程数字化涵盖工艺规划、数控编程等环节，通过构建统一的数据链，确保设计意图能够准确传递至生产环节。从设计阶段的三维模型，到工艺规划时的加工路线设计，再到数控编程生成机床可识别的代码，整个过程实现数据的无缝流转。

（二）虚拟现实技术的核心功能适配性

VR 技术的沉浸式交互系统通过手势识别、力反馈设备，能够精准模拟机械装配操作中的力度与角度。以航空发动机叶片装配训练为例，学员佩戴力反馈手套，在虚拟环境中进行叶片安装操作时，手套可实时反馈操作力度，当力度过大或角度偏差时，会给予相应的力反馈提示，帮助学员掌握精密装配技巧，有效降低实际操作中的失误率。

实时渲染技术借助高精度材质映射与光照计算，将机械模型的表面纹理、内部结构清晰呈现。利用先进的渲染算法，可模拟金属的光泽、塑料的质感等不同材质特性，同时通过动态光照效果，展现模型在不同环境光下的视觉效果。空间定位技术的六自由度（6DoF）跟踪功能，支持工程师从任意角度观察复杂机械结构，突破传统视角限制，发现传统视角下难以察觉的设计缺陷，如内部管线干涉、装配空间不足等问题[2]。

（三）技术融合的理论框架

在数据层，需建立 CAD 模型与 VR 场景的高效转换机制，确保模型在格式转换过程中几何精度与语义信息不丢失。目前常用的转换格式有 STEP、IGES 等，通过开发专门的数据转换接口，实现 CAD 模型到 VR 场景的平滑过渡。功能层通过开发 VR 交互模块与 CAE 分析工具的接口，实现设计修改与仿真结果的实时联动。当设计师在 VR 环境中对模型进行修改后，CAE 分析工具可自动更新仿真参数，重新计算并反馈结果，减少人工操作步骤，提高设计效率。应用层则围绕人机工程学验证、设计决策支持等场景，构建基于 VR 的协同工作平台，支持多部门、多用户同时在线协作，共同参与产品设计与评审。

二、虚拟现实技术在机械数字化设计中的实践应用

（一）产品概念设计与虚拟原型构建

在 VR 环境下，设计师可通过手势操作直接调整参数化模型的尺寸、形态。以某工程机械企业的挖掘机驾驶室设计为例，设计师利用 VR 技术，无需借助复杂的 CAD 软件操作界面，直接在虚拟空间中拖拽、拉伸模型，快速验证不同座椅布局对操作员视野与舒适度的影响。传统设计方式下，完成一轮设计迭代可能需要 2 周时间，而借助 VR 技术，将设计迭代周期大幅缩短至 3 天。基于 VR 的多方案快速比选系统支持多人协同评审，通过三维标注功能直接在模型上标记修改意见，不同设计师、工程师之间可实时交流，大幅提升沟通效率，避免因信息传递不畅导致的设计错误 [3]。

（二）虚拟装配工艺规划与验证

虚拟装配工艺规划借助物理引擎模拟零部件的装配顺序与运动轨迹，自动检测干涉问题。在高铁转向架装配过程中，通过 VR 仿真，提前发现螺栓安装空间不足的问题，避免了实际生产中的设计返工，节省大量时间和成本。复杂装配操作培训系统利用 VR 的沉浸特性，让新员工在虚拟环境中反复练习精密操作。新员工可在无风险的虚拟场景中，多次尝试不同的装配步骤，熟悉操作流程，培训效率相比传统方式提升 40% ，且能快速掌握复杂装配技巧。

（三）数字化样机动态性能分析

VR 与 CAE 协同仿真模式可实时加载有限元分析结果，以应力云图、变形动画等形式直观展示。在汽车悬挂系统设计中，工程师佩戴 VR 设备，进入虚拟场景观察不同工况下的部件应力分布。通过直观的视觉呈现，工程师能够迅速判断结构薄弱环节，辅助优化结构设计，如调整零部件的厚度、形状等。多物理场耦合仿真的沉浸式交互功能，使流体动力学、热力学等复杂现象的分析更加直观。例如，在发动机冷却系统设计中，通过 VR 技术可观察冷却液的流动状态、温度分布，帮助工程师优化冷却通道设计，提高散热效率。

三、虚拟现实技术在机械数字化制造中的实践应用

（一）制造工艺虚拟验证与优化

数控加工过程 VR 仿真能够完整呈现刀具路径、切削力变化，提前发现过切、欠切问题。某精密模具制造企业通过 VR 仿真优化铣削参数，将加工效率提升 25% ，废品率降低 12% 在仿真过程中，工程师可实时调整切削速度、进给量等参数，观察加工效果，找到最优加工方案。在焊接、铸造等特种工艺中，VR 技术可模拟熔池流动、应力变形，辅助工艺参数优化。例如，在大型船舶的焊接工艺设计中，通过 VR 仿真模拟不同焊接顺序、焊接电流下的变形情况，提前制定变形控制措施，保证焊接质量。

通过将虚拟现实技术与计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺规划（CAPP）等数字化工具深度融合，工程师能够在虚拟环境中对复杂的机械制造工艺进行高度逼真的模拟与验证。具体而言，无论是切削加工中刀具路径的规划、切削参数的设定，还是焊接过程中热输入的控制、变形的预测，亦或是装配环节中零件干涉的检查、装配顺序的合理性，都可以在虚拟现实平台中构建出精确的数字孪生模型，并进行全流程的沉浸式仿真。操作人员佩戴VR 头显，可以直观地“进入”虚拟的制造现场，从任意角度观察工艺过程，实时监测关键参数的变化，如温度、应力、变形量等，甚至能够模拟操作机器人的运动轨迹，提前发现潜在的碰撞风险或操作瓶颈。这种虚拟验证不仅能够有效识别并规避在实际生产中可能出现的工艺缺陷，如加工精度不足、焊接裂纹、装配困难等问题，更能为工艺参数的优化提供直观的数据支持。工程师可以在虚拟环境中快速尝试多种不同的工艺方案，对比分析其效果，通过反复迭代，找到最优的工艺参数组合和流程设计，从而显著减少物理样机的制作次数和现场调试时间，降低制造成本，提升产品质量的稳定性和一致性，加速新产品的上市周期。

（二）生产线布局与物流规划

三维工厂虚拟建模结合 VR 技术，可直观评估生产线布局的合理性与物流路径的流畅性。某电子制造企业利用 VR 调整 AGV 运行路线，通过在虚拟环境中模拟 AGV 的行驶过程，发现原有路线存在的拥堵点和无效路径，对路线进行优化后，使车间物流效率提升 18% 。沉浸式验证功能帮助工程师发现空间冲突、设备操作盲区等问题，如设备之间的安全距离不足、操作人员的操作空间受限等，及时调整布局方案，避免实际生产中的空间浪费和安全隐患。

（三）质量检测与维护支持

基于 VR 的质量检测系统将三坐标测量数据与 CAD 模型叠加显示，通过颜色编码快速定位尺寸偏差区域。在产品检测过程中，检测人员佩戴 VR 设备，可清晰看到实际测量数据与设计模型的差异，快速判断产品是否合格，以及不合格的具体位置和程度。在设备维护环节，AR/VR 辅助系统提供可视化拆解指引，减少维修时间与人为失误。在大型发电机组检修中，维修人员借助 AR/VR 技术，按照系统提供的拆解步骤和提示进行操作，使平均维修时长缩短 30% ，同时降低因操作不当导致的设备损坏风险。

四、技术融合的挑战与应对策略

（一）关键技术瓶颈

大规模机械模型的实时渲染面临性能瓶颈，随着机械产品复杂度的增加，模型包含的几何元素数量庞大，对计算机硬件性能要求极高。为解决这一问题，需采用多细节层次（LOD）模型构建技术，根据观察距离动态调整模型精度。当用户远离模型时，使用低精度模型以减少计算量；当用户靠近模型进行细致观察时，自动切换为高精度模型，保证视觉效果。异构数据兼容性问题可通过建立统一的数据交换标准解决，如将 STEP-NC（面向数控加工的STEP 标准）与 VRML（虚拟现实建模语言）进行集成，实现不同软件系统之间的数据共享与交互。

（二）工程实践难点

VR 硬件设备的高成本与车间复杂环境的适配性限制了其大规模应用。目前高端 VR 设备价格昂贵，增加了企业的投入成本，且车间环境中存在油污、粉尘、电磁干扰等因素，对VR 设备的耐用性和稳定性提出挑战。因此，需研发轻量化、耐用型 VR 终端，使其能够适应车间恶劣环境。人机交互逻辑缺乏统一标准，不同企业、不同软件的 VR 交互方式存在差异，导致用户学习成本增加。建议行业协会牵头制定机械操作 VR 交互规范，统一操作手势、界面布局等交互元素，提升用户体验一致性。

五、融合实践的效果评估与行业影响

（一）量化指标分析

某工程机械企业应用 VR 技术后，产品研发周期从 12 个月缩短至 8 个月，研发周期缩短了 33% ，主要得益于 VR 在概念设计、虚拟装配等环节的高效应用。试错成本降低 600 万元，通过虚拟验证减少了物理样机制作、设计返工等费用。虚拟装配验证使物理样机制作成本减少 60% ，设计变更效率提升 50% ，这些数据直观体现了 VR 技术的显著经济效益。

（二）行业应用趋势

未来，VR 技术将从单机应用向云端协同平台发展，支持跨地域团队实时协作。企业可在云端存储产品设计模型、仿真数据等资源，不同地区的设计团队、生产部门可同时访问和操作，实现真正的协同设计与制造。结合 5G、边缘计算技术，远程协同制造模式将成为现实，专家可远程指导生产现场操作，解决技术难题，推动机械制造向智能化、柔性化方向演进。

虚拟现实技术与机械数字化设计制造的融合，通过构建沉浸式、交互式的虚拟环境，实现了产品设计制造全流程的可视化升级。从概念设计到生产维护，VR 技术在提升决策效率、降低工程风险、优化人机协作等方面展现出显著价值。未来，随着硬件成本下降、算法精度提升及行业标准的完善，VR 技术将进一步融入数字孪生体系，推动机械制造向 “虚实融合、实时优化”的智能范式转型。企业需重视 VR 技术与现有数字化系统的集成规划，通过工艺创新与人才培养，充分释放技术融合的潜在效益。

参考文献

[1] 谭建荣, 刘飞. 基于VR 的数字化工厂设计与工艺验证系统[J]. 计算机集成制造系统,2022, 28(9): 2101-2112.

[2] 卢秉恒 , 李涤尘 . 虚拟现实与增材制造融合的设计方法研究 [J]. 中国机械工程 , 2021,32(18): 2145-2156.

[3] 王田苗 , 陶波 . 人机协同虚拟装配技术研究进展 [J]. 机器人 , 2023, 45(3): 257-269.