产品虚拟设计

随着科学的发展与信息技术的应用，虚拟设计技术已经开始使用于企业的生产与制造之中，使虚拟设计技术得到有效的提升，加强了设计人员对虚拟设计技术的应用，特别是在企业进行新产品开发的设计与制造阶段。

虚拟产品设计是基于虚拟现实技术的新一代计算机辅助设计，是基于多媒体的、交互的渗入式或侵入式的三维计算机辅助设计，设计者不但能够直接在三维空间中通过三维操作、语言指令、手势等高度交互的方式进行三维实体建模和装配建模，并且最终生成精确的系统模型，以支持详细设计与变型设计，同时能在同一环境中进行一些相关分析，从而满足工程设计和应用需要。虚拟产品设计是建立在虚拟现实技术的基础之上的，虚拟现实技术具有以下特点：

1.沉浸性

使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，成为虚拟环境中的一员。使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用就如同在现实世界中一样。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化，拿起物体时可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。

2.交互性

虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。

3.多感知性

由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性的影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征，所以虚拟设计技术不仅在科技界，而且在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计，主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。就设计而言，传统设计的所有工作都是针对物理原型（或概念模型）展开的，而虚拟设计所有的工作都是围绕虚拟原型展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品必定能达到设计要求。就虚拟而言，传统设计的设计者是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计，而虚拟设计的设计者在沉浸或非沉浸环境中随时交互、实时、可视化地对原型进行反复改进，并能马上看到修改结果。一个虚拟设计系统具备三个功能：3D用户界面、选择参数、数据传送机制。

（1）3D用户界面设计者不再用2D鼠标或键盘作为交互手段，而是用手势、声音、3D虚拟菜单、球标、游戏操纵杆、触摸屏幕等多种方式进行交互。

（2）选择参数设计者用各种交互方式选择或激活一个在虚拟环境中的数据修改原来的数据，参数修改后，在虚拟环境中的模型也随之变成一个新的模型。

（3）数据传送机制模型修改后所生成的数据要传送到和虚拟环境协同工作的CAD/CAM系统中，有时又要将数据从CAD/CAM系统中返回到虚拟环境中，这种虚拟设计系统中包含一个独立的CAD/CAM系统，为虚拟环境提供建造模型的功能。在虚拟环境中所修改的模型有时还要返回到CAD/CAM系统中进行精确处理和再输出图形。因此，这种双向数据传送机制在一个虚拟设计系统中是必要的。

虚拟设计具有以下几个优点：

①继承了虚拟现实技术的所有特点；

②继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果；

③具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；

④支持协同工作和异地设计，有利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；

⑤便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。

虚拟设计与传统CAD/CAM系统的区别主要有：

①虚拟设计是以硬件的相对的高投入为代价的；

②CAD技术往往重在交互，设计阶段可视化程度不高，到原型生产出来后才暴露出问题；

③CAD技术无法利用除视觉以外的其他感知功能；

④CAD技术无法进行深层次的设计，如可装配性分析和干涉检验等。

基于虚拟现实技术的虚拟制造技术，是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，即将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真过程的实体数字模型之上。虚拟制造技术也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。

虚拟设计和制造技术的应用将会对未来的设计业与制造业（包含制造业的生产流程全过程，当然也包括其包装设计环节）的发展产生深远影响，它的重大意义主要表现为：

①运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真，使之达到前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。

②可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。

③在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确做出决策有着不可估量的影响，例如，可以对生产计划、交货期、生产产量等做出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。

④虚拟设计和制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道，模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用，例如，可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等。

思考题

1.论述未来产品设计的发展趋势。

2.说明绿色设计的定义和原则。

3.举例说明产品交互设计的意义。

4.阐述产品人性化设计的重要因素。

5.说明产品虚拟设计的特点。

6.说明产品通用化设计的概念和原则。