文/毛学刚 朱毅 张文超
随着当今世界经济和科学技术的迅速发展，市场竞争日益激烈化，用户需求也趋于多样化、个性化。能否对市场作出迅速的响应，生产出最大程度满足顾客要求的高质量、低成本的产品已成为竞争的焦点。在家具生产设备方面，如何缩短研发周期，降低产品成本，是推广家具生产设备以及推动生产机械化的一个关键要素。虚拟现实技术的出现为解决这些问题提供了有效的方法，并带来了生产领域中方法和观念上的变革。
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机仿真系统，它综合了计算机三维图形技术、计算机仿真技术、多传感交互技术、显示技术和网络技术等多种高新技术的成果，是一门融合多学科的交叉技术和前沿科学。目前，在家具生产设备研发过程中虚拟现实技术还没有得到深层次的应用，这应该引起业内人士的充分注意。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术（VR）出现于20世纪80年代末，由VPL公司的创始人 Jaron.Lanier提出，并于20世纪末传入我国。
1）什么是虚拟现实技术
虚拟现实技术是通过计算机生成一个以视觉为主的，包括听觉、触觉、嗅觉的逼真三维虚拟环境。人们带上特殊的头盔、数据手套等传感设备，便可以进入到虚拟环境中进行实时交互，获得“身临其境”的感受。它改变了过去人们要感受某一个环境就必须亲身经历其中的观念，革新了人类的认知手段并扩展了人类的认知领域。
一个虚拟现实系统一般由操作者、机器和人机接口3个基本要素组成。其中机器是指装有应用软件系统以生成用户能与之交互的三维虚拟环境的计算机；人机接口是把操作者和虚拟环境连接起来的传感与控制设备，包括位置跟踪器、传感乎套、数据衣、立体鼠标、头盔显示器和立体显示器等；而操作者当然就是我们人类了。
2）虚拟现实技术的特征
Burdea G和Coiffet是在1994年出版的“虚拟现实技术”一书中描述虚拟现实技术的3个基本特征――3I（Immersion、Interaction和Imagination）。Immersion（沉浸）是指计算机生成的虚拟环境，使人沉浸于其中。Interaction（交互）是指由虚拟现实技术生成的模型不是一个静态的世界，也不只是一个简单的单向动态世界，而是一个开放的动态世界，可以对人的输入做出实时的反应。Imagination（想象）是指传统的模型只能从图纸或静态的图像中了解设计者的思想，这种认识很呆板并且有时难以得到。而虚拟现实技术让用户“沉浸”其中，“直接”地感知事物，获得知识，形成新的概念。
虚拟现实技术与传统的CAD建模和仿真有很大的区别。传统的CAD建模主要是面向产品零部件的设计，主要目的是提高零部件的质量和性能，所生成的是单一的静态特征模型。而虚拟现实技术是面向系统的，以提高整体质量和性能并降低成本为主要目的来进行设计；传统的仿真不强调实时性，生成的场景不会随用户的视点而变化，而虚拟现实技术强调实时性、交互性以及感知方式的多样性，使用户能够“直接”地感知模型的功能和性能。
3）基于虚拟现实技术的产品开发过程
传统的产品开发过程是：设计（CAD建模）――样机制造――样机测试――反馈设计――正式生产。在这种开发模式中，物理样机的制造和测试是必须的。一旦在测试中发现某个环节出现问题，或者设计方案发生变化，就必须重新制造物理样机再进行测试。经过对物理样机反复的测试和设计、制造后，再进行正式的生产制造。很显然，这种模式在物理样机的反复设计、制造和测试中浪费了大量的人力物力，导致产品生产周期延长，成本提高。
基于虚拟现实技术的产品开发模式的主要特点是：在没有实际制造出物理样机以前，就可以对产品进行工程分析、性能分析、可装配性分析、工艺规划和优化设计等。由于不需要制造出物理样机，而采用由虚拟现实技术设计出来的虚拟样机代替，产品的反复设计、制造和测试也是在虚拟样机上进行。当出现问题时，只需在虚拟样机上改进，因此大大缩短了生产周期，节约了成本。
必须明确的是，基于虚拟现实技术的产品开发中的“虚拟”指：这种产品开发技术虽然不是真实的，却是“本质上的”。也就是说：基于虚拟现实技术的产品开发是反应产品本质基于计算机的数字化模型，它反应产品全生命周期的开发过程，可通过各种虚拟现实工具和仿真工具对产品进行各种分析和测试，并透过虚拟现实技术的“3I”属性来感受产品的功能和性能。
二、虚拟现实技术在家具生产设备设计中应用的必要性
在我国，传统机械的设计很大一部分是凭借经验进行类比设计，一般只进行静态分析而不注重动态特征的分析。正如上面所提到的，传统的产品设计和开发模式已经不能满足当今社会发展的需要。
虚拟现实技术于20世纪末传入我国以来，在军事、航空航天工程、建筑设计、医学和文化教育等方面取得了很大的发展。近年来，美国机械动力公司（MDI）开发的ADAMS软件在农业机械的虚拟设计方面被比较普遍的采用。它是世界上最广泛且最有权威的机械系统动力学仿真分析软件，能建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。军事和林业方面也正在采用CCGIS和Vega等软件进行虚拟仿真，并取得了很大成果。
由于虚拟现实技术进入我国的时间较晚，在家具生产设备设计过程中的应用还不广泛。早期的基于计算机的家具生产设备设计主要是利用计算机来生成零件或整机的二维或三维图形，也即是传统意义上的CAD建模。因此，家具生产设备的设计和开发模式必须进行重大的变革，包括静态和动态设计并重，基于计算机的优化设计，基于虚拟现实技术的虚拟产品开发、虚拟环境的生成、虚拟环境下实体行为的仿真等。
三、基于虚拟现实的家具生产设备设计流程
国外提出的一种基于虚拟现实技术的比较流行的设计方法是：利用现有的CAD系统产生模型，然后将模型输入到虚拟现实环境中，用户充分利用各种增强效果设备（例如头盔显示器等）产生临境感。本文在这个思路的基础上，提出了一种基于虚拟现实技术的家具生产设备设计的流程。