0、引言

虚拟现实（Virtual Reality，以下略VR），就是由计算机直接把视觉、听觉、触觉等多种合成信息提示给人的感觉器官，在人的周围生成一个虚拟环境，从而把人、现实世界以及虚拟环境结合起来，融为一体，实现信息的交流和反馈。人可以在虚拟环境中以最自然的形态实时地进行操作和行动，犹如在自身所处现实环境中同样的感受。
VR技术是充分发挥创造力的科学，为人类的智能扩展提供了强有力的手段，对生产方式和社会生活将产生巨大的影响。
虚拟制造是VR技术在制造领域的重要应用，是一种超越时空观念的新的制造哲理和模式。
1、制造技术的发展与虚拟制造的出现

虚拟制造是随着信息技术的高速发展和对价值观多样化的适应而产生的，是现代制造技术的延伸和发展。

 (1) 制造技术的发展

机械化和机械自动化是原始操作向现代制造技术转变的重要标志；数控机床和机器人以其柔性给制造技术带来了质的变革；FMS、CIMS把制造技术推进到了系统控制和集成化阶段，实现了传统制造技术向现代制造技术的飞跃；近年来，又相继出现了并行工程、精益生产及敏捷制造。可以期待，充实了这些新概念的新一代CIMS将把制造技术推向一个更高的智能化阶段。
(2) 虚拟制造的产生及含义

纵观制造技术的变化和发展，不难理解人和自然环境相互关系的变迁。长期以来，人类利用工具、机械制造产品，在这种人和自然界直接对应的关系中，制造技术的发展受到了很大制约。近年来，功能强大的计算机系统作为中间媒体存在于人和自然环境之间，开始实现人―自然环境―计算机三者在现实空间内的相互调和，虚拟制造正是这种调和关系的产物。
虚拟制造是在虚拟空间内模拟把生产要素转变为虚拟产品的制造机能的全部行为。或者说虚拟制造是为人们提供一个从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视化及交互的临境环境，通过计算机模拟实验来模拟和评估
产品的功能及可加工性等各方面存在的问题。在这种生产方式下，人、自然（现实空间）和计算机系统（虚拟空间）三者之间的集成和调和关系如图１所示。

(3) 虚拟制造的主要研究内容

虚拟制造的技术覆盖面是极为广泛的，除了VR涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：虚拟制造的理论体系；设计信息和生产过程的三维可视化；虚拟环境下系统全局最优决策理论及技术；虚拟制造系统的开放式体系结构；虚拟产品的装配仿真；虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。
2、虚拟装配研究

自动装配是全面实现制造自动化的“瓶颈”。究其原因，一是自动装配作业具有很强的智能性和高度的复杂性；二是以往的装配自动化研究被局限在“设计－制造（装配）－评价”和“实物验证”的封闭时空模式中。VR技术将为解决装配自动化技术难题开辟一条崭新的途径。
(1) 虚拟装配研究现状

目前，对虚拟装配的研究有美国NASA用于哈勃望远镜虚拟修理装配的原型系统[1]，日本今村等人开发的虚拟辅助设计与制造系统VSDSS[2]，葡萄牙J.R.Galvao等所进行的虚拟环境下的生产训练研究[3]；日本Ｎ.Abe等人开发的机械零件装配性验证和装配机器可视化系统[4]以及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等[5] 。

(2) 虚拟装配中需要解决的关键问题

在实环境下,对自动装配的研究主要集中在机器人力控制和装配规划两个方面,而虚拟装配,由于时空观念的超越,会出现一些新的特点,要解决的技术问题,主要有如下几点。

1) 虚拟装配环境的构筑

主要研究虚拟环境的描述与管理,动作检测子系统和感觉信息合成子系统的因果关系处理,虚拟世界的事件控制,感觉信息的综合以及输入、输出驱动规则等,这部分内容将在后面论述。

2) 装配过程的力作用机理分析

装配过程实质上是用力学方法不断地变化、调整由于多个物体的接触而引起的约束关系的过程。由于这一过程呈现出很强的非线性和瞬态性,因此分析难度很大。在虚拟环境中,可以仿照GROPE虚拟系统研究分子结构的方法,把微观接触状态展现到宏观世界,把瞬态接触延续为虚拟空间中的“慢动作”,在赋予装配零件机械、物理特性的条件下进行装配过程力作用机理分析。为了直观形象,可以对分析数据进行可视化处理。

3) 自动装配规划的生成

装配规划就是以某种评价标准,按照一定的算法,寻求一条最优的零件装配顺序序列,实际上是最优化问题。在虚拟环境下,应该重点解决:如何更形象地表现装配规划过程中信息流的动态流动和可视化;如何在搜索过程中加入启发性知识和进行人的智能参与。根据作者对装配规划的研究,认为Petri网方法是在虚拟环境下进行自动装配规划很有前途的一种方法。

4) 虚拟环境中人的自身投射性

自动装配进展迟缓,一是采用了昂贵、费时的“叠代装配”方法,二是装