0 前言

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是1993年出現(xiàn)的，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，無(wú)論在基礎(chǔ)研究，還是技術(shù)開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的技術(shù)領(lǐng)域極其廣泛，沉浸式三維顯示技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心。

    目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在全球范圍內(nèi)的汽車(chē)、航空航天、能源、制藥、重型設(shè)備、電子和家用電器、機(jī)器人等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用并創(chuàng)造了可觀效益，一大批著名企業(yè)和部門(mén)，如BMW、Ford、Honda、波音公司、歐洲航天局、ABB、Robotics開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬制造。上海大眾采用計(jì)算機(jī)仿真軟件成功進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)并優(yōu)化。一汽大眾采用該技術(shù)成功完成了其AUDI A6L白車(chē)身生產(chǎn)線(xiàn)的建模和優(yōu)化仿真解決方案。三一重工、鄭州宇通等利用數(shù)字化工廠進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的規(guī)劃和虛擬評(píng)審。在此之前我國(guó)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)只在先進(jìn)的航空航天及汽車(chē)制造企業(yè)得以應(yīng)用。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)劇烈競(jìng)爭(zhēng)和消費(fèi)者需求的快速變化，現(xiàn)代制造企業(yè)需要采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

    中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司2011年以創(chuàng)新基金投資組建的“中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室”，依托工藝材料研究所自動(dòng)化、工藝裝備、冷加工藝、鑄造工藝等專(zhuān)業(yè)研究實(shí)力，通過(guò)不同學(xué)科方向的合作、交叉，開(kāi)展工藝制造虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的集成應(yīng)用研究，進(jìn)行集成創(chuàng)新。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的建設(shè)

    一拖工材所虛擬實(shí)驗(yàn)室配備有“數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)”，可以方便的對(duì)新產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)、數(shù)字化工廠進(jìn)行綜合展示，身臨其境、直觀地向評(píng)審專(zhuān)家展示工廠、生產(chǎn)線(xiàn)、產(chǎn)品虛擬樣機(jī)以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，方便評(píng)審專(zhuān)家做出科學(xué)、高效的評(píng)審，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期即可對(duì)其進(jìn)行多方面的工藝評(píng)審，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

    一拖工材所虛擬實(shí)驗(yàn)室目前主要研究方向是：虛擬現(xiàn)實(shí)中建模應(yīng)用理論和方法；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互機(jī)制；仿真數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)方法與技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品評(píng)審平臺(tái)工具與系統(tǒng)；涂裝車(chē)間布局漫游和分析工具與系統(tǒng)。將來(lái)隨著應(yīng)用的深入，還將開(kāi)展虛擬裝配、虛擬培訓(xùn)、虛擬熱處理及疲勞分析可視化等虛擬制造領(lǐng)域的研究應(yīng)用。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室

圖3 生產(chǎn)線(xiàn)虛擬交互

    1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)硬件整體框架主要構(gòu)成及作用

    該虛擬實(shí)驗(yàn)室擁有支撐虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域高水平研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和軟件系統(tǒng)，包括高性能惠普?qǐng)D形工作站、美國(guó)Christie HD+10K-M高清主動(dòng)立體投影機(jī)、德國(guó)ART位置追蹤及動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、德國(guó)Flystick交互設(shè)備、大屏幕CADWALL演播環(huán)境等硬件系統(tǒng)。

圖4 硬件框架

    1.1.1 科視主動(dòng)立體顯示系統(tǒng)

    由科視Christie HD+10K-M高清投影機(jī)，立體信號(hào)同步發(fā)射器、主動(dòng)立體眼鏡、配備專(zhuān)業(yè)定制的硬質(zhì)背面投影屏幕（圖5）組成。

圖5 投影機(jī)、投影幕、立體眼鏡、交互設(shè)備

    通過(guò)立體信號(hào)同步發(fā)射器，將投影機(jī)的信號(hào)傳入立體眼鏡，讓用戶(hù)通過(guò)眼鏡獲得屏幕中的立體影像，獲得身臨其境的感受。

    1.1.2 位置追蹤及動(dòng)作捕捉系統(tǒng)ART

    位置追蹤器又稱(chēng)位置跟蹤器，是指作用于空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設(shè)備結(jié)合使用，如：數(shù)據(jù)頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等，使參與者在空間上能夠自由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體和虛擬數(shù)字的各種交互，將各種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的虛擬裝配和結(jié)果驗(yàn)證，從而評(píng)估可視性和可達(dá)性。

    1.1.3 交互設(shè)備Flystick

    通過(guò)Flystick（圖5）可進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等虛擬交互操作，四個(gè)快捷鍵支持自定義功能。

    1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)主要軟件主要構(gòu)成及作用

    實(shí)驗(yàn)室擁有法國(guó)Techviz立體可視化軟件、德國(guó)西門(mén)子NX建模和Nastran有限元分析以及Tecnomatix數(shù)字化工廠中的Factory CAD工廠三維建模軟件、Plant Simulation工廠物流仿真分析軟件、美國(guó)Ensight分析數(shù)據(jù)后處理及可視化軟件系統(tǒng)。

    1.2.1 工程仿真多通道立體顯示平臺(tái)軟件Techviz

    Techviz是世界先進(jìn)的可視化處理軟件，直接將3D數(shù)字模型逼真的呈現(xiàn)出來(lái)，支持?jǐn)?shù)據(jù)手套、力反饋器等交互設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字樣機(jī)及生產(chǎn)線(xiàn)在3D環(huán)境下的任意交互和漫游。

    1.2.2 可視化后處理軟件EnSight

    Ensight是美國(guó)CEI公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用后處理及可視化軟件系統(tǒng)。是一套適用于各種工程和科學(xué)(CFD，F(xiàn)EA，碰撞，流體力學(xué)，SPH及其他) 的后處理與計(jì)算結(jié)果可視化與協(xié)同軟件使用EnSight來(lái)查看、理解、交流各種計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)結(jié)果。

    1.2.3 FACTORY CAD三維工廠設(shè)計(jì)軟件

    Factory CAD是Siemens PLM中數(shù)字化制造解決方案Tecnomatix系列產(chǎn)品的軟件模塊，是數(shù)字化虛擬工廠設(shè)計(jì)、分析和仿真工具。

    Factory CAD可以大幅縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及投產(chǎn)周期。利用靈巧設(shè)計(jì)和智能對(duì)象技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工廠的并行工程設(shè)計(jì)，而不僅僅只是局部的優(yōu)化。它可以迅速簡(jiǎn)便地建立、分析和展示可視化的工廠模型，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖，通過(guò)拖放、連接等方式方便地建立模型，建立后模型的尺寸比非面向?qū)ο蟮膸缀文Ｐ托?0倍。用戶(hù)可以通過(guò)它直接訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)能仿真，從而高效搜索生產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)劃、計(jì)劃和性能水平。

    1.2.4  PLANT SIMULATION工廠布局軟件

    Plant Simulation應(yīng)用于對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線(xiàn)、生產(chǎn)過(guò)程等進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，優(yōu)化空間規(guī)劃、物資利用率、排產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)能。從而輔助企業(yè)在集成的環(huán)境下，優(yōu)化投資、驗(yàn)證產(chǎn)能、分析訂單、優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃，解決涂裝線(xiàn)規(guī)劃、混線(xiàn)生產(chǎn)、訂單完成時(shí)間評(píng)估等問(wèn)題。

    在Factory CAD構(gòu)建的虛擬生產(chǎn)線(xiàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，將設(shè)備三維布局、生產(chǎn)物流路徑及物料管理數(shù)據(jù)集成，從而生成有關(guān)物流、堵塞和安全的圖表，提供數(shù)字化統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告，讓用戶(hù)很容易地確定哪種布局有利于流通，可視化輸出報(bào)表使非設(shè)計(jì)人員可以判斷分析方案具有的優(yōu)劣勢(shì)，便于多方會(huì)簽和評(píng)審。

    以生產(chǎn)大綱和生產(chǎn)計(jì)劃為基礎(chǔ)，建立起數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)工藝仿真統(tǒng)一數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)一次建模就可在產(chǎn)品的全生命周期中使用，如在布局時(shí)建立的工廠布局圖就可在仿真階段使用。通過(guò)工廠的布局設(shè)計(jì)到對(duì)生產(chǎn)制造的規(guī)劃，然后由仿真優(yōu)化對(duì)規(guī)劃的結(jié)果進(jìn)行仿真，并將結(jié)果反饋給系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，直到系統(tǒng)滿(mǎn)足規(guī)劃的要求。

    1.2.5 FactoryCAD與Plant Simulation的關(guān)系

    Factory CAD是工廠三維建模的工具，主要應(yīng)用于工廠布局規(guī)劃，設(shè)備布置以及三維空間干涉檢查。

    Plant Simulation是最全面的仿真分析工具，主要應(yīng)用于工廠物流的詳細(xì)仿真，也提供了比較多的控制策略和評(píng)價(jià)方法，如統(tǒng)計(jì)圖、Sankey圖、甘特圖、瓶頸分析等，以及優(yōu)化算法，還能使用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行用戶(hù)化的深度定制。尤其是在流程、產(chǎn)能等與具體數(shù)據(jù)相關(guān)的仿真方面，有其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。可以將工廠設(shè)計(jì)（Factory CAD）模塊和工廠仿真軟件（Plant Simulation）模塊的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，也就是在Factory CAD中建立三維工廠的場(chǎng)景，利用Factory CAD的SDX接口使用工廠仿真軟件來(lái)進(jìn)行三維工廠仿真。

2 虛擬制造仿真技術(shù)的應(yīng)用

    2.1 虛擬樣機(jī)評(píng)審

圖6 大輪拖駕駛室

圖7 大輪拖底盤(pán)

    利用NX或PROE建模，實(shí)現(xiàn)了大輪拖駕駛室及底盤(pán)零件在Techviz立體可視化系統(tǒng)中進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)的評(píng)審與交互。

    2.2 虛擬鑄造模擬凝固分析數(shù)據(jù)可視化

圖8 輪轂鑄造模擬凝固可視化

圖9 缸體鑄造模擬凝固可視化

    利用清華鑄造CAE進(jìn)行鑄造模擬凝固分析，通過(guò)在美國(guó)CEI公司開(kāi)發(fā)Ensight的專(zhuān)用后處理及可視化軟件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的可視化，可以直觀的發(fā)現(xiàn)鑄件可能存在的鑄造缺陷，在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

    2.3 機(jī)械加工工藝分析可視化

    在工藝設(shè)計(jì)方案初期，利用數(shù)字化設(shè)計(jì)、CAE分析的結(jié)果，預(yù)測(cè)箱體等易變形零件在不同裝夾狀態(tài)下的受力變形量，制定具有針對(duì)性的控制措施減少變形；可對(duì)驅(qū)動(dòng)軸等軸類(lèi)零件進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剛度、變形等進(jìn)行分析；可對(duì)三維建模的各種零件、總成進(jìn)行各種力學(xué)與變形分析。從工藝設(shè)計(jì)的源頭提升工藝設(shè)計(jì)水平與制造質(zhì)量水平，克服現(xiàn)有的工藝、工裝設(shè)計(jì)主要靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)分析其有效性的缺點(diǎn)，以保證工藝設(shè)計(jì)的完善性。

圖10 箱體夾緊變形分析的優(yōu)勢(shì)

圖11 箱體夾緊應(yīng)力變形可視化

    2.4 數(shù)字化涂裝線(xiàn)虛擬試運(yùn)行

    利用西門(mén)子數(shù)字化制造解決方案Tecnomatix中的Factory CAD可以快速搭建工廠和生產(chǎn)線(xiàn)三維模型，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)完整的廠房設(shè)施、生產(chǎn)線(xiàn)和工藝層次模型，對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行可視化仿真與分析；利用Plant Simulation可以建立起實(shí)際的工廠物流模型，對(duì)生產(chǎn)的節(jié)拍、批量、生產(chǎn)單元、機(jī)群等有效仿真；實(shí)現(xiàn)工廠和生產(chǎn)線(xiàn)虛擬試運(yùn)行。達(dá)到節(jié)省投資、增加產(chǎn)量、提高設(shè)備利用率的目的。

圖12 數(shù)字化工廠的優(yōu)勢(shì)

    2.4.1 構(gòu)建數(shù)字化涂裝線(xiàn)模型的工具模塊庫(kù)

    依據(jù)拖拉機(jī)底盤(pán)涂裝線(xiàn)平面布置圖和二維設(shè)計(jì)圖紙，利用NX三維設(shè)計(jì)軟件和工廠設(shè)計(jì)Factory CAD軟件，構(gòu)建涂裝線(xiàn)設(shè)備三維模型（圖13、圖14），主要包括：自行葫蘆輸送系統(tǒng)、前處理、人工吹水室、水分烘干室、面漆噴漆室、面漆烘干室等三維模型，調(diào)入工廠設(shè)計(jì)Factory CAD軟件中，利用其參數(shù)化工具，構(gòu)建涂裝線(xiàn)數(shù)字化模型的工具模塊庫(kù)，導(dǎo)入到數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備模型庫(kù)中。

圖13 前處理、人工吹水室三維模型、水分烘干室的三維模型

圖14 面漆噴漆室、面漆烘干室的三維模塊

    2.4.2 底盤(pán)涂裝線(xiàn)三維動(dòng)畫(huà)仿真

    依據(jù)底盤(pán)涂裝線(xiàn)生產(chǎn)綱領(lǐng)、工藝流程及實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)模擬涂裝線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程。

    2.4.2.1 仿真三維模型的構(gòu)建

    借鑒前期構(gòu)建的三維模塊庫(kù)，將構(gòu)建好的涂裝線(xiàn)的三維零部件轉(zhuǎn)換成JT格式，導(dǎo)入到Factory CAD軟件中，并利用Factory CAD軟件中快速裝配功能在涂裝線(xiàn)二維平面布置圖上對(duì)涂裝線(xiàn)進(jìn)行裝配，構(gòu)建涂裝線(xiàn)生產(chǎn)廠房三維模型（圖6）。

圖15 拖拉機(jī)底盤(pán)涂裝線(xiàn)三維模型、三維仿真模型

    2.4.2.2 動(dòng)畫(huà)仿真構(gòu)建

    拖拉機(jī)底盤(pán)涂裝線(xiàn)三維動(dòng)畫(huà)仿真中零件輸送及電動(dòng)對(duì)開(kāi)門(mén)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，利用Plant Simulation軟件中的編程語(yǔ)言，滿(mǎn)足零件在各工藝段的工藝時(shí)間，并與電動(dòng)對(duì)開(kāi)門(mén)進(jìn)行編程，使電動(dòng)對(duì)開(kāi)門(mén)和零件輸送動(dòng)作連鎖，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)涂裝線(xiàn)的3D動(dòng)畫(huà)仿真。模擬涂裝線(xiàn)的工藝動(dòng)作后，將Factory CAD軟件中的涂裝線(xiàn)的三維模型轉(zhuǎn)換到Plant Simulation軟件中，并對(duì)三維軟件中的零件和電動(dòng)對(duì)開(kāi)門(mén)進(jìn)行賦值，從而實(shí)現(xiàn)涂裝線(xiàn)三維動(dòng)畫(huà)仿真。   

    2.4.2.3 虛擬試運(yùn)行

    將建立的涂裝線(xiàn)的數(shù)字化模型，利用工程仿真多通道立體顯示平臺(tái)軟件Techviz，在3D虛擬平臺(tái)上模擬實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)作虛擬試運(yùn)行，借助交互設(shè)備，可以在涂裝線(xiàn)建成之前，直觀的身臨其境感受或評(píng)價(jià)涂裝線(xiàn)（圖16），方便了評(píng)審和客戶(hù)之間的交流。

圖16 拖拉機(jī)底盤(pán)涂裝線(xiàn)三維模型、三維仿真模型

    2.4.3 覆蓋件涂裝線(xiàn)二維物流仿真

    覆蓋件涂裝線(xiàn)由前處理電泳線(xiàn)、電泳烘干線(xiàn)、中涂色漆罩光線(xiàn)三條子線(xiàn)構(gòu)成。依據(jù)覆蓋件涂裝線(xiàn)的平面布置圖、各分線(xiàn)的二維圖紙、生產(chǎn)綱領(lǐng)、工藝流程及實(shí)際生產(chǎn)情況，模擬涂裝線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程及各個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)之間的相互間物流狀態(tài)，對(duì)覆蓋件涂裝線(xiàn)進(jìn)行物流仿真分析，主要是為了驗(yàn)證涂裝線(xiàn)布局是否能夠提供安全的生產(chǎn)環(huán)境、車(chē)間內(nèi)物流是否通暢、生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)急方案是否可行等，并以獲得最大的生產(chǎn)設(shè)備利用率為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)工藝規(guī)劃方案的不斷優(yōu)化、驗(yàn)證得到最優(yōu)的工藝規(guī)劃方案。

    在拖拉機(jī)覆蓋件涂裝線(xiàn)上，通過(guò)Plant Simulation軟件，在已經(jīng)構(gòu)建的覆蓋件涂裝線(xiàn)虛擬生產(chǎn)線(xiàn)平臺(tái)上（圖17），對(duì)前處理電泳線(xiàn)、電泳烘干線(xiàn)、中涂色漆罩光線(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)相互間物流狀態(tài)進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)布局、資源利用率、生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈、生產(chǎn)線(xiàn)平衡等是否合理，是否存在瓶頸問(wèn)題，從而更好的優(yōu)化涂裝線(xiàn)，并根據(jù)仿真的結(jié)果，通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)和優(yōu)化方法的輔助，修改設(shè)計(jì)、優(yōu)選了方案；并將優(yōu)選方案用于指導(dǎo)拖拉機(jī)覆蓋件涂裝線(xiàn)的項(xiàng)目上，使涂裝線(xiàn)在投入運(yùn)行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化提供支持和依據(jù)。

圖17 二維物流仿真分析、仿真分析控制窗口

3 結(jié)論

    本項(xiàng)目在拖拉機(jī)制造過(guò)程的鑄造、加工、生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃等方面，進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)階段的虛擬制造技術(shù)的研究與應(yīng)用的初步探索與嘗試，相信隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)逐漸拓展在制造過(guò)程中的各個(gè)領(lǐng)域的深入應(yīng)用，為提高農(nóng)機(jī)制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和創(chuàng)新能力發(fā)揮更大作用。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴(lài)品牌。

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本文標(biāo)題：2013PLM征文：虛擬現(xiàn)實(shí)在拖拉機(jī)制造中的研究與應(yīng)用

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