趙 寧，杜劭峰，趙文軍，楊春光，陳 瑋

(特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室，內蒙古 包頭 014032)

自20世紀90年代以來，虛擬現(xiàn)實技術一直是信息領域研究、開發(fā)和應用的熱點方向之一，它在航空航天、交互式GIS、數(shù)字地球、信息可視化和游戲娛樂等領域得到廣泛的應用[1]。

虛擬現(xiàn)實仿真技術是利用仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預估產品功能、性能及其加工特性等各方面可能存在的問題，從而實現(xiàn)產品制造的本質過程。應用對象包括產品設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析和質量檢驗等。

隨著時代的進步和信息技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術得到了高速發(fā)展。有學者認為，21世紀，人類將進入虛擬現(xiàn)實的科技新時代，與多媒體技術、網絡技術并稱為三大前景最好的計算機技術；因此，虛擬現(xiàn)實技術日益成為人們探索和改造客觀世界的重要手段。

1 國內外研究現(xiàn)狀

國外在虛擬現(xiàn)實仿真技術研究方面起步較早，研究領域較廣，并且開發(fā)了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟硬件設備。美國北卡羅來那大學(UNC)計算機系在分子建模、航空駕駛和外科手術仿真方面有國際領先成果[2]；美國 Stanford 大學利用非接觸式三維掃描儀開展了“數(shù)字米開朗基羅”項目，將文藝復興時期的意大利著名雕塑家的作品實現(xiàn)數(shù)字化；日本在虛擬現(xiàn)實重構及可視化實用技術研究方面成果突出，在基于虛擬現(xiàn)實的游戲方面處于領先地位[3]。

相比而言，國內起步較晚，受硬件條件的制約，與發(fā)達國家相比，仍有一定差距。隨著國家重點基金項目支持力度不斷加大，我國在圖形生成技術、碰撞檢測技術、地理空間信息數(shù)據庫及實時場景繪制技術方面取得了重要研究成果[4]。浙江大學CAD&CG 國家重點實驗室的“虛擬故宮”項目已經研發(fā)出一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)[5]；北京新奧特成功開發(fā)了虛擬演播室系統(tǒng)等項目。

2 虛擬裝配技術研究

虛擬裝配的定義首次出現(xiàn)是在文獻[6]中，是指在沒有實際產品或者物理過程支持的情況下，運用計算機分析、預測模型，用數(shù)據表達，輔以可視化，做出與裝配相關的工程決策。虛擬裝配實際上實現(xiàn)了2個層次的映射：第1層(底層)產品物理模型被映射為產品數(shù)字化模型；第2層(頂層)產品真實的裝配過程被映射為虛擬的裝配仿真過程。底層映射的作用是免除了產品的實際物理模型，為實現(xiàn)可裝配/拆卸性分析、公差分析打下基礎；有了頂層的映射，可實現(xiàn)裝配規(guī)劃、裝配仿真和裝配評價等[7]。

2.1 關鍵技術研究

虛擬裝配的關鍵技術研究主要包括如下幾個方面。

1)數(shù)字化裝配信息模型創(chuàng)建及多源數(shù)據模型格式轉換技術。結合車輛零部件數(shù)字化裝配模型的需求，開展了各種裝配場景模型的實體表達及信息描述研究，分析并優(yōu)化了裝配模型在虛擬環(huán)境中的建立內容和流程，采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)與多異構CAD系統(tǒng)通信并將CAD數(shù)據導入整合的手段，實現(xiàn)了模型文件從Creo環(huán)境的數(shù)據導入到虛擬現(xiàn)實環(huán)境數(shù)據信息完整性。以車輛變速器為例，通過研究，實現(xiàn)了虛擬環(huán)境下數(shù)字樣機與物理模型裝配信息的全面繼承。車輛變速箱裝配模型創(chuàng)建及數(shù)字樣機示例如圖1所示。

圖1 車輛變速箱裝配模型創(chuàng)建及數(shù)字樣機示例

2)虛擬場景模型高效能渲染技術。目前，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下基于模型的渲染功能大多以基礎純色為主，為了提高模型的真實度，主流虛擬現(xiàn)實仿真軟件多以圖片進行渲染。由于針對模型的輕量化顯示模式、添加圖片的方式及參數(shù)調節(jié)各不相同，故渲染所產生效果也不一致。通過研究基于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)渲染材質的定義與優(yōu)化方法，采用添加材質要素圖、定義渲染基色等手段，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下場景的高效能渲染。完成渲染的虛擬裝配場景如圖2所示。

圖2 完成渲染的虛擬裝配場景

3)沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序評估與優(yōu)化技術。以車輛產品裝配工藝規(guī)程作為引導，在虛擬環(huán)境下進行交互式裝配順序規(guī)劃、仿真與評價，利用沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境的直觀性，按初始裝配順序逐個進行零部件的裝配，分析評價各類裝配操作的難易程度及實用性，并將分析結果信息與裝配順序規(guī)劃相結合，從而求解生成最優(yōu)裝配順序，進而有效避免產品錯裝、漏裝現(xiàn)象發(fā)生。沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序規(guī)劃流程圖

4)虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化技術。裝配路徑規(guī)劃是指從被安裝零部件存放的位置，直到零部件被裝配至產品上所行走的軌跡。在交互式的裝配仿真過程中，選擇被裝配零部件，并精確定位零部件起止位移點，對移動過程進行實時干涉檢查，驗證并優(yōu)化初始裝配路徑，將零部件移動過程關鍵點進行記錄，從而生成有效裝配路徑，并確保裝配路徑無碰撞、干涉現(xiàn)象。虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化流程圖

5)裝配過程人機功效分析。通過對人體模型工廠化定制、人體模型快速定義和人體模型物理學動作姿態(tài)等人機工程開展研究，評價并優(yōu)化現(xiàn)場操作人員裝配過程的可視性、可達性和舒適性，針對產品裝配過程中涉及的人機因素(如裝配所需時間、裝配操作的舒適程度和安全性)，以虛擬環(huán)境下人體模型模擬操作為依據，驗證并分析裝配空間、工具和裝配行為對操作人員強度的影響，從而設計出最優(yōu)裝配工位，為實際操作提供指導。

6)基于物理屬性的柔性線纜虛擬布局敷設仿真技術。將工程實際中的線纜抽象化并在虛擬環(huán)境下進行表達，其線纜模型既需要全面集成實際線纜的信息，又能夠適應仿真軟件中對線纜模型的需求。柔性線纜的物理屬性包括抗彎曲、抗拉伸、線纜內外徑及線纜自身重力等。在虛擬仿真中，通過對柔性線纜物理屬性參數(shù)合理化定義，分析并確定線纜在虛擬環(huán)境下彎曲、形變的臨界值，實現(xiàn)柔性線纜布局敷設仿真的高效、整齊及無干涉碰撞現(xiàn)象，仿真結果為線纜實際裝配提供技術參考。柔性線纜虛擬布局敷設流程如圖5所示。

圖5 柔性線纜虛擬布局敷設流程圖

2.2 應用情況

通過前期虛擬裝配仿真技術的研究，相關研究成果已成功應用于多型號車輛典型零部件裝配中。通過建立基于MPMS的制造工藝管理系統(tǒng)和基于IC.IDO的沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)集成的仿真平臺，實現(xiàn)了三維裝配工藝的現(xiàn)場發(fā)布，從而指導裝配人員實際操作。

3 數(shù)字工廠技術

數(shù)字化工廠技術是利用計算機仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)產品全生命周期中設計、制造和裝配等多項功能，包括車間布局仿真、工藝規(guī)劃和物流仿真優(yōu)化等部分，通過計算機中虛擬的模型來預測產品的可制造性以及潛在的問題[8]。

現(xiàn)階段制造業(yè)車間設計規(guī)劃主要依靠經驗完成，受技術人員知識局限性和主觀影響較大，對一些新技術新設備較難把握，規(guī)劃方案存在技術問題，多數(shù)只能靠多次反復調研、論證與評審才能發(fā)現(xiàn)，并且通過二維CAD圖樣不能直觀地體現(xiàn)布局方案，一些布局不合理之處較難被發(fā)現(xiàn)，最終導致車間建設周期較長。數(shù)字工廠技術是將現(xiàn)實中的生產車間抽象成為仿真軟件中的虛擬模型，通過對模型操作并對輸出數(shù)據進行分析和處理，實現(xiàn)對生產車間布局運行狀態(tài)的預測，進而達到改善和優(yōu)化的目的。

3.1 關鍵技術研究

數(shù)字化工廠的關鍵技術研究主要包括如下幾個方面。

1)車間工藝布局設計與優(yōu)化技術。車間工藝布局是整個工廠規(guī)劃的核心問題之一，車間工藝布局的優(yōu)劣直接影響了產品制造流程的合理性。車間工藝布局基本類型分為按工藝布局、按產品布局、按固定工位布局和按生產原則布局等4種。以車間建設方案為基礎，按照一定原則，在車間內部空間面積的約束下，對車間內各組成單元以及生產設備進行合理的布置，研究并分析設備、工藝、輔助環(huán)節(jié)、物料和人員等多種因素對工藝布局仿真結果的影響，進而輸出最優(yōu)化的仿真結果，為車間建設方案制定提供參考?；谔摂M現(xiàn)實的車間工藝布局仿真技術可以直觀再現(xiàn)車間建設方案，并真實反映生產現(xiàn)狀，通過對虛擬環(huán)境下模型文件的修改，能夠快速展現(xiàn)不同方案場景，便于多方案比較。經過優(yōu)化的布局方式可提高車間空間利用率、設備利用率，并降低物流、設備投資等成本，進而縮短車間建設周期，提高方案設計效率及質量。鑄造生產線工藝布局仿真示例如圖6所示。

圖6 鑄造生產線工藝布局仿真示例

2)基于數(shù)字工廠的生產線虛擬運行技術。以產品制造流程為基礎，開展生產線虛擬運行仿真技術研究，定義模型文件位移的起止關鍵幀，實現(xiàn)對制造流程的動態(tài)模擬，分析運行過程中生產線流轉、物流路徑是否存在干涉碰撞現(xiàn)象，查找并修改設計方案中較難被發(fā)現(xiàn)的尺寸關系錯誤，并對空間尺寸鏈合理性進行驗證，仿真結果為設計方案評審提供技術參考。生產線虛擬運行仿真示例如圖7所示。

圖7 生產線虛擬運行仿真示例

3)生產線仿真資源庫構建技術。針對目前生產線仿真技術研究所應用的虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)仿真和CAD模型創(chuàng)建等多項系統(tǒng)，將仿真優(yōu)化工作全流程標準化。對設備、工裝等三維模型進行分類，開發(fā)構建可重用的模型庫，降低建模時間和人力成本，縮短仿真技術研究周期。生產線仿真資源庫界面如圖8所示。

圖8 生產線仿真資源庫界面

3.2 應用情況

數(shù)字工廠技術是對生產過程的各個環(huán)節(jié)，小到每一個操作步驟，大到生產線甚至整個工廠進行設計、仿真、分析和優(yōu)化，其結果可用于指導實際的生產制造。

采用數(shù)字工廠技術已完成12條新建、改建和擴建車間項目仿真驗證及優(yōu)化，查找設計不合理問題20余項，節(jié)約大量投資成本，創(chuàng)新了車間設計方案驗證方法，實現(xiàn)了生產線制造流程及物流路徑的動態(tài)模擬。數(shù)字工廠仿真案例如圖9所示。

圖9 數(shù)字工廠仿真案例

4 結語

本文從虛擬裝配及數(shù)字工廠這2個方面闡述了虛擬現(xiàn)實技術在車輛領域的研究與應用情況。

1)對虛擬裝配技術研究中的6個核心問題：裝配模型創(chuàng)建及多源數(shù)據模型轉換、虛擬場景高效能渲染、裝配順序規(guī)劃、裝配干涉檢查及路徑規(guī)劃、人機工程分析以及柔性線纜仿真方面進行了分析。實踐證明，虛擬裝配為產品的裝配工藝規(guī)劃提供了一種可靠實用的方法和工具，通過虛擬裝配仿真，能夠真實地反映實際裝配過程中遇到的各種問題，包括零部件設計、裝配順序規(guī)劃、裝配路徑選擇等是否合理，并可以通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境中沉浸式模式真實體驗裝配過程中裝配的難易程度，優(yōu)化現(xiàn)場零部件擺放及工具工裝位置，為提高裝配效率、縮短產品研制周期提供強有力的技術支撐。

2)結合數(shù)字工廠技術，針對車間工藝布局仿真、生產線虛擬運行和仿真資源庫構建等3個方面進行了闡述。數(shù)字工廠技術能夠實現(xiàn)產品全生命周期中各個階段的功能如設計、制造、裝配和檢測等，并解決各個層面(工廠、車間和生產線等)的不同問題。通過對生產線配置、物流工具配置和生產能力等方面進行評估優(yōu)化，從而最大限度地提高車間資源利用率，實現(xiàn)提高生產效率、節(jié)約投資成本的目標。

虛擬現(xiàn)實技術是高度集成的技術，涵蓋計算機軟硬件、傳感器技術和立體顯示技術等。虛擬現(xiàn)實的發(fā)展方向是更快、更高質量的圖形，更便宜、設計得更完善的頭盔式顯示器以及其他輸入、輸出設備更快的計算機處理能力。這些方面的改進將會影響到虛擬現(xiàn)實在實際應用中的各個方面。總體上看，虛擬現(xiàn)實技術的未來研究仍會遵循“低成本、高性能”這一原則，并將在動態(tài)環(huán)境建模、實時三維圖形生成和顯示、新型交互設備的研制、智能化語音虛擬現(xiàn)實建模和大型網絡分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等方向發(fā)展，實現(xiàn)在各個新領域內的廣泛應用。