0 前言

    虛擬現實技術是1993年出現的，經過20年的發展，無論在基礎研究，還是技術開發方面已經取得了很大的發展。虛擬現實涉及的技術領域極其廣泛，沉浸式三維顯示技術是虛擬現實技術的核心。

    目前計算機仿真技術在全球范圍內的汽車、航空航天、能源、制藥、重型設備、電子和家用電器、機器人等行業得到了廣泛應用并創造了可觀效益，一大批著名企業和部門，如BMW、Ford、Honda、波音公司、歐洲航天局、ABB、Robotics開始采用計算機仿真技術進行虛擬制造。上海大眾采用計算機仿真軟件成功進行了發動機生產線的設計并優化。一汽大眾采用該技術成功完成了其AUDI A6L白車身生產線的建模和優化仿真解決方案。三一重工、鄭州宇通等利用數字化工廠進行生產線的規劃和虛擬評審。在此之前我國計算機仿真技術只在先進的航空航天及汽車制造企業得以應用。為了應對市場劇烈競爭和消費者需求的快速變化，現代制造企業需要采用計算機仿真技術來提高企業的核心競爭能力。

    中國一拖集團有限公司2011年以創新基金投資組建的“中國一拖集團有限公司工藝材料研究所虛擬現實實驗室”，依托工藝材料研究所自動化、工藝裝備、冷加工藝、鑄造工藝等專業研究實力，通過不同學科方向的合作、交叉，開展工藝制造虛擬現實領域的集成應用研究，進行集成創新。

1 虛擬現實平臺的建設

    一拖工材所虛擬實驗室配備有“數字化虛擬現實顯示系統”，可以方便的對新產品的虛擬樣機、數字化工廠進行綜合展示，身臨其境、直觀地向評審專家展示工廠、生產線、產品虛擬樣機以及整個生產過程，方便評審專家做出科學、高效的評審，從而在產品設計初期即可對其進行多方面的工藝評審，提高設計質量。

    一拖工材所虛擬實驗室目前主要研究方向是：虛擬現實中建模應用理論和方法；增強現實與人機交互機制；仿真數據虛擬現實方法與技術；虛擬現實的產品評審平臺工具與系統；涂裝車間布局漫游和分析工具與系統。將來隨著應用的深入，還將開展虛擬裝配、虛擬培訓、虛擬熱處理及疲勞分析可視化等虛擬制造領域的研究應用。

圖1 虛擬現實系統拓撲圖

圖2 虛擬實驗室

圖3 生產線虛擬交互

    1.1 虛擬現實平臺硬件整體框架主要構成及作用

    該虛擬實驗室擁有支撐虛擬現實領域高水平研究的實驗設備和軟件系統，包括高性能惠普圖形工作站、美國Christie HD+10K-M高清主動立體投影機、德國ART位置追蹤及動作捕捉系統、德國Flystick交互設備、大屏幕CADWALL演播環境等硬件系統。

圖4 硬件框架

    1.1.1 科視主動立體顯示系統

    由科視Christie HD+10K-M高清投影機，立體信號同步發射器、主動立體眼鏡、配備專業定制的硬質背面投影屏幕（圖5）組成。

圖5 投影機、投影幕、立體眼鏡、交互設備

    通過立體信號同步發射器，將投影機的信號傳入立體眼鏡，讓用戶通過眼鏡獲得屏幕中的立體影像，獲得身臨其境的感受。

    1.1.2 位置追蹤及動作捕捉系統ART

    位置追蹤器又稱位置跟蹤器，是指作用于空間跟蹤與定位的裝置，一般與其他VR設備結合使用，如：數據頭盔、立體眼鏡、數據手套等，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉，不局限于固定的空間位置。操作更加靈活、自如、隨意。通過動作捕捉系統可以實現人體和虛擬數字的各種交互，將各種機械能轉換為計算機可以識別的數字信號，進行機械結構的虛擬裝配和結果驗證，從而評估可視性和可達性。

    1.1.3 交互設備Flystick

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

    1.2 虛擬現實平臺主要軟件主要構成及作用

    實驗室擁有法國Techviz立體可視化軟件、德國西門子NX建模和Nastran有限元分析以及Tecnomatix數字化工廠中的Factory CAD工廠三維建模軟件、Plant Simulation工廠物流仿真分析軟件、美國Ensight分析數據后處理及可視化軟件系統。

    1.2.1 工程仿真多通道立體顯示平臺軟件Techviz

    Techviz是世界先進的可視化處理軟件，直接將3D數字模型逼真的呈現出來，支持數據手套、力反饋器等交互設備，實現了數字樣機及生產線在3D環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CEI公司開發的專用后處理及可視化軟件系統。是一套適用于各種工程和科學(CFD，FEA，碰撞，流體力學，SPH及其他) 的后處理與計算結果可視化與協同軟件使用EnSight來查看、理解、交流各種計算機處理數據結果。

    1.2.3 FACTORY CAD三維工廠設計軟件

    Factory CAD是Siemens PLM中數字化制造解決方案Tecnomatix系列產品的軟件模塊，是數字化虛擬工廠設計、分析和仿真工具。

    Factory CAD可以大幅縮短產品的設計及投產周期。利用靈巧設計和智能對象技術實現了整個工廠的并行工程設計，而不僅僅只是局部的優化。它可以迅速簡便地建立、分析和展示可視化的工廠模型，可以根據設計者的意圖，通過拖放、連接等方式方便地建立模型，建立后模型的尺寸比非面向對象的幾何模型小10倍。用戶可以通過它直接訪問產能仿真，從而高效搜索生產系統的最優規劃、計劃和性能水平。

    1.2.4  PLANT SIMULATION工廠布局軟件

    Plant Simulation應用于對生產系統中的生產設備、生產線、生產過程等進行建模、仿真和優化，優化空間規劃、物資利用率、排產計劃和產能。從而輔助企業在集成的環境下，優化投資、驗證產能、分析訂單、優化生產計劃，解決涂裝線規劃、混線生產、訂單完成時間評估等問題。

    在Factory CAD構建的虛擬生產線平臺基礎上，將設備三維布局、生產物流路徑及物料管理數據集成，從而生成有關物流、堵塞和安全的圖表，提供數字化統計分析報告，讓用戶很容易地確定哪種布局有利于流通，可視化輸出報表使非設計人員可以判斷分析方案具有的優劣勢，便于多方會簽和評審。

    以生產大綱和生產計劃為基礎，建立起數字化生產線工藝仿真統一數字模型，實現一次建模就可在產品的全生命周期中使用，如在布局時建立的工廠布局圖就可在仿真階段使用。通過工廠的布局設計到對生產制造的規劃，然后由仿真優化對規劃的結果進行仿真，并將結果反饋給系統的規劃設計，直到系統滿足規劃的要求。

    1.2.5 FactoryCAD與Plant Simulation的關系

    Factory CAD是工廠三維建模的工具，主要應用于工廠布局規劃，設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，主要應用于工廠物流的詳細仿真，也提供了比較多的控制策略和評價方法，如統計圖、Sankey圖、甘特圖、瓶頸分析等，以及優化算法，還能使用開發工具進行用戶化的深度定制。尤其是在流程、產能等與具體數據相關的仿真方面，有其絕對的優勢。可以將工廠設計（Factory CAD）模塊和工廠仿真軟件（Plant Simulation）模塊的優勢結合在一起，也就是在Factory CAD中建立三維工廠的場景，利用Factory CAD的SDX接口使用工廠仿真軟件來進行三維工廠仿真。

2 虛擬制造仿真技術的應用

    2.1 虛擬樣機評審

圖6 大輪拖駕駛室

圖7 大輪拖底盤

    利用NX或PROE建模，實現了大輪拖駕駛室及底盤零件在Techviz立體可視化系統中進行產品樣機的評審與交互。

    2.2 虛擬鑄造模擬凝固分析數據可視化

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進行鑄造模擬凝固分析，通過在美國CEI公司開發Ensight的專用后處理及可視化軟件系統中，實現分析數據的可視化，可以直觀的發現鑄件可能存在的鑄造缺陷，在概念設計階段對產品結構進行優化改進。

    2.3 機械加工工藝分析可視化

    在工藝設計方案初期，利用數字化設計、CAE分析的結果，預測箱體等易變形零件在不同裝夾狀態下的受力變形量，制定具有針對性的控制措施減少變形；可對驅動軸等軸類零件進行扭轉強度、剛度、變形等進行分析；可對三維建模的各種零件、總成進行各種力學與變形分析。從工藝設計的源頭提升工藝設計水平與制造質量水平，克服現有的工藝、工裝設計主要靠個人經驗分析其有效性的缺點，以保證工藝設計的完善性。

圖10 箱體夾緊變形分析的優勢

圖11 箱體夾緊應力變形可視化

    2.4 數字化涂裝線虛擬試運行

    利用西門子數字化制造解決方案Tecnomatix中的Factory CAD可以快速搭建工廠和生產線三維模型，創建結構完整的廠房設施、生產線和工藝層次模型，對生產線進行可視化仿真與分析；利用Plant Simulation可以建立起實際的工廠物流模型，對生產的節拍、批量、生產單元、機群等有效仿真；實現工廠和生產線虛擬試運行。達到節省投資、增加產量、提高設備利用率的目的。

圖12 數字化工廠的優勢

    2.4.1 構建數字化涂裝線模型的工具模塊庫

    依據拖拉機底盤涂裝線平面布置圖和二維設計圖紙，利用NX三維設計軟件和工廠設計Factory CAD軟件，構建涂裝線設備三維模型（圖13、圖14），主要包括：自行葫蘆輸送系統、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，調入工廠設計Factory CAD軟件中，利用其參數化工具，構建涂裝線數字化模型的工具模塊庫，導入到數字化生產線設備模型庫中。

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 底盤涂裝線三維動畫仿真

    依據底盤涂裝線生產綱領、工藝流程及實際生產情況來模擬涂裝線的生產過程。

    2.4.2.1 仿真三維模型的構建

    借鑒前期構建的三維模塊庫，將構建好的涂裝線的三維零部件轉換成JT格式，導入到Factory CAD軟件中，并利用Factory CAD軟件中快速裝配功能在涂裝線二維平面布置圖上對涂裝線進行裝配，構建涂裝線生產廠房三維模型（圖6）。

圖15 拖拉機底盤涂裝線三維模型、三維仿真模型

    2.4.2.2 動畫仿真構建

    拖拉機底盤涂裝線三維動畫仿真中零件輸送及電動對開門開關的動作，利用Plant Simulation軟件中的編程語言，滿足零件在各工藝段的工藝時間，并與電動對開門進行編程，使電動對開門和零件輸送動作連鎖，以此來實現涂裝線的3D動畫仿真。模擬涂裝線的工藝動作后，將Factory CAD軟件中的涂裝線的三維模型轉換到Plant Simulation軟件中，并對三維軟件中的零件和電動對開門進行賦值，從而實現涂裝線三維動畫仿真。   

    2.4.2.3 虛擬試運行

    將建立的涂裝線的數字化模型，利用工程仿真多通道立體顯示平臺軟件Techviz，在3D虛擬平臺上模擬實際生產的動作虛擬試運行，借助交互設備，可以在涂裝線建成之前，直觀的身臨其境感受或評價涂裝線（圖16），方便了評審和客戶之間的交流。

圖16 拖拉機底盤涂裝線三維模型、三維仿真模型

    2.4.3 覆蓋件涂裝線二維物流仿真

    覆蓋件涂裝線由前處理電泳線、電泳烘干線、中涂色漆罩光線三條子線構成。依據覆蓋件涂裝線的平面布置圖、各分線的二維圖紙、生產綱領、工藝流程及實際生產情況，模擬涂裝線的生產過程及各個生產線之間的相互間物流狀態，對覆蓋件涂裝線進行物流仿真分析，主要是為了驗證涂裝線布局是否能夠提供安全的生產環境、車間內物流是否通暢、生產技術和應急方案是否可行等，并以獲得最大的生產設備利用率為目標，通過對工藝規劃方案的不斷優化、驗證得到最優的工藝規劃方案。

    在拖拉機覆蓋件涂裝線上，通過Plant Simulation軟件，在已經構建的覆蓋件涂裝線虛擬生產線平臺上（圖17），對前處理電泳線、電泳烘干線、中涂色漆罩光線轉運系統相互間物流狀態進行模擬，檢驗生產系統中的生產布局、資源利用率、生產節拍、產能和效率、物流和供需鏈、生產線平衡等是否合理，是否存在瓶頸問題，從而更好的優化涂裝線，并根據仿真的結果，通過專家系統和優化方法的輔助，修改設計、優選了方案；并將優選方案用于指導拖拉機覆蓋件涂裝線的項目上，使涂裝線在投入運行前就了解系統的使用性能，分析其可靠性、經濟性、質量、工期等，為生產過程優化提供支持和依據。

圖17 二維物流仿真分析、仿真分析控制窗口

3 結論

    本項目在拖拉機制造過程的鑄造、加工、生產線規劃等方面，進行了概念設計階段的虛擬制造技術的研究與應用的初步探索與嘗試，相信隨著企業的不斷發展，虛擬現實技術會逐漸拓展在制造過程中的各個領域的深入應用，為提高農機制造企業的核心競爭力和創新能力發揮更大作用。

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本文標題：2013PLM征文：虛擬現實在拖拉機制造中的研究與應用

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