0 前言
虚拟现实技术是1993年出现的，经过20年的发展，无论在基础研究，还是技术开发方面已经取得了很大的发展。虚拟现实涉及的技术领域极其广泛，沉浸式三维显示技术是虚拟现实技术的核心。
目前计算机仿真技术在全球范围内的汽车、航空航天、能源、制药、重型设备、电子和家用电器、机器人等行业得到了广泛应用并创造了可观效益，一大批著名企业和部门，如BMW、Ford、Honda、波音公司、欧洲航天局、ABB、Robotics开始采用计算机仿真技术进行虚拟制造。上海大众采用计算机仿真软件成功进行了发动机生产线的设计并优化。一汽大众采用该技术成功完成了其AUDI A6L白车身生产线的建模和优化仿真解决方案。三一重工、郑州宇通等利用数字化工厂进行生产线的规划和虚拟评审。在此之前我国计算机仿真技术只在先进的航空航天及汽车制造企业得以应用。为了应对市场剧烈竞争和消费者需求的快速变化，现代制造企业需要采用计算机仿真技术来提高企业的核心竞争能力。
中国一拖集团有限公司2011年以创新基金投资组建的“中国一拖集团有限公司工艺材料研究所虚拟现实实验室”，依托工艺材料研究所自动化、工艺装备、冷加工艺、铸造工艺等专业研究实力，通过不同学科方向的合作、交叉，开展工艺制造虚拟现实领域的集成应用研究，进行集成创新。
1 虚拟现实平台的建设
一拖工材所虚拟实验室配备有“数字化虚拟现实显示系统”，可以方便的对新产品的虚拟样机、数字化工厂进行综合展示，身临其境、直观地向评审专家展示工厂、生产线、产品虚拟样机以及整个生产过程，方便评审专家做出科学、高效的评审，从而在产品设计初期即可对其进行多方面的工艺评审，提高设计质量。
一拖工材所虚拟实验室目前主要研究方向是：虚拟现实中建模应用理论和方法；增强现实与人机交互机制；仿真数据虚拟现实方法与技术；虚拟现实的产品评审平台工具与系统；涂装车间布局漫游和分析工具与系统。将来随着应用的深入，还将开展虚拟装配、虚拟培训、虚拟热处理及疲劳分析可视化等虚拟制造领域的研究应用。
图1 虚拟现实系统拓扑图
图2 虚拟实验室
图3 生产线虚拟交互
1.1 虚拟现实平台硬件整体框架主要构成及作用
该虚拟实验室拥有支撑虚拟现实领域高水平研究的实验设备和软件系统，包括高性能惠普图形工作站、美国Christie HD+10K-M高清主动立体投影机、德国ART位置追踪及动作捕捉系统、德国Flystick交互设备、大屏幕CADWALL演播环境等硬件系统。
图4 硬件框架
1.1.1 科视主动立体显示系统
由科视Christie HD+10K-M高清投影机，立体信号同步发射器、主动立体眼镜、配备专业定制的硬质背面投影屏幕（图5）组成。
图5 投影机、投影幕、立体眼镜、交互设备
通过立体信号同步发射器，将投影机的信号传入立体眼镜，让用户通过眼镜获得屏幕中的立体影像，获得身临其境的感受。
1.1.2 位置追踪及动作捕捉系统ART
位置追踪器又称位置跟踪器，是指作用于空间跟踪与定位的装置，一般与其他VR设备结合使用，如：数据头盔、立体眼镜、数据手套等，使参与者在空间上能够自由移动、旋转，不局限于固定的空间位置。操作更加灵活、自如、随意。通过动作捕捉系统可以实现人体和虚拟数字的各种交互，将各种机械能转换为计算机可以识别的数字信号，进行机械结构的虚拟装配和结果验证，从而评估可视性和可达性。
1.1.3 交互设备Flystick
通过Flystick（图5）可进行放大、缩小、旋转等虚拟交互操作，四个快捷键支持自定义功能。
1.2 虚拟现实平台主要软件主要构成及作用
实验室拥有法国Techviz立体可视化软件、德国西门子NX建模和Nastran有限元分析以及Tecnomatix数字化工厂中的Factory CAD工厂三维建模软件、Plant Simulation工厂物流仿真分析软件、美国Ensight分析数据后处理及可视化软件系统。
1.2.1 工程仿真多通道立体显示平台软件Techviz
Techviz是世界先进的可视化处理软件，直接将3D数字模型逼真的呈现出来，支持数据手套、力反馈器等交互设备，实现了数字样机及生产线在3D环境下的任意交互和漫游。
1.2.2 可视化后处理软件EnSight
Ensight是美国CEI公司开发的专用后处理及可视化软件系统。是一套适用于各种工程和科学(CFD，FEA，碰撞，流体力学，SPH及其他) 的后处理与计算结果可视化与协同软件使用EnSight来查看、理解、交流各种计算机处理数据结果。
1.2.3 FACTORY CAD三维工厂设计软件
Factory CAD是Siemens PLM中数字化制造解决方案Tecnomatix系列产品的软件模块，是数字化虚拟工厂设计、分析和仿真工具。
Factory CAD可以大幅缩短产品的设计及投产周期。利用灵巧设计和智能对象技术实现了整个工厂的并行工程设计，而不仅仅只是局部的优化。它可以迅速简便地建立、分析和展示可视化的工厂模型，可以根据设计者的意图，通过拖放、连接等方式方便地建立模型，建立后模型的尺寸比非面向对象的几何模型小10倍。用户可以通过它直接访问产能仿真，从而高效搜索生产系统的最优规划、计划和性能水平。
1.2.4 PLANT SIMULATION工厂布局软件
Plant Simulation应用于对生产系统中的生产设备、生产线、生产过程等进行建模、仿真和优化，优化空间规划、物资利用率、排产计划和产能。从而辅助企业在集成的环境下，优化投资、验证产能、分析订单、优化生产计划，解决涂装线规划、混线生产、订单完成时间评估等问题。
在Factory CAD构建的虚拟生产线平台基础上，将设备三维布局、生产物流路径及物料管理数据集成，从而生成有关物流、堵塞和安全的图表，提供数字化统计分析报告，让用户很容易地确定哪种布局有利于流通，可视化输出报表使非设计人员可以判断分析方案具有的优劣势，便于多方会签和评审。
以生产大纲和生产计划为基础，建立起数字化生产线工艺仿真统一数字模型，实现一次建模就可在产品的全生命周期中使用，如在布局时建立的工厂布局图就可在仿真阶段使用。通过工厂的布局设计到对生产制造的规划，然后由仿真优化对规划的结果进行仿真，并将结果反馈给系统的规划设计，直到系统满足规划的要求。
1.2.5 FactoryCAD与Plant Simulation的关系
Factory CAD是工厂三维建模的工具，主要应用于工厂布局规划，设备布置以及三维空间干涉检查。
Plant Simulation是最全面的仿真分析工具，主要应用于工厂物流的详细仿真，也提供了比较多的控制策略和评价方法，如统计图、Sankey图、甘特图、瓶颈分析等，以及优化算法，还能使用开发工具进行用户化的深度定制。尤其是在流程、产能等与具体数据相关的仿真方面，有其绝对的优势。可以将工厂设计（Factory CAD）模块和工厂仿真软件（Plant Simulation）模块的优势结合在一起，也就是在Factory CAD中建立三维工厂的场景，利用Factory CAD的SDX接口使用工厂仿真软件来进行三维工厂仿真。
2 虚拟制造仿真技术的应用
2.1 虚拟样机评审
图6 大轮拖驾驶室
图7 大轮拖底盘
利用NX或PROE建模，实现了大轮拖驾驶室及底盘零件在Techviz立体可视化系统中进行产品样机的评审与交互。
2.2 虚拟铸造模拟凝固分析数据可视化
图8 轮毂铸造模拟凝固可视化
图9 缸体铸造模拟凝固可视化
利用清华铸造CAE进行铸造模拟凝固分析，通过在美国CEI公司开发Ensight的专用后处理及可视化软件系统中，实现分析数据的可视化，可以直观的发现铸件可能存在的铸造缺陷，在概念设计阶段对产品结构进行优化改进。
2.3 机械加工工艺分析可视化
在工艺设计方案初期，利用数字化设计、CAE分析的结果，预测箱体等易变形零件在不同装夹状态下的受力变形量，制定具有针对性的控制措施减少变形；可对驱动轴等轴类零件进行扭转强度、刚度、变形等进行分析；可对三维建模的各种零件、总成进行各种力学与变形分析。从工艺设计的源头提升工艺设计水平与制造质量水平，克服现有的工艺、工装设计主要靠个人经验分析其有效性的缺点，以保证工艺设计的完善性。
图10 箱体夹紧变形分析的优势
图11 箱体夹紧应力变形可视化
2.4 数字化涂装线虚拟试运行
利用西门子数字化制造解决方案Tecnomatix中的Factory CAD可以快速搭建工厂和生产线三维模型，创建结构完整的厂房设施、生产线和工艺层次模型，对生产线进行可视化仿真与分析；利用Plant Simulation可以建立起实际的工厂物流模型，对生产的节拍、批量、生产单元、机群等有效仿真；实现工厂和生产线虚拟试运行。达到节省投资、增加产量、提高设备利用率的目的。
图12 数字化工厂的优势
2.4.1 构建数字化涂装线模型的工具模块库
依据拖拉机底盘涂装线平面布置图和二维设计图纸，利用NX三维设计软件和工厂设计Factory CAD软件，构建涂装线设备三维模型（图13、图14），主要包括：自行葫芦输送系统、前处理、人工吹水室、水分烘干室、面漆喷漆室、面漆烘干室等三维模型，调入工厂设计Factory CAD软件中，利用其参数化工具，构建涂装线数字化模型的工具模块库，导入到数字化生产线设备模型库中。
图13 前处理、人工吹水室三维模型、水分烘干室的三维模型
图14 面漆喷漆室、面漆烘干室的三维模块
2.4.2 底盘涂装线三维动画仿真
依据底盘涂装线生产纲领、工艺流程及实际生产情况来模拟涂装线的生产过程。
2.4.2.1 仿真三维模型的构建
借鉴前期构建的三维模块库，将构建好的涂装线的三维零部件转换成JT格式，导入到Factory CAD软件中，并利用Factory CAD软件中快速装配功能在涂装线二维平面布置图上对涂装线进行装配，构建涂装线生产厂房三维模型（图6）。
图15 拖拉机底盘涂装线三维模型、三维仿真模型
2.4.2.2 动画仿真构建
拖拉机底盘涂装线三维动画仿真中零件输送及电动对开门开关的动作，利用Plant Simulation软件中的编程语言，满足零件在各工艺段的工艺时间，并与电动对开门进行编程，使电动对开门和零件输送动作连锁，以此来实现涂装线的3D动画仿真。模拟涂装线的工艺动作后，将Factory CAD软件中的涂装线的三维模型转换到Plant Simulation软件中，并对三维软件中的零件和电动对开门进行赋值，从而实现涂装线三维动画仿真。
2.4.2.3 虚拟试运行
将建立的涂装线的数字化模型，利用工程仿真多通道立体显示平台软件Techviz，在3D虚拟平台上模拟实际生产的动作虚拟试运行，借助交互设备，可以在涂装线建成之前，直观的身临其境感受或评价涂装线（图16），方便了评审和客户之间的交流。
图16 拖拉机底盘涂装线三维模型、三维仿真模型
2.4.3 覆盖件涂装线二维物流仿真
覆盖件涂装线由前处理电泳线、电泳烘干线、中涂色漆罩光线三条子线构成。依据覆盖件涂装线的平面布置图、各分线的二维图纸、生产纲领、工艺流程及实际生产情况，模拟涂装线的生产过程及各个生产线之间的相互间物流状态，对覆盖件涂装线进行物流仿真分析，主要是为了验证涂装线布局是否能够提供安全的生产环境、车间内物流是否通畅、生产技术和应急方案是否可行等，并以获得最大的生产设备利用率为目标，通过对工艺规划方案的不断优化、验证得到最优的工艺规划方案。
在拖拉机覆盖件涂装线上，通过Plant Simulation软件，在已经构建的覆盖件涂装线虚拟生产线平台上（图17），对前处理电泳线、电泳烘干线、中涂色漆罩光线转运系统相互间物流状态进行模拟，检验生产系统中的生产布局、资源利用率、生产节拍、产能和效率、物流和供需链、生产线平衡等是否合理，是否存在瓶颈问题，从而更好的优化涂装线，并根据仿真的结果，通过专家系统和优化方法的辅助，修改设计、优选了方案；并将优选方案用于指导拖拉机覆盖件涂装线的项目上，使涂装线在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化提供支持和依据。
图17 二维物流仿真分析、仿真分析控制窗口
3 结论
本项目在拖拉机制造过程的铸造、加工、生产线规划等方面，进行了概念设计阶段的虚拟制造技术的研究与应用的初步探索与尝试，相信随着企业的不断发展，虚拟现实技术会逐渐拓展在制造过程中的各个领域的深入应用，为提高农机制造企业的核心竞争力和创新能力发挥更大作用。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
