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1、西安航空职业学院西安航空职业学院毕业论文毕业论文基于基于 IC.IDO 可视化虚拟平台的设计制造协同方案研究可视化虚拟平台的设计制造协同方案研究姓姓 名：名： 专专 业：业： 航空电子 班班 级：级： 完成日期：完成日期： 指导教师指导教师: 摘 要 文中基于设计端与制造端的技术隔离现象，提出了设计制造协同的概念，给出了基于 IC.IDO 可视化虚拟平台的组成，研究了运行模式、信息集成及应用规划，结合详细应用案例分析了可视化设计制造协同应用系统在电缆设计中的应用，证实了通过构建基于 IC.IDO 的可视化虚拟平台，实现设计制造协同，能有效地减少产品研制过程中的实物试装次数，提高产品装配质量、效
2、率和可靠性。关键词 协同 IC.IDO 可视化虚拟平台 运行模式 信息集成 应用方案1 1 引言引言近年来，随着信息技术的不断发展，制造端已经普遍采用了 CAD、CAPP 等工具及 PDM 系统进行工艺设计以及数据管理工作，但与设计端一直缺乏良好的协同手段，导致设计与制造环节相互割裂，无法实现良好的并行工作模式。随着用户方对产品质量、交付周期等的要求越来越严格，必须打破设计与制造部门间的技术隔离现象，加强设计部门与制造单位的协同能力，实时交互，并行开展工作，才能更好的在设计过程中尽早的发现在后续工艺、生产制造中可能存在的问题，减少错误，避免大规模的返工。基于以上需求，本文建立了可视化虚拟平台，
3、对平台本身的组成、运行模式进行了分析，对于如何实现设计端与制造端的协同进行了信息集成以及应用规划，并对具体的应用案例进行了说明。2 2 可视化虚拟平台组成可视化虚拟平台组成可视化虚拟平台由分别部署于设计端和制造端的具有相同软件模块的多套可视化设计制造协同应用系统组成。各系统通过网络连接，进行快速的数据交换。所有协同参与方都可以看到完全相同的产品模型，并可独立对模型进行交互操作，实现设计端与制造端以在线的方式，基于同一环境异地同步开展虚拟仿真。图 1 分布式协同工作示意图可视化设计制造协同应用系统由驱动核心功能实现的 IC.IDO 软件系统及与支持功能实现的同期建设的大规模投影系统硬件及外设共同
4、组成的。软件系统采用模块化架构，支持多核心、多线程技术，支持 64 位操作系统，不仅可以驱动高性能图形显卡的多种渲染器，同时可以通过自身模块实现包括模型导入、动态干涉检查、柔性部件实时分析、动画及渲染、人机工效仿真等复杂功能。硬件系统主要包括四大部分：投影成像系统、动作捕捉系统、图形数据处理系统和中控系统。软件系统与同期建设的硬件系统结合，实现设计模型的真实尺寸三维显示和实时人机交互反馈。固定式沉浸环境的系统整体结构设计布局示意图如图 2 所示：图 2 固定式沉浸环境设计布局示意图其中，1）图形和数据处理系统：采用高性能图形工作站集群，其中 1 台作为应用节点（主节点），另 1 台作为图形渲染
5、子节点，所有图形设计软件及虚拟现实软件在图形工作站集群或单节点图形服务器中运行；2）投影及成像系统：由高亮度、高分辨率的高清主动立体投影机构成，提供三维沉浸感可视化环境；3）动作捕捉系统：包含动作捕捉系统主机、红外动作捕捉摄像头、手执式交互设备等；通过接口软件实现与用户软件应用的通信，让操作者与虚拟现实图形间进行互动，实现用户需求的工程流程；4）中控系统：实现对投影机、灯光、音响等系统进行的控制。3 3 运行模式运行模式可视化设计制造协同应用系统的运行模式主要包括：系统独立运行模式和多系统协同运行模式。3.13.1 系统独立运行模式系统独立运行模式可视化设计制造协同应用系统分为桌面环境及沉浸式
6、立体展示环境两种模式，在这两种模式中的系统功能模块完全相同，可以实现一致的各类操作及数据处理过程。但这两种模式对于应用场合各有侧重，表现在：桌面应用环境：更适用于单人操作的场合，如设计模型的导入、更新和管理，单独进行模型检查及分析，单个人参与网络协同评审等情况。沉浸式立体展示环境：更适用于需要多人共同现场讨论或需要真实体验的场合，如阶段性综合评审、真实模拟工艺及装配可行性分析、产品展示、虚拟制造及虚拟维护培训等环节。首先，使用者从 PDM 中调入已有的 CAD 三维数据模型，并在系统自动进行轻量化处理后，在系统环境中完成多部件模型的整合工作（如：原为多个单一数据模型，在具有相同建模坐标系的情况
7、下可直接调入系统中，无需在 CAD 软件中进行装配整合），这一过程一般在桌面环境中完成即可。之后，可根据不同应用场景（如：评审应用场景、制造性/维护性检查应用场景等）需求选择桌面环境或沉浸式立体展示环境进行使用。当然，在网络协同评审等过程中也可选择两种环境的结合使用。对于桌面环境的应用将在一台桌面图形工作站上完成，与常规软件的应用模式一致；对于沉浸式立体展示环境的应用模式相对比较特殊，采用可视化设计制造协同应用系统自身的图形通道将模型信息传递给渲染通道图形处理服务器，并由其实现三维显示，最终在沉浸式展示环境中实现沉浸的立体显示功能；同时，动作捕捉系统可实时捕获人机交互设备产生的真实操作信息，并
8、实时反馈给系统，由系统对各项软件功能及功能性虚拟样机展示等进行实时控制。3.23.2 多系统协同运行模式多系统协同运行模式以上应用模式在不同的业务环节及应用需求中，可单独使用，也可根据需要进行多系统的协同应用，实现灵活的应用效果。在多个系统间，可通过协同模块实现异地的协同运行模式，各系统可基于同一个数据模型在不同地点进行操作，在其它系统环境中可同步了解其视角、具体操作等，以实现异地的协同讨论、协调、评价、审核等工作。对于多系统协同运行模式，可支持 IC.IDO 软件各种应用环境的多方协同，包括：沉浸式系统、便携式系统、桌面系统。具体应用模式示意图如图 3 所示：图 3 应用环境组合应用示意图4
9、 4 信息集成信息集成为了实现设计端与制造端基于可视化虚拟平台良好的开展协同工作，本系统需要实现可视化设计制造协同应用系统集成应用以及本系统与 PDM 系统的联合应用。4.14.1 设计端与制造端的系统集成应用设计端与制造端的系统集成应用通过可视化设计制造协同应用系统的协同工作模块，可实现在多系统间的数据、操作等的交互式传输，打通单位与单位间、部门间协同应用的桥梁，实现更直观、多地的协同沟通工作环境。主要应用方式如下：1）沉浸式环境及桌面环境的多地点协同交流，工作方式为：由主持方的环境建立协调服务，设定协同会议的参会用户名及密码，其他参加协同会议的用户，可在可视化协同应用软件协同模块中以参加者
10、身份输入 IP 地址、参会用户名及密码进入协同工作环境，开展协同工作。2）在协同环境中，可支持对不同参与者的视角进行显示，视角控制方可将自身视角共享给其他参与方，使参与人员均能远程同步观察视角，视角控制方可进行控制方切换；不同参与方可同时对同一数模的不同零部件进行选择、移动等操作；各参与方可对同一模型进行标注、测量等。3）通过会议电话，可实现设计端与制造端沉浸式环境的语音传输，协同设计时，两端各用一台会议电话机，通过全向麦克风及扩音器，可在 15m-60m范围内接收声音并传递给对方，实现人员的直接交流。对于在协同工作中数据传输的安全性方面，软件可以支持由本地从 PDM 或其他系统中将模型下载到
11、本地后进行协同的方式，在协同过程中仅传递视角、移动位置等信息的模式，以保证数据的安全性。4.24.2 与与 PDMPDM 系统的联合应用系统的联合应用可视化设计制造协同应用系统将与 PDM 系统实现联合应用模式。可视化设计制造协同应用系统可为接收上游设计数据后进行装配工艺验证、管线布置分析、生成 3D 工艺指导文件、装配生产线规划等提供技术支撑，通过 PDM 系统对其所生成的 3D 可视化协同模型数据、3D工艺指导文件等进行管理与发放。系统整体集成应用模式如图 4 所示：图 4 系统整体集成应用模式示意图5 5 应用规划应用规划 通过梳理设计端与制造端的实际业务流程，制定了针对设计及制造协同的
12、具体业务流程应用规划如下：5.15.1 在装配工艺流程中的应用规划在装配工艺流程中的应用规划 可视化设计制造协同应用系统在装配工艺流程中的应用规划，涉及到不同的软件环境，如桌面环境、沉浸式环境及协同环境。可装配性分析 人机工程分析可装配性协同分析设计模型预发布装配工艺审查装配工艺性评审未通过 返回设计调整装配工艺规划通过装配工艺辅助文件生成与VPPC系统集成 导入结果数据图 5 装配工艺应用流程图应用步骤详细说明见下表 1：表 1 在装配工艺流程中的应用步骤详细说明序号序号应用步骤应用步骤应用人员应用人员软件环境软件环境应用输出应用输出说明说明可装配性分析设计师桌面环境3D 可视化模在设计过程
13、中，设计师进行内部产品人机工程分析及沉浸式环境型可装配性及人机工程分析验证。将Pro/E 模型读入 3D 可视化系统，在 3D可视化系统中进行。可装配性协同分析设计师发起，工艺师配合沉浸式协同环境3D 可视化模型在设计过程中，如遇需要工艺参与讨论的问题，可随时通过协同环境进行，以便尽早发现问题、解决问题。设计模型预发布设计师Pro/E 模型3D 可视化模型在达到一定产品成熟度后，设计单位将设计模型在 PDM 系统中进行预发布，以便工艺人员提早进行工艺审查等工作。装配工艺审查工艺师桌面环境3D 可视化模型工艺师基于设计端提供的 3D 可视化模型，对产品整个装配工艺进行验证及审查，对于重点或狭小空
14、间等可调入工装、工具等进行重点验证审查。装配工艺性评审设计师、工艺师沉浸式协同环境3D 可视化模型通过协同环境，对装配工艺审查中发现的问题等进行协同讨论评审装配工艺规划工艺师桌面环境3D 可视化模型基于设计端提供的 3D 可视化模型，加入工装、设备、工具等，制定装配规划、定义装配顺序及装配路径等，并进行仿真模拟装配工艺辅助文件生成工艺师桌面环境装配动画、报告、XML装配顺序文件生成装配动画、报告、XML 装配顺序文件等装配工艺所需辅助文件与VPPC系统集成导入结果数据工艺师将上述装配工艺所需辅助文件（工序及视频文件）导入 VPPC 系统，视频文件大小可根据用户需求制定。5.25.2 在线缆工艺
15、设计中的应用规划在线缆工艺设计中的应用规划 可视化设计制造协同应用系统在线缆工艺设计中的应用规划，主要涉及软件桌面环境。线缆模型发布线缆装配 性验证未通过 返回设计调整线缆生产工艺 辅助动画制作通过线缆装配工艺 辅助动画制作与PDM系统集成导入结果数据图 6 线缆工艺应用流程图应用步骤详细说明见下表 2：表 2 在线缆工艺设计中的应用步骤详细说明序号序号应用步骤应用步骤应用人员应用人员软件环境软件环境应用输出应用输出说明说明线缆模型发布设计师、 工艺师 Pro/E 软 件及可视 化设计制 造协同应 用软件 桌面环境Pro/E 模型 3D 可视化模 型当线缆设计完成后，将线缆 数模转换为 Pro
16、/E 实体模型， 并可结合可视化设计制造协 同应用软件进行重点部位分 析后，将 Pro/E 实体模型及 3D 可视化模型在 PDM 系统 中进行发布，以便工艺人员 进行线缆工艺验证及编制工 作。线缆装配性验证工艺师可视化设 计制造协 同应用软 件 桌面 环境3D 可视化模 型工艺师从 PDM 系统下载数模 后，在可视化设计制造协同 应用系统中对线缆的空间干 涉情况、接头连接及紧固过 程等，基于完整产品及设备 环境进行验证，确保线缆装 配的可行性。线缆生产工艺辅助动画制作工艺师可视化设 计制造协 同应用软 件 桌面 环境3D 可视化模 型 视频文件在线缆生产工艺编制完成后， 制作线缆生产过程动画，将 包含相应工装，验证工装设 计及提供生产人员参考。线缆装配工艺辅助动画制作工艺师可视化设 计制造协 同
