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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虚拟现实仿真技术研究与应用虚拟现实仿真技术研究与应用姓姓 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：摘要：本文介绍了虚拟现实仿真技术的特点和研究现状，从虚拟现实范畴涉及的虚拟装配、数字工厂两方面阐述了虚拟现实仿真技术在特种车辆制造过程中的应用情况，并对未来发展方向进行了展望。关键词：关键词：虚拟现实仿真技术；虚拟装配；数字化工厂1.引言 虚拟现实是从两个英语单词“Virtual Reality”翻译而来的，自二十世纪九十年代以来，虚拟现实技术（VR）一直是信息领域研究、开发和应用的热点方向
2、之一，它在航空航天、交互式 GIS、数字地球、信息可视化和游戏娱乐等领域都有广泛的应用1。虚拟现实仿真技术是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及其加工特性等各方面可能存在的问题，从而实现产品制造的本质过程，应用对象包括产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等。随着时代的进步和信息技术的迅猛发展，虚拟现实技术得到了高速发展。有学者认为，21 世纪人类将进入虚拟现实的科技新时代，与多媒体技术、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。因此，虚拟现实技术日益成为人们探索和改造客观世界的重要手段。 2.国内外研究现状
3、国外在虚拟现实仿真技术研究方面起步较早，研究领域较广，并且开发了虚拟现实系统软硬件设备。美国北卡罗来那大学（UNC）计算机系在分子建模、航空驾驶、外科手术仿真有国际领先成果2；美国 Stanford 大学利用非接触式三维扫描仪开展了“数字米开朗基罗”项目，将文艺复兴期的意大利著名雕塑家的作品实现数字化3。日本在虚拟现实重构及可视化实用技术研究方面成果突出，在基于虚拟现实的游戏方面处于领先地位4。相比而言，国内起步较晚，受硬件条件的制约，与发达国家相比，仍有一定差距。随着国家重点基金项目支持力度不断加大，我国在图形生成技术、碰撞检测技术、地理空间信息数据库及实时场景绘制技术方面取得重要研究成果5
4、。浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室的“虚拟故宫”项目已经研发出一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统6；北京新奥特成功开发了虚拟演播室系统等项目7。 3.虚拟装配技术研究 虚拟装配的定义首次出现是在文献8中，是指在没有实际产品或者物理过程支持的情况下，运用计算机分析、预测模型，用数据表达，辅以可视化，做出与装配相关的工程决策。虚拟装配实际上实现了两个层次的映射，第一层(底层)产品物理模型被映射为产品数字化模型，第二层(顶层)产品真实的装配过程被映射为虚拟的装配仿真过程。底层映射的作用是免除了产品的实际物理模型，为实现可装配拆卸性分析、公差分析打下基础；有了顶层的映射，可实现装配规划、装配仿真
5、和装配评价等9。3.1 关键技术研究（1）数字化装配信息模型创建及多源数据模型格式转换技术结合车辆零部件数字化装配模型的需求，开展了各种装配场景模型的实体表达及信息描述研究，分析并优化了装配模型在虚拟环境中的建立内容和流程，采用虚拟现实系统与多异构 CAD 系统通讯并将 CAD 数据导入整合的手段，实现了模型文件从 Creo 环境的数据导入到虚拟现实环境数据信息完整性。以车辆变速器为例，通过研究实现了虚拟环境下数字样机与物理模型装配信息的全面继承，如图 1 所示。图 1 车辆变速箱装配模型创建及数字样机示例（2）虚拟场景模型高效能渲染技术目前在虚拟现实环境下基于模型的渲染功能大多以基础纯色为主
6、，为了提高模型的真实度，主流虚拟现实仿真软件多以图片进行渲染，由于针对模型的轻量化显示模式、添加图片的方式及参数调节各不相同，故渲染所产生效果也不一致。通过研究基于虚拟现实系统渲染材质的定义与优化方法，采用添加材质要素图、定义渲染基色等手段，实现虚拟环境下场景的高效能渲染，完成渲染的虚拟装配场景如图 2 所示。图 2 完成渲染的虚拟装配场景（3）沉浸式虚拟环境交互式装配顺序评估与优化技术以车辆产品装配工艺规程作为引导，在虚拟环境下进行交互式装配顺序规划、仿真与评价，利用沉浸式虚拟现实环境的直观性，按初始装配顺序逐个进行零部件的装配，分析评价各类装配操作的难易程度及实用性，并将分析结果信息与装配
7、顺序规划相结合，从而求解生成最优装配顺序，进而有效避免产品错装、漏装现象发生。沉浸式虚拟环境交互式装配顺序规划流程如图 3 所示。图 3 沉浸式虚拟环境交互式装配顺序规划流程(4)虚拟装配干涉检查及路径优化技术装配路径规划是指从被安装零部件存放的位置，直到零部件被装配至产品上所行走的轨迹。在交互式的装配仿真过程中，选择被装配零部件，并精确定位零部件起止位移点，对移动过程进行实时干涉检查，验证并优化初始装配路径，将零部件移动过程关键点进行记录，从而生成有效装配路径，并确保装配路径无碰撞、干涉现象。虚拟装配干涉检查及路径优化流程如图 4 所示。图 4 干涉检查及路径优化流程(5)装配过程人机功效分
8、析通过对人体模型工厂化定制、人体模型快速定义、人体模型物理学动作姿态等人机工程开展研究，评价并优化现场操作人员装配过程的可视性、可达性、舒适性，针对产品装配过程中涉及的人机因素（如装配所需时间、装配操作的舒适程度、安全性） ，以虚拟环境下人体模型模拟操作为依据，验证并分析装配空间、工具、装配行为对操作人员强度的影响，从而设计出最优装配工位，为实际操作提供指导。（6）基于物理属性的柔性线缆虚拟布局敷设仿真技术将工程实际中的线缆抽象化并在虚拟环境下进行表达，其线缆模型既需要全面集成实际线缆的信息，又能够适应仿真软件中对线缆模型的需求。柔性线缆的物理属性包括抗弯曲、抗拉伸、线缆内外径及线缆自身重力等
9、，在虚拟仿真中，通过对柔性线缆物理属性参数合理化定义，分析并确定线缆在虚拟环境下弯曲、形变的临界值，实现柔性线缆布局敷设仿真的高效、整齐及无干涉碰撞现象，仿真结果为线缆实际装配提供技术参考。柔性线缆虚拟布局敷设流程如图 5 所示图 5 柔性线缆虚拟布局敷设流程3.2 应用情况通过前期虚拟装配仿真技术的研究，相关研究成果已成功应用于多型号车辆典型零部件装配中。通过建立基于 MPMS 的制造工艺管理系统和基于 IC.IDO 的沉浸式虚拟现实系统集成的仿真平台，实现了三维装配工艺的现场发布，从而指导装配人员实际操作。4.数字工厂技术 数字化工厂技术是利用计算机仿真技术和虚拟现实技术实现产品全生命周期
10、中设计、制造、装配等多项功能，包括车间布局仿真、工艺规划、物流仿真优化等部分，通过计算机中虚拟的模型来预测产品的可制造性以及潜在的问题10。现阶段制造业车间设计规划主要依靠经验完成，受技术人员知识局限性和主观影响较大，对一些新技术新设备较难把握，规划方案存在技术问题，多数只能靠多次反复调研、论证与评审才能发现，并且通过二维 CAD 图纸不能直观的体现布局方案，一些布局不合理之处较难被发现，最终导致车间建设周期较长。数字工厂技术是将现实中的生产车间抽象成为仿真软件中的虚拟模型，通过对模型操作并对输出数据进行分析和处理，实现对生产车间布局运行状态的预测，进而达到改善和优化的目的。4.1 关键技术研
11、究（1）车间工艺布局设计与优化技术车间工艺布局是整个工厂规划的核心问题之一，车间工艺布局的优劣直接影响了产品制造流程的合理性。车间工艺布局基本类型分为按工艺布局、按产品布局、按固定工位布局、按生产原则布局四种。以车间建设方案为基础，按照一定原则在车间内部空间面积的约束下，对车间内各组成单元以及生产设备进行合理的布置。研究并分析设备、工艺、辅助环节、物料、人员等多种因素对工艺布局仿真结果的影响，进而输出最优化的仿真结果，为车间建设方案制定提供参考。基于虚拟现实的车间工艺布局仿真技术可以直观再现车间建设方案并真实反应生产现状，通过对虚拟环境下模型文件的修改，能够快速展现不同方案场景，便于多方案比较
12、。经过优化的布局方式可提高车间空间利用率、设备利用率，并降低物流、设备投资等成本，进而缩短车间建设周期，提高方案设计效率及质量，铸造生产线工艺布局仿真示例如图 6 所示。图 6 铸造生产线工艺布局仿真示例（2）基于数字工厂的生产线虚拟运行技术以产品制造流程为基础，开展生产线虚拟运行仿真技术研究，定义模型文件位移的起止关键帧，实现对制造流程的动态模拟，分析运行过程中生产线流转、物流路径是否存在干涉碰撞现象，查找并修改设计方案中较难被发现的尺寸关系错误，并对空间尺寸链合理性进行验证，仿真结果为设计方案评审提供技术参考，生产线虚拟运行仿真示例如图 7 所示。图 7 生产线虚拟运行仿真示例（3）生产线
13、仿真资源库构建技术针对目前生产线仿真技术研究所应用的虚拟现实、系统仿真、CAD 模型创建等多项系统，将仿真优化工作全流程标准化。对设备、工装等三维模型进行分类，开发构建可重用的模型库，降低建模时间和人力成本，缩短仿真技术研究周期，生产线仿真资源库界面如图 8 所示。图 8 生产线仿真资源库界面4.2 应用情况数字工厂技术是对生产过程的各个环节，小到每一个操作步骤，大到生产线甚至整个工厂进行设计、仿真、分析和优化，其结果可用于指导实际的生产制造。采用数字工厂技术已完成 12 条新建、改建、扩建车间项目仿真验证及优化，查找设计不合理问题 20 余项，节约大量投资成本，创新了车间设计方案验证方法，实
14、现了生产线制造流程及物流路径的动态模拟，数字工厂仿真案例如图 9 所示。图 9 数字工厂仿真案例 5.结论及建议 本文从虚拟装配及数字工厂两个方面阐述了虚拟现实技术在车辆领域研究与应用情况，同时对虚拟装配技术研究中的六个核心问题：装配模型创建及多源数据模型转换、虚拟场景高效能渲染、装配顺序规划、装配干涉检查及路径规划、人机工程分析以及柔性线缆仿真方面进行了分析。实践证明，虚拟装配为产品的装配工艺规划提供了一种可靠实用的方法和工具，通过虚拟装配仿真，能够真实地反映实际装配过程中遇到的各种问题，包括零部件设计、装配顺序规划、装配路径选择等是否合理，并可以通过虚拟现实环境中沉浸式模式真实体验装配过程
15、中装配难易程度，优化现场零部件摆放及工具工装位置，为提高装配效率、缩短产品研制周期提供强有力的技术支撑。结合数字工厂技术，本文针对车间工艺布局仿真、生产线虚拟运行、仿真资源库构建三个方面进行了阐述。数字工厂技术能够实现产品全生命周期中各个阶段的功能如设计、制造、装配、检测等，并解决各个层面（工厂、车间、生产线等）的不同问题。通过对生产线配置、物流工具配置、生产能力等方面进行评估优化，从而最大限度提高车间资源利用率，实现提高生产效率、节约投资成本的目标。虚拟现实技术是高度集成的技术，涵盖计算机软硬件、传感器技术、立体显示技术等。虚拟现实的发展方向是更快、更高质量的图形，更便宜、设计得更完善的头盔
16、式显示器和其他输入、输出设备更快的计算机处理能力。这些方面的改进将会影响到虚拟现实在实际应用中的各个方面。总体上看，虚拟现实技术的未来研究仍会遵循“低成本、高性能”这一原则，并将在动态环境建模、实时三维图形生成和显示、新型交互设备的研制、智能化语音虚拟现实建模、大型网络分布式虚拟现实系统等方向发展，实现在各个新领域内的广泛应用。参考文献1 党兵.虚拟现实中的虚拟场景生成研究D北京：北京交通大学，2010.62 罗丹.最大的火箭“土星五号”J.国外科技动态，2012（4）：89-91.3 Debevec P E.Modeling and rendering architecture fromphotographs：a hybrid geometry-and image-based approachC/SIGG
