虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程的模擬(可用)檔

1、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程的模擬摘要虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)是一項快速發(fā)展的計算機接口技術(shù)，其可以幫助相關(guān)專業(yè)人進行完全的模擬實驗，進而可以進一步大大提高其整體影響，同時為人機之間提供了一個更加直觀的鏈接平臺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在好多地區(qū)被成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，包括快速印刷，制造業(yè)，科學的可視化，工程上以及教育中等等。該論文以虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造工藝中的應(yīng)用做一個新的論述。關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；虛擬制造；虛擬環(huán)境1. 簡介對于當今制造領(lǐng)域的生產(chǎn)廠家而言，為了提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，他們亟需將概念化的新興技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品。這些新興技術(shù)中就包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)。關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的來源可以向后追

2、蹤到“最終顯示”中1，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使其應(yīng)用者通過計算機屏幕進入到三維(3D)世界中，這些虛擬的東西猶如實物一樣，應(yīng)用人員可以隨意觀察,拖動以及分析。虛擬現(xiàn)實技術(shù)實際是通過假設(shè)構(gòu)造的初始概念，是將人大腦想象出來的的東西通過計算機圖形表示出來。該技術(shù)也是一種新型的獲取技術(shù)知識的渠道，也是以前未曾敢于想象的一種思想概念2。隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)會在許多領(lǐng)域貢獻更大作用。虛擬制造技術(shù)(VM)是一種將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)中的生產(chǎn)技術(shù)，然而，當Shukla et al.4對虛擬現(xiàn)實技術(shù)再次有了一定貢獻和發(fā)展時，其實早在1995年3，馬里蘭大學的研究者已將該技術(shù)介紹到了虛擬制造技

3、術(shù)中。虛擬制造技術(shù)就是計算機系統(tǒng)可以幫助制造系統(tǒng)5獲取到真實的生產(chǎn)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)、位置以及其相關(guān)特點，虛擬制造技術(shù)為在“計算機中生產(chǎn)”提供了可能。也就是說虛擬制造技術(shù)會提供一個非常強大的模擬仿真環(huán)境，使得所有產(chǎn)品包括關(guān)聯(lián)在一起的制造工藝在內(nèi)的制造和裝配工序，都可以在計算機內(nèi)模擬。1.1. 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類Ivan Sutherland詳細的介紹過模擬世界的關(guān)鍵在于完整的感官輸入和輸出，這也是當前關(guān)于研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)之所在。他的挑戰(zhàn)在于如何使得計算機屏幕成為人們感覺虛擬中的東西猶如真實的:即看著真實，用著真實，聽著真實和感覺著真實1。雖然將所有的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)分類很難，但是大多的組態(tài)大致可以

4、分成主要的三種，并且每類都可以通過實際的深入深入程度或是用以解決該問題的方法來標注。這些類別包括non-immersive(桌面)系統(tǒng)，semi-immersive投影系統(tǒng)，以及如表1所示的深入浸入系統(tǒng)。已經(jīng)有大量的關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軟件出現(xiàn)在市場上了，這些軟件可以應(yīng)用于開發(fā)不同領(lǐng)域虛擬環(huán)境(如Superscape VRT和SENSE8)，此外，這些軟件包已經(jīng)被應(yīng)用于虛擬生產(chǎn)開發(fā)當中（如：DELMIA）。DELMIA軟件包已經(jīng)為相關(guān)專業(yè)人員提供用以開發(fā)虛擬生產(chǎn)環(huán)境，從而來幫助完成生產(chǎn)計劃，費用估算，廠區(qū)配置，工效學，機器人學，機械學，相關(guān)檢查，工廠模擬，生產(chǎn)管理等等。1.2. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制

5、造業(yè)中的應(yīng)用制造業(yè)會為一個在國家工業(yè)化進程中提供非常大的動力，然而，當今的制造業(yè)越來越難以滿足顧客的需求，并且越來越失去競爭力了。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在近十年的發(fā)展，已經(jīng)大 表1 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) Non-immersive虛擬現(xiàn)實技術(shù) Semi-immersive虛擬現(xiàn)實技術(shù) Fully-immersive虛擬現(xiàn)實技術(shù)輸入設(shè)備 鼠標，鍵盤，操縱桿，軌跡球。 操縱桿，空間球和數(shù)據(jù)手套 手套，語音命令輸出設(shè)備 高清晰度的標準監(jiān)測系統(tǒng) 大屏幕監(jiān)視器，大屏幕投影儀系統(tǒng)， 頂部安裝的顯示器 (HMD), CAVE 多重的電視投影系統(tǒng)解決率 高 高 中等偏下浸沒感 中等 中等偏上 高相互干涉

6、低 中等 高 價格 成本最低 貴 很貴大的促進了該技術(shù)在如產(chǎn)品設(shè)計，造型，車間管理，過程模擬，生產(chǎn)計劃，培訓，測試和驗證等工程領(lǐng)域的發(fā)展。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在實際投入生產(chǎn)制造之前，有效地解決所遇到的問題，從而可以避免重大錯誤，使得該技術(shù)在制造應(yīng)用中有著很大的潛力。虛擬現(xiàn)實不僅在三維空間里為人們提供了一個可視環(huán)境，而且還在定性和定量上為人們做出改進性決定提供了依據(jù)8。下面這不分著重討論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，包括，設(shè)計，原型制作，加工，裝配，檢查，準備，培訓和模擬。虛擬現(xiàn)實在制造業(yè)中的應(yīng)用被分成了三類;運營管理，制造工藝，設(shè)計?，F(xiàn)就對每組進行簡要介紹，會在后面的內(nèi)容中會對每組進行一個詳細

7、的分類。1.2.1. 設(shè)計虛擬現(xiàn)實在設(shè)計新產(chǎn)品時會成為一個非常重要的依據(jù)，該技術(shù)已經(jīng)被申請應(yīng)用于兩個不同的專利設(shè)計里，關(guān)于設(shè)計和原型制作詳見表2，關(guān)于設(shè)計中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的好處詳見表4。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也為設(shè)計者在進行新產(chǎn)品的概念設(shè)計階段提供了一個虛擬的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計人員在虛擬環(huán)境下可以構(gòu)造出一個產(chǎn)品的3D“素描”圖。在這種情況下，例如鉸接、裝配等機械結(jié)構(gòu)的功能特性，就可以用來評估概念設(shè)計的可行性，也可以根據(jù)實際的需求進行相關(guān)的修改，一旦設(shè)計人員滿意他們的設(shè)計，那么他將會被用于進行相關(guān)的修改。在產(chǎn)品開發(fā)過程，原型制作是一個非常必要的步驟。產(chǎn)品模型可以體現(xiàn)產(chǎn)品的一些特征，根據(jù)產(chǎn)品模型可以對產(chǎn)品進行

8、調(diào)研、評估和改進。虛擬樣本可以證明進行物理方案設(shè)計的可行性，可以進行工程分析，生產(chǎn)計劃，支持管理決策，也可以從潛在的新產(chǎn)品客戶得到一些反饋。虛擬環(huán)境的模型制作就包括這些6。(a) 功能性: 模擬樣品會明確地確定和實際產(chǎn)品的功能性、態(tài)行為。(b) 人的相互作用： 人所起的作用包括必要的實際模擬，或是人們也要必然的參與 實際的模擬當中去。(c) 環(huán)境： 在脫機狀態(tài)下可以進行計算機功能的仿真，或是可以將脫機狀態(tài)下 的組合模擬機和實施仿真結(jié)合在一起。1.2.2. 運營管理 運營管理被分成三個類別：計劃、模擬和培訓。關(guān)于在這些工序中使用模擬環(huán)境的好處詳見于表4 。 表2 虛擬設(shè)計在生產(chǎn)制造中的應(yīng)用應(yīng)用

9、定義 舉例產(chǎn)品設(shè)計 虛擬設(shè)計就是應(yīng)用虛擬技術(shù)為設(shè)計工作者提供一個虛擬環(huán)境來評估設(shè)計和備用設(shè)計，將產(chǎn)品模擬學和產(chǎn)品工程學有效地結(jié)合在一起 來進行人體跟蹤。原型制作 虛擬模型制作是指應(yīng)用虛擬虛擬模型將物理模型代替或是結(jié)合在一起的制作過程，從而為新產(chǎn)品開發(fā)、檢測和具體的評估提供一個候選的特征設(shè)計。麻省理工學院已開發(fā)了一個為了機械設(shè)計的虛擬車間。該項目是為設(shè)計師做概念設(shè)計時所提供的一個模擬車間，所以必須要考慮到制造工藝， 該模擬車間由一個帶鋸，一個鉆床，一個銑床，一個搖臂鋸，一個臺鋸組成，伊利諾伊大學，芝加哥，普渡大學以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)了一個計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，該項目的關(guān)鍵點在于通過利用虛擬

10、現(xiàn)實技術(shù)將復雜的機械零部件簡潔的繪制出來。 圖1 完全獨立的虛擬現(xiàn)實環(huán)境 圖2 通過現(xiàn)實的虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的虛擬工廠由于靈感式的工廠計劃需要，人們在對計劃的論述改進、支持跨學科間的研究討論中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會非常有用。圖1所示的完全獨立的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，將會在未來的工廠設(shè)計中作為一個基本的工具而被使用。該虛擬現(xiàn)實環(huán)境已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用于視覺地、三維的空間中，被用以探索各混合產(chǎn)品間的相互影響、核實時間表、以及工人的生產(chǎn)經(jīng)驗11。虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)知識的培訓是當今世界對雇員所傳授的最先進的制造技術(shù)和程序。利用刃腳虛擬現(xiàn)實技術(shù)會使人們覺得模擬培訓發(fā)生現(xiàn)實里的實際設(shè)施中，會使人們覺得在行動中、視覺上以及聽覺中都在

11、現(xiàn)實里12。一些模擬的產(chǎn)品會為人們在描繪模型產(chǎn)量化時提供相關(guān)依據(jù)（如: Witness 2003, Simul8和Flexsim），圖2所示的虛擬環(huán)境就是利用Witness VR專門為一個工廠13開發(fā)的，表3列舉了模擬現(xiàn)實技術(shù)在生產(chǎn)管理中的一些應(yīng)用。1.2.3. 制造工藝 制造工藝分為三部分：加工、裝配和核實。表4就關(guān)于利用模擬現(xiàn)實技術(shù)在生產(chǎn)制造工程有的優(yōu)點進行了描述。. 加工 虛擬機械加工技術(shù)可以應(yīng)用于如旋轉(zhuǎn)、銑削、鏜孔、研磨等切割加工過程中。虛擬機械 表3 模擬現(xiàn)實技術(shù)在生產(chǎn)管理中的應(yīng)用加工技術(shù)還經(jīng)常用于研究影響質(zhì)量的因素，材料的加工、切除的時間進程以及工具盒工件之間的相對運

12、動。圖3展示了一個工程師正在利用虛擬現(xiàn)實的“半模擬環(huán)境”技術(shù)來模擬六角機床的使用方法，位于巴斯的巴斯大學16專門為了涂裝而開發(fā)了包含有一個三軸數(shù)控銑床、一個五軸機器人在內(nèi)的綜合虛擬車床。用戶可以在銑床上安裝一個工件，選取制造一個工具，就可以直接的進行機械加工了，比如用以軸向進給或預設(shè)程序17。圖3 虛擬機床 類別 相關(guān)的應(yīng)用 計劃 從事于監(jiān)測項目時進行程序規(guī)劃的所有工作人員經(jīng)常在工作中出現(xiàn)計劃不充分而推遲產(chǎn)品開發(fā)等麻煩，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過創(chuàng)造一個視覺環(huán)境為制造系統(tǒng)提供一個最優(yōu)計劃。該技術(shù)在基于人們的生產(chǎn)經(jīng)驗和生產(chǎn)現(xiàn)狀的條件下，通過進行視覺比較而得出一個解決辦法，從而可以幫助快速生產(chǎn)和擴大生

13、產(chǎn)工藝14。 模擬 該技術(shù)已經(jīng)使得以前不相信其能夠模擬工具和理解模擬的能力的人們得以認可 21； 可以幫助人們區(qū)別模具的模態(tài)邏輯和和其現(xiàn)實行為 15； 該技術(shù)可以為猶如真實發(fā)生過的信息提供視覺痕跡，從而幫助人們區(qū)分其真假； 該技術(shù)也為那些尚未能將模型區(qū)分開的人們提供了一個區(qū)分的機會； 可以幫助模擬工具來理解模型的模擬結(jié)果和其動態(tài)行為； 可以為雇員，雇主，非技術(shù)性人員提供交流，理解模擬的統(tǒng)計結(jié)果虛擬環(huán)境。 培訓 該技術(shù)由于容許任何一個雇員都可以完全接觸整個設(shè)施而提供了最好的培訓平臺； 設(shè)施的虛擬環(huán)境會允許雇員實踐真實存在的新的安全生產(chǎn)任務(wù)，可以看到一個產(chǎn)品在整個制造系統(tǒng)中如何成形，以及哪種培訓過

14、程更有效果。 表4 關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用的一些例子 裝配 虛擬裝配是虛擬制造的重要組成部分，其定義是：利用計算機工具“協(xié)助”裝配工程師在沒有實際成品或程序支持的情況下進行模擬分析、預測和可視化模擬。在裝配工作中18, 類別 優(yōu)點 設(shè)計設(shè)計 容許整個設(shè)計團隊可以在同一個虛擬環(huán)境下一起工作； 通過容許使用同一型號產(chǎn)品的用戶在一起工作來改善產(chǎn)品的可視化； 通過改善產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)聯(lián)性而追求更直觀的模型操縱和功能實驗； 原型制作 在對新產(chǎn)品進行概念化、設(shè)計和評估時可以有效地減少硬件 原型制作的數(shù)量。 在模型設(shè)計某些專門特征時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為其開發(fā)、檢測和具體的評估提供一個虛擬環(huán)

15、境 。 生產(chǎn)管理 計劃 幫助對生產(chǎn)計劃更進一步地理解，支持跨學科討論； 容許用戶在模型運行期間對其進行交換和變動； 幫助新用戶理解和參與相關(guān)的規(guī)劃過程； 為各種各樣的生產(chǎn)計劃提供技術(shù)指引和經(jīng)濟模擬預算； 模擬 鼓勵大家使用模擬技術(shù)； 核實和驗證仿真模型； 使用戶能夠明白相關(guān)的結(jié)果； 為大家相互交流提供虛擬環(huán)境； 為模擬技術(shù)簡歷可信度21； 培訓 可以把整個生產(chǎn)過程拷貝在虛擬環(huán)境中，使一些培訓者可以在他們自己的工廠里學習； 在對用戶人身和設(shè)備不構(gòu)成任何危險地前提下，可以為他們提供一個模擬預算收入的環(huán)境； 可以容許雇員在非常安全的前提下實踐新的現(xiàn)實存在的任務(wù)；制造工藝 加工 評估機械零部件設(shè)計加工

16、的可行性，以及對加工設(shè)備的選擇； 以產(chǎn)品模型和相關(guān)模擬為依據(jù)，幫助用戶研究影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素，機械加工工時以及成本預算； 裝配 減少設(shè)計周期，再設(shè)計時間以及原型設(shè)計工序18； 預算產(chǎn)品的裝配質(zhì)量、生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本； 幫助裝配和拆裝檢驗；檢測 模擬檢測生產(chǎn)工序，評估設(shè)備的物理力學性能； 為研究檢查方法論，碰撞檢測，核實計劃，尋找影響檢測準確性因素20等提供了平臺。 虛擬機械加工技術(shù)常常用于核實機械裝配工序，檢查加工設(shè)備和工具的機械和物理性能，以虛擬模型和模擬為依據(jù)尋找影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可用于裝配和拆裝過程中。例如：一個工人能夠裝配一個部件和元件嗎？以及該部件可以拆裝開來用于后

17、續(xù)的服務(wù)和維修當中嗎？還有其他問題也需要解決：該部件是“復雜”還是“容易”拆裝/裝配？需要多長時間？在人類工程學中地位高低？有足夠空間來存放工具嗎？. 檢測 虛擬檢查即利用虛擬的機械加工技術(shù)來模擬檢測機械加工進程以及檢測設(shè)備的物理力學性能。檢測的目的在于能夠更好的研究檢查方法論，碰撞檢測19,核實計劃，尋找影響檢測準確性因素等課題20。2. 結(jié)論虛擬現(xiàn)實技術(shù)這一強大工具將會用于檢測、評估新產(chǎn)品和新概念，大大縮短產(chǎn)品有概念化到投入市場的時間，也可以降低生產(chǎn)成本。當今，只有一些大公司開始應(yīng)用該技術(shù)并且已經(jīng)開始從其強大的競爭優(yōu)勢中獲益了。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)被人們廣泛的使用和不斷地認可，將

18、會使得軟件和生產(chǎn)設(shè)備走向高質(zhì)量和低成本。已有的虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被用于解決客戶的實際問題，提高了贏利能力，減少了產(chǎn)品投入市場的時間，也提高了工作人員的安全性。在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)計下線之前，可以預先被定義、模擬和分類。該技術(shù)也使工程師們在遇到問題時，不僅可以想象，還可以更有效率地去實地解決問題。這些可視化工序，再結(jié)合其相互間的關(guān)聯(lián)，可以提高工程師的決策力，從而大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少新產(chǎn)品的開發(fā)時間。如果這些虛擬現(xiàn)實技術(shù)能被有效地利用，將會改善產(chǎn)品設(shè)計，而優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品將會使客戶們視客戶們使用的更加滿意放心。致謝該論文在起草過程中，得到了愛爾蘭政府大力財政支持，在此，筆者對政府致以誠摯

19、的感謝！ 參考文獻 1 I.E. Sutherland, The ultimate display. Proceedings of IFIPS Congress,vol. 2, New York, NY, 1965, pp. 506508.2 K. Pimentek, K. Teixeira, Virtual reality: Through the New LookingGlass, first ed., Windcrest/McGraw-Hill, PA, 1993.3 E. Lin et al., Contribution to Virtual Manufacturing Backgro

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