虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)研究與應(yīng)用*

趙 寧，杜劭峰，趙文軍，楊春光，陳 瑋

(特種車輛及其傳動(dòng)系統(tǒng)智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭 014032)

自20世紀(jì)90年代以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一直是信息領(lǐng)域研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)方向之一，它在航空航天、交互式GIS、數(shù)字地球、信息可視化和游戲娛樂等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)是利用仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用群組協(xié)同工作，通過模型來模擬和預(yù)估產(chǎn)品功能、性能及其加工特性等各方面可能存在的問題，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程。應(yīng)用對(duì)象包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析和質(zhì)量檢驗(yàn)等。

隨著時(shí)代的進(jìn)步和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了高速發(fā)展。有學(xué)者認(rèn)為，21世紀(jì)，人類將進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)的科技新時(shí)代，與多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計(jì)算機(jī)技術(shù)；因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益成為人們探索和改造客觀世界的重要手段。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)研究方面起步較早，研究領(lǐng)域較廣，并且開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟硬件設(shè)備。美國北卡羅來那大學(xué)(UNC)計(jì)算機(jī)系在分子建模、航空駕駛和外科手術(shù)仿真方面有國際領(lǐng)先成果[2]；美國 Stanford 大學(xué)利用非接觸式三維掃描儀開展了“數(shù)字米開朗基羅”項(xiàng)目，將文藝復(fù)興時(shí)期的意大利著名雕塑家的作品實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；日本在虛擬現(xiàn)實(shí)重構(gòu)及可視化實(shí)用技術(shù)研究方面成果突出，在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲方面處于領(lǐng)先地位[3]。

相比而言，國內(nèi)起步較晚，受硬件條件的制約，與發(fā)達(dá)國家相比，仍有一定差距。隨著國家重點(diǎn)基金項(xiàng)目支持力度不斷加大，我國在圖形生成技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)、地理空間信息數(shù)據(jù)庫及實(shí)時(shí)場景繪制技術(shù)方面取得了重要研究成果[4]。浙江大學(xué)CAD&CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的“虛擬故宮”項(xiàng)目已經(jīng)研發(fā)出一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)[5]；北京新奧特成功開發(fā)了虛擬演播室系統(tǒng)等項(xiàng)目。

2 虛擬裝配技術(shù)研究

虛擬裝配的定義首次出現(xiàn)是在文獻(xiàn)[6]中，是指在沒有實(shí)際產(chǎn)品或者物理過程支持的情況下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析、預(yù)測模型，用數(shù)據(jù)表達(dá)，輔以可視化，做出與裝配相關(guān)的工程決策。虛擬裝配實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了2個(gè)層次的映射：第1層(底層)產(chǎn)品物理模型被映射為產(chǎn)品數(shù)字化模型；第2層(頂層)產(chǎn)品真實(shí)的裝配過程被映射為虛擬的裝配仿真過程。底層映射的作用是免除了產(chǎn)品的實(shí)際物理模型，為實(shí)現(xiàn)可裝配/拆卸性分析、公差分析打下基礎(chǔ)；有了頂層的映射，可實(shí)現(xiàn)裝配規(guī)劃、裝配仿真和裝配評(píng)價(jià)等[7]。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括如下幾個(gè)方面。

1)數(shù)字化裝配信息模型創(chuàng)建及多源數(shù)據(jù)模型格式轉(zhuǎn)換技術(shù)。結(jié)合車輛零部件數(shù)字化裝配模型的需求，開展了各種裝配場景模型的實(shí)體表達(dá)及信息描述研究，分析并優(yōu)化了裝配模型在虛擬環(huán)境中的建立內(nèi)容和流程，采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與多異構(gòu)CAD系統(tǒng)通信并將CAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入整合的手段，實(shí)現(xiàn)了模型文件從Creo環(huán)境的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)信息完整性。以車輛變速器為例，通過研究，實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境下數(shù)字樣機(jī)與物理模型裝配信息的全面繼承。車輛變速箱裝配模型創(chuàng)建及數(shù)字樣機(jī)示例如圖1所示。

圖1 車輛變速箱裝配模型創(chuàng)建及數(shù)字樣機(jī)示例

2)虛擬場景模型高效能渲染技術(shù)。目前，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下基于模型的渲染功能大多以基礎(chǔ)純色為主，為了提高模型的真實(shí)度，主流虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件多以圖片進(jìn)行渲染。由于針對(duì)模型的輕量化顯示模式、添加圖片的方式及參數(shù)調(diào)節(jié)各不相同，故渲染所產(chǎn)生效果也不一致。通過研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)渲染材質(zhì)的定義與優(yōu)化方法，采用添加材質(zhì)要素圖、定義渲染基色等手段，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下場景的高效能渲染。完成渲染的虛擬裝配場景如圖2所示。

圖2 完成渲染的虛擬裝配場景

3)沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序評(píng)估與優(yōu)化技術(shù)。以車輛產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程作為引導(dǎo)，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行交互式裝配順序規(guī)劃、仿真與評(píng)價(jià)，利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的直觀性，按初始裝配順序逐個(gè)進(jìn)行零部件的裝配，分析評(píng)價(jià)各類裝配操作的難易程度及實(shí)用性，并將分析結(jié)果信息與裝配順序規(guī)劃相結(jié)合，從而求解生成最優(yōu)裝配順序，進(jìn)而有效避免產(chǎn)品錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象發(fā)生。沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序規(guī)劃流程如圖3所示。

圖3 沉浸式虛擬環(huán)境交互式裝配順序規(guī)劃流程圖

4)虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化技術(shù)。裝配路徑規(guī)劃是指從被安裝零部件存放的位置，直到零部件被裝配至產(chǎn)品上所行走的軌跡。在交互式的裝配仿真過程中，選擇被裝配零部件，并精確定位零部件起止位移點(diǎn)，對(duì)移動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)干涉檢查，驗(yàn)證并優(yōu)化初始裝配路徑，將零部件移動(dòng)過程關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行記錄，從而生成有效裝配路徑，并確保裝配路徑無碰撞、干涉現(xiàn)象。虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 虛擬裝配干涉檢查及路徑優(yōu)化流程圖

5)裝配過程人機(jī)功效分析。通過對(duì)人體模型工廠化定制、人體模型快速定義和人體模型物理學(xué)動(dòng)作姿態(tài)等人機(jī)工程開展研究，評(píng)價(jià)并優(yōu)化現(xiàn)場操作人員裝配過程的可視性、可達(dá)性和舒適性，針對(duì)產(chǎn)品裝配過程中涉及的人機(jī)因素(如裝配所需時(shí)間、裝配操作的舒適程度和安全性)，以虛擬環(huán)境下人體模型模擬操作為依據(jù)，驗(yàn)證并分析裝配空間、工具和裝配行為對(duì)操作人員強(qiáng)度的影響，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)裝配工位，為實(shí)際操作提供指導(dǎo)。

6)基于物理屬性的柔性線纜虛擬布局敷設(shè)仿真技術(shù)。將工程實(shí)際中的線纜抽象化并在虛擬環(huán)境下進(jìn)行表達(dá)，其線纜模型既需要全面集成實(shí)際線纜的信息，又能夠適應(yīng)仿真軟件中對(duì)線纜模型的需求。柔性線纜的物理屬性包括抗彎曲、抗拉伸、線纜內(nèi)外徑及線纜自身重力等。在虛擬仿真中，通過對(duì)柔性線纜物理屬性參數(shù)合理化定義，分析并確定線纜在虛擬環(huán)境下彎曲、形變的臨界值，實(shí)現(xiàn)柔性線纜布局敷設(shè)仿真的高效、整齊及無干涉碰撞現(xiàn)象，仿真結(jié)果為線纜實(shí)際裝配提供技術(shù)參考。柔性線纜虛擬布局敷設(shè)流程如圖5所示。

圖5 柔性線纜虛擬布局敷設(shè)流程圖

2.2 應(yīng)用情況

通過前期虛擬裝配仿真技術(shù)的研究，相關(guān)研究成果已成功應(yīng)用于多型號(hào)車輛典型零部件裝配中。通過建立基于MPMS的制造工藝管理系統(tǒng)和基于IC.IDO的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)集成的仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三維裝配工藝的現(xiàn)場發(fā)布，從而指導(dǎo)裝配人員實(shí)際操作。

3 數(shù)字工廠技術(shù)

數(shù)字化工廠技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中設(shè)計(jì)、制造和裝配等多項(xiàng)功能，包括車間布局仿真、工藝規(guī)劃和物流仿真優(yōu)化等部分，通過計(jì)算機(jī)中虛擬的模型來預(yù)測產(chǎn)品的可制造性以及潛在的問題[8]。

現(xiàn)階段制造業(yè)車間設(shè)計(jì)規(guī)劃主要依靠經(jīng)驗(yàn)完成，受技術(shù)人員知識(shí)局限性和主觀影響較大，對(duì)一些新技術(shù)新設(shè)備較難把握，規(guī)劃方案存在技術(shù)問題，多數(shù)只能靠多次反復(fù)調(diào)研、論證與評(píng)審才能發(fā)現(xiàn)，并且通過二維CAD圖樣不能直觀地體現(xiàn)布局方案，一些布局不合理之處較難被發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致車間建設(shè)周期較長。數(shù)字工廠技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)車間抽象成為仿真軟件中的虛擬模型，通過對(duì)模型操作并對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間布局運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測，進(jìn)而達(dá)到改善和優(yōu)化的目的。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括如下幾個(gè)方面。

1)車間工藝布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)。車間工藝布局是整個(gè)工廠規(guī)劃的核心問題之一，車間工藝布局的優(yōu)劣直接影響了產(chǎn)品制造流程的合理性。車間工藝布局基本類型分為按工藝布局、按產(chǎn)品布局、按固定工位布局和按生產(chǎn)原則布局等4種。以車間建設(shè)方案為基礎(chǔ)，按照一定原則，在車間內(nèi)部空間面積的約束下，對(duì)車間內(nèi)各組成單元以及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行合理的布置，研究并分析設(shè)備、工藝、輔助環(huán)節(jié)、物料和人員等多種因素對(duì)工藝布局仿真結(jié)果的影響，進(jìn)而輸出最優(yōu)化的仿真結(jié)果，為車間建設(shè)方案制定提供參考。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的車間工藝布局仿真技術(shù)可以直觀再現(xiàn)車間建設(shè)方案，并真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)狀，通過對(duì)虛擬環(huán)境下模型文件的修改，能夠快速展現(xiàn)不同方案場景，便于多方案比較。經(jīng)過優(yōu)化的布局方式可提高車間空間利用率、設(shè)備利用率，并降低物流、設(shè)備投資等成本，進(jìn)而縮短車間建設(shè)周期，提高方案設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。鑄造生產(chǎn)線工藝布局仿真示例如圖6所示。

圖6 鑄造生產(chǎn)線工藝布局仿真示例

2)基于數(shù)字工廠的生產(chǎn)線虛擬運(yùn)行技術(shù)。以產(chǎn)品制造流程為基礎(chǔ)，開展生產(chǎn)線虛擬運(yùn)行仿真技術(shù)研究，定義模型文件位移的起止關(guān)鍵幀，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造流程的動(dòng)態(tài)模擬，分析運(yùn)行過程中生產(chǎn)線流轉(zhuǎn)、物流路徑是否存在干涉碰撞現(xiàn)象，查找并修改設(shè)計(jì)方案中較難被發(fā)現(xiàn)的尺寸關(guān)系錯(cuò)誤，并對(duì)空間尺寸鏈合理性進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果為設(shè)計(jì)方案評(píng)審提供技術(shù)參考。生產(chǎn)線虛擬運(yùn)行仿真示例如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)線虛擬運(yùn)行仿真示例

3)生產(chǎn)線仿真資源庫構(gòu)建技術(shù)。針對(duì)目前生產(chǎn)線仿真技術(shù)研究所應(yīng)用的虛擬現(xiàn)實(shí)、系統(tǒng)仿真和CAD模型創(chuàng)建等多項(xiàng)系統(tǒng)，將仿真優(yōu)化工作全流程標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)設(shè)備、工裝等三維模型進(jìn)行分類，開發(fā)構(gòu)建可重用的模型庫，降低建模時(shí)間和人力成本，縮短仿真技術(shù)研究周期。生產(chǎn)線仿真資源庫界面如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)線仿真資源庫界面

3.2 應(yīng)用情況

數(shù)字工廠技術(shù)是對(duì)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，小到每一個(gè)操作步驟，大到生產(chǎn)線甚至整個(gè)工廠進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、分析和優(yōu)化，其結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)制造。

采用數(shù)字工廠技術(shù)已完成12條新建、改建和擴(kuò)建車間項(xiàng)目仿真驗(yàn)證及優(yōu)化，查找設(shè)計(jì)不合理問題20余項(xiàng)，節(jié)約大量投資成本，創(chuàng)新了車間設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證方法，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線制造流程及物流路徑的動(dòng)態(tài)模擬。數(shù)字工廠仿真案例如圖9所示。

圖9 數(shù)字工廠仿真案例

4 結(jié)語

本文從虛擬裝配及數(shù)字工廠這2個(gè)方面闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在車輛領(lǐng)域的研究與應(yīng)用情況。

1)對(duì)虛擬裝配技術(shù)研究中的6個(gè)核心問題：裝配模型創(chuàng)建及多源數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、虛擬場景高效能渲染、裝配順序規(guī)劃、裝配干涉檢查及路徑規(guī)劃、人機(jī)工程分析以及柔性線纜仿真方面進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，虛擬裝配為產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃提供了一種可靠實(shí)用的方法和工具，通過虛擬裝配仿真，能夠真實(shí)地反映實(shí)際裝配過程中遇到的各種問題，包括零部件設(shè)計(jì)、裝配順序規(guī)劃、裝配路徑選擇等是否合理，并可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中沉浸式模式真實(shí)體驗(yàn)裝配過程中裝配的難易程度，優(yōu)化現(xiàn)場零部件擺放及工具工裝位置，為提高裝配效率、縮短產(chǎn)品研制周期提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2)結(jié)合數(shù)字工廠技術(shù)，針對(duì)車間工藝布局仿真、生產(chǎn)線虛擬運(yùn)行和仿真資源庫構(gòu)建等3個(gè)方面進(jìn)行了闡述。數(shù)字工廠技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品全生命周期中各個(gè)階段的功能如設(shè)計(jì)、制造、裝配和檢測等，并解決各個(gè)層面(工廠、車間和生產(chǎn)線等)的不同問題。通過對(duì)生產(chǎn)線配置、物流工具配置和生產(chǎn)能力等方面進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化，從而最大限度地提高車間資源利用率，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約投資成本的目標(biāo)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是高度集成的技術(shù)，涵蓋計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)和立體顯示技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展方向是更快、更高質(zhì)量的圖形，更便宜、設(shè)計(jì)得更完善的頭盔式顯示器以及其他輸入、輸出設(shè)備更快的計(jì)算機(jī)處理能力。這些方面的改進(jìn)將會(huì)影響到虛擬現(xiàn)實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的各個(gè)方面?？傮w上看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來研究仍會(huì)遵循“低成本、高性能”這一原則，并將在動(dòng)態(tài)環(huán)境建模、實(shí)時(shí)三維圖形生成和顯示、新型交互設(shè)備的研制、智能化語音虛擬現(xiàn)實(shí)建模和大型網(wǎng)絡(luò)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在各個(gè)新領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用。