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虚拟现实技术应用于生产过程的模拟摘要虚拟现实技术(VR)是一项快速发展的计算机接口技术，其可以帮助相关专业人进行完全的模拟实验，进而可以进一步大大提高其整体影响，同时为人机之间提供了一个更加直观的链接平台。虚拟现实技术已经在好多地区被成功地应用于许多领域中，包括快速印刷，制造业，科学的可视化，工程上以及教育中等等。该论文以虚拟现实技术在制造工艺中的应用做一个新的论述。关键词：虚拟现实技术；虚拟制造；虚拟环境1. 简介对于当今制造领域的生产厂家而言，为了提高生产效率和降低制造成本，他们亟需将概念化的新兴技术转化为实际产品。这些新兴技术中就包括虚拟现实技术(VR)。关于虚拟现实技术的来源可以向后追踪到“最终显示”中1，虚拟现实技术可以使其应用者通过计算机屏幕进入到三维(3D)世界中，这些虚拟的东西犹如实物一样，应用人员可以随意观察,拖动以及分析。虚拟现实技术实际是通过假设构造的初始概念，是将人大脑想象出来的的东西通过计算机图形表示出来。该技术也是一种新型的获取技术知识的渠道，也是以前未曾敢于想象的一种思想概念2。随着计算机科学技术的不断发展，虚拟现实技术会在许多领域贡献更大作用。虚拟制造技术(VM)是一种将虚拟现实技术应用于制造业中的生产技术，然而，当Shukla et al.4对虚拟现实技术再次有了一定贡献和发展时，其实早在1995年3，马里兰大学的研究者已将该技术介绍到了虚拟制造技术中。虚拟制造技术就是计算机系统可以帮助制造系统5获取到真实的生产环境下的结构、位置以及其相关特点，虚拟制造技术为在“计算机中生产”提供了可能。也就是说虚拟制造技术会提供一个非常强大的模拟仿真环境，使得所有产品包括关联在一起的制造工艺在内的制造和装配工序，都可以在计算机内模拟。1.1. 虚拟现实系统的分类Ivan Sutherland详细的介绍过模拟世界的关键在于完整的感官输入和输出，这也是当前关于研究虚拟现实技术的基础之所在。他的挑战在于如何使得计算机屏幕成为人们感觉虚拟中的东西犹如真实的:即看着真实，用着真实，听着真实和感觉着真实1。虽然将所有的虚拟现实系统分类很难，但是大多的组态大致可以分成主要的三种，并且每类都可以通过实际的深入深入程度或是用以解决该问题的方法来标注。这些类别包括non-immersive(桌面)系统，semi-immersive投影系统，以及如表1所示的深入浸入系统。已经有大量的关于虚拟现实技术的软件出现在市场上了，这些软件可以应用于开发不同领域虚拟环境(如Superscape VRT和SENSE8)，此外，这些软件包已经被应用于虚拟生产开发当中（如：DELMIA）。DELMIA软件包已经为相关专业人员提供用以开发虚拟生产环境，从而来帮助完成生产计划，费用估算，厂区配置，工效学，机器人学，机械学，相关检查，工厂模拟，生产管理等等。1.2. 虚拟现实技术在制造业中的应用制造业会为一个在国家工业化进程中提供非常大的动力，然而，当今的制造业越来越难以满足顾客的需求，并且越来越失去竞争力了。随着虚拟现实技术在近十年的发展，已经大 表1 虚拟现实系统的分类虚拟现实系统 Non-immersive虚拟现实技术 Semi-immersive虚拟现实技术 Fully-immersive虚拟现实技术输入设备 鼠标，键盘，操纵杆，轨迹球。 操纵杆，空间球和数据手套 手套，语音命令输出设备 高清晰度的标准监测系统 大屏幕监视器，大屏幕投影仪系统， 顶部安装的显示器 (HMD), CAVE 多重的电视投影系统解决率 高 高 中等偏下浸没感 中等 中等偏上 高相互干涉 低 中等 高 价格 成本最低 贵 很贵大的促进了该技术在如产品设计，造型，车间管理，过程模拟，生产计划，培训，测试和验证等工程领域的发展。由于虚拟现实技术可以在实际投入生产制造之前，有效地解决所遇到的问题，从而可以避免重大错误，使得该技术在制造应用中有着很大的潜力。虚拟现实不仅在三维空间里为人们提供了一个可视环境，而且还在定性和定量上为人们做出改进性决定提供了依据8。下面这不分着重讨论虚拟现实技术在制造业中的应用，包括，设计，原型制作，加工，装配，检查，准备，培训和模拟。虚拟现实在制造业中的应用被分成了三类;运营管理，制造工艺，设计。现就对每组进行简要介绍，会在后面的内容中会对每组进行一个详细的分类。1.2.1. 设计虚拟现实在设计新产品时会成为一个非常重要的依据，该技术已经被申请应用于两个不同的专利设计里，关于设计和原型制作详见表2，关于设计中应用虚拟现实技术的好处详见表4。虚拟现实技术也为设计者在进行新产品的概念设计阶段提供了一个虚拟的设计环境，设计人员在虚拟环境下可以构造出一个产品的3D“素描”图。在这种情况下，例如铰接、装配等机械结构的功能特性，就可以用来评估概念设计的可行性，也可以根据实际的需求进行相关的修改，一旦设计人员满意他们的设计，那么他将会被用于进行相关的修改。在产品开发过程，原型制作是一个非常必要的步骤。产品模型可以体现产品的一些特征，根据产品模型可以对产品进行调研、评估和改进。虚拟样本可以证明进行物理方案设计的可行性，可以进行工程分析，生产计划，支持管理决策，也可以从潜在的新产品客户得到一些反馈。虚拟环境的模型制作就包括这些6。(a) 功能性: 模拟样品会明确地确定和实际产品的功能性、态行为。(b) 人的相互作用： 人所起的作用包括必要的实际模拟，或是人们也要必然的参与 实际的模拟当中去。(c) 环境： 在脱机状态下可以进行计算机功能的仿真，或是可以将脱机状态下 的组合模拟机和实施仿真结合在一起。1.2.2. 运营管理 运营管理被分成三个类别：计划、模拟和培训。关于在这些工序中使用模拟环境的好处详见于表4 。 表2 虚拟设计在生产制造中的应用应用 定义 举例产品设计 虚拟设计就是应用虚拟技术为设计工作者提供一个虚拟环境来评估设计和备用设计，将产品模拟学和产品工程学有效地结合在一起 来进行人体跟踪。原型制作 虚拟模型制作是指应用虚拟虚拟模型将物理模型代替或是结合在一起的制作过程，从而为新产品开发、检测和具体的评估提供一个候选的特征设计。麻省理工学院已开发了一个为了机械设计的虚拟车间。该项目是为设计师做概念设计时所提供的一个模拟车间，所以必须要考虑到制造工艺， 该模拟车间由一个带锯，一个钻床，一个铣床，一个摇臂锯，一个台锯组成，伊利诺伊大学，芝加哥，普渡大学以虚拟现实技术为基础设计开发了一个计算机辅助设计系统，该项目的关键点在于通过利用虚拟现实技术将复杂的机械零部件简洁的绘制出来。 图1 完全独立的虚拟现实环境 图2 通过现实的虚拟现实技术构建的虚拟工厂由于灵感式的工厂计划需要，人们在对计划的论述改进、支持跨学科间的研究讨论中，虚拟现实技术将会非常有用。图1所示的完全独立的虚拟现实环境，将会在未来的工厂设计中作为一个基本的工具而被使用。该虚拟现实环境已经被开发应用于视觉地、三维的空间中，被用以探索各混合产品间的相互影响、核实时间表、以及工人的生产经验11。虚拟现实基础知识的培训是当今世界对雇员所传授的最先进的制造技术和程序。利用刃脚虚拟现实技术会使人们觉得模拟培训发生现实里的实际设施中，会使人们觉得在行动中、视觉上以及听觉中都在现实里12。一些模拟的产品会为人们在描绘模型产量化时提供相关依据（如: Witness 2003, Simul8和Flexsim），图2所示的虚拟环境就是利用Witness VR专门为一个工厂13开发的，表3列举了模拟现实技术在生产管理中的一些应用。1.2.3. 制造工艺 制造工艺分为三部分：加工、装配和核实。表4就关于利用模拟现实技术在生产制造工程有的优点进行了描述。. 加工 虚拟机械加工技术可以应用于如旋转、铣削、镗孔、研磨等切割加工过程中。虚拟机械 表3 模拟现实技术在生产管理中的应用加工技术还经常用于研究影响质量的因素，材料的加工、切除的时间进程以及工具盒工件之间的相对运动。图3展示了一个工程师正在利用虚拟现实的“半模拟环境”技术来模拟六角机床的使用方法，位于巴斯的巴斯大学16专门为了涂装而开发了包含有一个三轴数控铣床、一个五轴机器人在内的综合虚拟车床。用户可以在铣床上安装一个工件，选取制造一个工具，就可以直接的进行机械加工了，比如用以轴向进给或预设程序17。图3 虚拟机床 类别 相关的应用 计划 从事于监测项目时进行程序规划的所有工作人员经常在工作中出现计划不充分而推迟产品开发等麻烦，而虚拟现实技术可以通过创造一个视觉环境为制造系统提供一个最优计划。该技术在基于人们的生产经验和生产现状的条件下，通过进行视觉比较而得出一个解决办法，从而可以帮助快速生产和扩大生产工艺14。 模拟 该技术已经使得以前不相信其能够模拟工具和理解模拟的能力的人们得以认可 21； 可以帮助人们区别模具的模态逻辑和和其现实行为 15； 该技术可以为犹如真实发生过的信息提供视觉痕迹，从而帮助人们区分其真假； 该技术也为那些尚未能将模型区分开的人们提供了一个区分的机会； 可以帮助模拟工具来理解模型的模拟结果和其动态行为； 可以为雇员，雇主，非技术性人员提供交流，理解模拟的统计结果虚拟环境。 培训 该技术由于容许任何一个雇员都可以完全接触整个设施而提供了最好的培训平台； 设施的虚拟环境会允许雇员实践真实存在的新的安全生产任务，可以看到一个产品在整个制造系统中如何成形，以及哪种培训过程更有效果。 表4 关于虚拟现实技术在制造业中应用的一些例子 装配 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，其定义是：利用计算机工具“协助”装配工程师在没有实际成品或程序支持的情况下进行模拟分析、预测和可视化模拟。在装配工作中18, 类别 优点 设计设计 容许整个设计团队可以在同一个虚拟环境下一起工作； 通过容许使用同一型号产品的用户在一起工作来改善产品的可视化； 通过改善产品设计的关联性而追求更直观的模型操纵和功能实验； 原型制作 在对新产品进行概念化、设计和评估时可以有效地减少硬件 原型制作的数量。 在模型设计某些专门特征时，虚拟现实技术可以为其开发、检测和具体的评估提供一个虚拟环境 。 生产管理 计划 帮助对生产计划更进一步地理解，支持跨学科讨论； 容许用户在模型运行期间对其进行交换和变动； 帮助新用户理解和参与相关的规划过程； 为各种各样的生产计划提供技术指引和经济模拟预算； 模拟 鼓励大家使用模拟技术； 核实和验证仿真模型； 使用户能够明白相关的结果； 为大家相互交流提供虚拟环境； 为模拟技术简历可信度21； 培训 可以把整个生产过程拷贝在虚拟环境中，使一些培训者可以在他们自己的工厂里学习； 在对用户人身和设备不构成任何危险地前提下，可以为他们提供一个模拟预算收入的环境； 可以容许雇员在非常安全的前提下实践新的现实存在的任务；制造工艺 加工 评估机械零部件设计加工的可行性，以及对加工设备的选择； 以产品模型和相关模拟为依据，帮助用户研究影响产品质量的因素，机械加工工时以及成本预算； 装配 减少设计周期，再设计时间以及原型设计工序18； 预算产品的装配质量、生产周期和生产成本； 帮助装配和拆装检验；检测 模拟检测生产工序，评估设备的物理力学性能； 为研究检查方法论，碰撞检测，核实计划，寻找影响检测准确性因素20等提供了平台。 虚拟机械加工技术常常用于核实机械装配工序，检查加工设备和工具的机械和物理性能，以虚拟模型和模拟为依据寻找影响产品质量的各种因素。虚拟现实技术可用于装配和拆装过程中。例如：一个工人能够装配一个部件和元件吗？以及该部件可以拆装开来用于后续的服务和维修当中吗？还有其他问题也需要解决：该部件是“复杂”还是“容易”拆装/装配？需要多长时间？在人类工程学中地位高低？有足够空间来存放工具吗？. 检测 虚拟检查即利用虚拟的机械加工技术来模拟检测机械加工进程以及检测设备的物理力学性能。检测的目的在于能够更好的研究检查方法论，碰撞检测19,核实计划，寻找影响检测准确性因素等课题20。2. 结论虚拟现实技术这一强大工具将会用于检测、评估新产品和新概念，大大缩短产品有概念化到投入市场的时间，也可以降低生产成本。当今，只有一些大公司开始应用该技术并且已经开始从其强大的竞争优势中获益了。随着虚拟现实技术被人们广泛的使用和不断地认可，将会使得软件和生产设备走向高质量和低成本。已有的虚拟现实技术现有的虚拟现实技术已经被用于解决客户的实际问题，提高了赢利能力，减少了产品投入市场的时间，也提高了工作人员的安全性。在生产工艺和生产设计下线之前，可以预先被定义、模拟和分类。该技术也使工程师们在遇到问题时，不仅可以想象，还可以更有效率地去实地解决问题。这些可视化工序，再结合其相互间的关联，可以提高工程师的决策力，从而大大提高产品质量，减少新产品的开发时间。如果这些虚拟现实技术能被有效地利用，将会改善产品设计，而优质的产品将会使客户们视客户们使用的更加满意放心。致谢该论文在起草过程中，得到了爱尔兰政府大力财政支持，在此，笔者对政府致以诚挚的感谢！ 参考文献 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 BackgroundResearch, /Labs/CIM, 1995.4 C. Shukla, V. Michelle, F.F. Chen, Virtual manufacturing: anoverview, Comput. Ind. Eng. 31 (1996) 7982.5 K. Iwata, M. Onosato, K. Teramoto, S. Osaki, Virtual manufacturingsystems as advanced information infrastructure for integrated manufacturingresources and activities 46 (1997) 335338.6 Melissa Saadoun, Virtual Manufacturing and its Implications, France,1999.7 DELMIA, .8 R.S. Tiruvannamalai, Virtual Reality in Design and ManufacturingApplications, 2002.9 J.W. Barrus, The Virtual Workshop: A Simulated Environment forMechanical Design, Ph.D. Dissertation, Massachusetts Institute ofTechnology, September 1993.10 S.N. Trika, P. Banerjee, R.L. 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