虛擬制造技術(shù)在生產(chǎn)制造上的應(yīng)用
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一.基于VR技術(shù)的
產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
VR的沉浸性和交互性特性使得它成為用來(lái)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)相應(yīng)生產(chǎn)線的得力工具。首先考慮一下設(shè)計(jì)并構(gòu)造一個(gè)新產(chǎn)品原型所需要的時(shí)間。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師要考慮到產(chǎn)品的各個(gè)方面，以滿(mǎn)足一定的安全性、人機(jī)工程學(xué)、易維護(hù)性和裝配標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格地受到生產(chǎn)、時(shí)間和費(fèi)用的限制。VR能完成比CAD更多的功能，CAD通常只考慮產(chǎn)品各個(gè)子部件的幾何特征和相互間的幾何約束。而在VR中，可以將以上提到的多種所需滿(mǎn)足的條件集成到設(shè)計(jì)過(guò)程中一并考慮，我們還能適當(dāng)減少子部件數(shù)目，甚至可以按比例放縮部件尺寸，這大大降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用和原型構(gòu)造時(shí)間，更進(jìn)一步的達(dá)到產(chǎn)品用戶(hù)化的目標(biāo)。
例如，在飛機(jī)制造業(yè)中，為評(píng)測(cè)某飛機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，要建立一系列與真實(shí)產(chǎn)品同尺寸的物理模型，并在模型上進(jìn)行反復(fù)修改，這要花去大量時(shí)間和費(fèi)用，而在過(guò)去是不可避免的。如今美國(guó)波音公司在飛機(jī)設(shè)計(jì)中運(yùn)用VR技術(shù)完全改變了這種設(shè)計(jì)方法。波音公司為設(shè)計(jì)波音777飛機(jī)，研制了一個(gè)名為“先進(jìn)計(jì)算機(jī)圖形交互應(yīng)用系統(tǒng)”的虛擬環(huán)境，用VR技術(shù)在此環(huán)境中建立一駕飛機(jī)的三維模型。這樣設(shè)計(jì)師戴上頭盔顯示器就可以在這駕虛擬飛機(jī)中遨游，檢查“飛機(jī)”的各項(xiàng)性能，同時(shí)，還可以檢查設(shè)備的安裝位置是否符合安裝要求等等。最終的實(shí)際飛機(jī)與設(shè)計(jì)方案相比，偏差小于千分之一寸，機(jī)翼和機(jī)身的接合一次成功，縮短了數(shù)千小時(shí)的設(shè)計(jì)工作量。
同樣，其它大型、復(fù)雜的產(chǎn)品如船舶、潛艇設(shè)計(jì)等都可以運(yùn)用VR技術(shù)達(dá)到節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用和時(shí)間提高設(shè)計(jì)成功率的目標(biāo)。
采用VR技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品還有以下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品用戶(hù)化的一個(gè)不利效應(yīng)是增加了模型的變量數(shù)目，也就相應(yīng)地增加了生產(chǎn)的復(fù)雜度。VR可在要加工的部位加上紋理和圖形信息，這對(duì)機(jī)械制造起到很好的向?qū)ё饔谩Ｍ瑯拥倪^(guò)程可輔助訓(xùn)練和指導(dǎo)生產(chǎn)者，使他們能很快勝任新工作。虛擬環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化可對(duì)某一項(xiàng)目合作組的成員進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)訓(xùn)練。這些合作組的成員可以在同一個(gè)或不同工廠里，或者甚至是來(lái)自院校的專(zhuān)家和國(guó)外顧問(wèn)。
二.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造車(chē)間設(shè)計(jì)中的作用
目前眾多的制造系統(tǒng)可按遞階控制層次分為四層：工廠層、車(chē)間層、制造單元層、設(shè)備層，其中車(chē)間層的設(shè)計(jì)與車(chē)間中設(shè)備的利用率、產(chǎn)品的生產(chǎn)效率等密切相關(guān)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)造成設(shè)備利用率低、車(chē)間產(chǎn)量不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求、操作人員的空閑時(shí)間多。所以，如何合理地設(shè)計(jì)制造車(chē)間，保證它的高效運(yùn)行是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。采用VR技術(shù)能提高設(shè)計(jì)的可行性、有效性。車(chē)間設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把生產(chǎn)設(shè)備、刀具、夾具、工件、
生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度單等生產(chǎn)要素有機(jī)地組織起來(lái)。
在車(chē)間設(shè)計(jì)的初步階段，設(shè)計(jì)者根據(jù)用戶(hù)需求，確定車(chē)間的功能需求、車(chē)間的模式、主要加工設(shè)備、刀具和夾具的類(lèi)型和數(shù)量，提出一組候選設(shè)計(jì)方案。VR的作用就是幫助設(shè)計(jì)者評(píng)測(cè)、修改設(shè)計(jì)方案，得到最佳結(jié)果。
在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者完成對(duì)各個(gè)組成單元的完整描述，運(yùn)用VR造型技術(shù)生成各個(gè)組成單元的虛擬表示，并進(jìn)而用這些虛擬單元布置整個(gè)車(chē)間，其中還可加上自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)、機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)等車(chē)間常用設(shè)備。設(shè)計(jì)者戴上頭盔顯示器就可穿行于虛擬車(chē)間之中，他可以開(kāi)啟其中的任何設(shè)備，觀測(cè)運(yùn)行情況，凡是他能想到的檢測(cè)條件都立即能看到檢測(cè)結(jié)果。他還可以在視察時(shí)交互式地修改設(shè)計(jì)方案，比如移動(dòng)設(shè)備的位置，增加／刪除設(shè)備的個(gè)數(shù)，這種“所想即所見(jiàn)”的設(shè)計(jì)方式極大地提高了設(shè)計(jì)的成功率。
三.VR技術(shù)在生產(chǎn)計(jì)劃安排上的應(yīng)用
生產(chǎn)計(jì)劃安排的可視化對(duì)于制造決策是極其有用的，但目前它還未能完全實(shí)現(xiàn)。使用VR技術(shù)，可將成百上千件產(chǎn)品、成千上萬(wàn)個(gè)零部件和許多其他生產(chǎn)要素可視化，輔助計(jì)劃者更好地評(píng)價(jià)、選擇生產(chǎn)計(jì)劃。
計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像可將計(jì)劃者的大腦負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到他們的感官系統(tǒng)，這就加快了工作進(jìn)程。生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)變成立體的或多維的圖形，可表達(dá)復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系。
但問(wèn)題并不是那么簡(jiǎn)單，不能只簡(jiǎn)單地用某種圖形來(lái)表示每種數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，否則只會(huì)生成一幅雜亂無(wú)章的圖像。在繪制之前，要先進(jìn)行視覺(jué)抽象，在2維平面上用一種形體代表一種數(shù)據(jù)，這種形體要滿(mǎn)足：
（1）支持視覺(jué)感知；
（2）構(gòu)造有效的視覺(jué)表示以便于各種層次的解釋?zhuān)?br />
（3）保證結(jié)果圖像要便于商業(yè)經(jīng)理理解和使用。
四、采用虛擬制造技術(shù)可以給企業(yè)帶來(lái)下列效益
1.提供關(guān)鍵的設(shè)計(jì)和管理決策對(duì)生產(chǎn)成本、周期和能力的影響信息，以便正確處理產(chǎn)品性能與制造成本、生產(chǎn)進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡，作出正確的決策；
2.提高生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)發(fā)的效率，可以按照產(chǎn)品的特點(diǎn)優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
3.通過(guò)生產(chǎn)計(jì)劃的仿真，優(yōu)化資源的利用，縮短生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)柔性制造和敏捷制造；
4.可以根據(jù)用戶(hù)的要求修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，及時(shí)作出報(bào)價(jià)和保證交貨期。