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生产线虚拟仿真系统开发-生产线模拟仿真系统建设

发布时间:2023-07-28

编辑人:灵图互动

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生产线虚拟仿真系统利用虚拟仿真技术,在计算机中1:1精准映射真实生产现场,通过虚拟空间直观展现当前最先进的生产工艺。同时,综合运用生产工艺流程认知、关键设备结构认知与分析等实验内容,引导学生在虚拟仿真环境中完成对新型生产工艺与装备从认识分析到实践学习全过程,可有效解决传统实训所面临的“三高三难”难题。

1. 生产线虚拟仿真系统开发流程

生产线虚拟仿真系统开发依托虚拟现实交互软件Unity3D,能提高虚拟仿真实验的仿真程度。生产线虚拟仿真系统开发流程主要有三维建模、交互设计、测试与修改等步骤。

1.1 三维建模

在工厂场景模型建模前,首先拍摄和搜集工厂实物照片,并对照其三维实物模型确定其各尺寸数据。

整个虚拟仿真系统的逼真程度由场景模型的建模、贴图和渲染等效果直接决定。常见的建模软件有SolidWorks、AutoCAD、Sketch、Maya、3DsMax等。综合考虑建模逼真程度、学习难易程度、硬件系统要求等因素,开发过程中选择使用3DsMax建模。在完成模型建模和相应的模型贴图后,将模型格式转化为Unity3D引擎所支持的.fbx格式,以便后续添加交互操作。

生产线虚拟仿真系统三维建模

1.2 交互设计

在Unity3D工程中,三维模型以及相应的模型贴图都存放在Assert文件夹中。在向模型添加交互前将前期准备好的模型和贴图导入Assert文件夹,Unity3D会自动兼容这些资源的格式。

作为用户的第一印象,UI界面的设计很重要。在生产线虚拟仿真系统中,使用UGUI控件来完成整个系统的界面设计。其中的窗口、按钮、输入框、文本框等外观则由Photoshop绘制,绘制完成后将资源导入Assert文件夹中以备使用。

为了防止操作两个对象时出现穿透现象,需要在虚拟环境中使用碰撞检测技术。常见的碰撞检测方法可从时间域和空间域两个角度归类,从时间域角度可分为静态碰撞检测算法、离散碰撞检测算法和连续碰撞检测算法,从空间域角度可分为物体空间和图像空间两个方向,其中物体空间方向有均匀划分、八叉树、BSP树、包围盒等碰撞检测算法。由于包围盒算法能将碰撞的测试时间复杂度降为。因此在本系统中使用常见的包围盒算法来对物体对象进行碰撞检测。

为了使以上的资源在Unity3D拥有动态的行为,还需要编写相应的脚本程序。在Unity3D中编写脚本程序可使用的是其内部集成的MonoDevelop编辑器,而脚本语言则用C#和JavaScript语言编写。

1.3 测试与修改

交互设计完成后,需要将生产线虚拟仿真系统按照需求在Unity3D的界面File菜单中Build Setting设置生成应用程序,以便后续的测试与修改。测试主要是为了检查交互设计中的功能是否运行正常、操作过程中是否存在Bug、UI界面是否协调等。测试中发现不合理的地方只需返回交互设计中的相应部分修改。完成测试与修改部分后即可发布应用程序完成系统。

2. 虚拟仿真实验系统功能

生产线虚拟仿真系统为了满足教学需求,要能实现多种实验,所以系统功能主要包含有漫游功能和生产设备仿真两个主要功能模块。

2.1 漫游功能

生产线虚拟仿真系统的漫游模式中使用者可改变观察距离及角度,以便宏观了解新型生产线的基本构成。漫游模式设计为:流程漫游、场景俯视、上帝视角和自由漫游四个功能。

(1)流程漫游中配有画面及语音讲解,以便熟悉新型生产工艺流程、设备结构组成、设备工作原理及物料发生的物理化学变化情况。

(2)场景俯视中可直观地观察生产企业的设备布局及工艺流程。

(3)上帝视角中能对整个厂区的放大、缩小、旋转和平移等操作。

(4)自由漫游中可以使用类似网络游戏的操作模式,完成在虚拟厂区的自由走动,自行选择学习和观察对象。

查看感兴趣的设备时,可进入三维模型展示区,并能对三维模型进行旋转、放大、缩小等操作。知识点查看区中展示该设备的用途、结构及工作原理、主要类型、实物图片和视频动画。

生产线虚拟仿真系统功能

2.2 生产设备拆装及设计

生产线虚拟仿真系的生产设备拆装及设计模块设计为爆炸图、引导式分步拆装、自主拆装和关键设计尺寸等不同的模式。

(1)生产设备拆装及设计实验中可通过爆炸图模式直观地了解设备的结构组成,然后以观察设备的运动仿真动画、查看文字资料等方式学习生产设备工作原理。 

(2)引导式分步拆装模式中引导学习拆装基本知识,进行分步拆装训练,在掌握生产设备

结构组成、零部件之间的装配关系及正确的拆装顺序后,方可自主拆装,起到教学示范作用。

(3)关键尺寸设计模块中主要是对设备关键参数进行设计计算。以颚式破碎机为例,其主要关键参数为啮角、动颚水平行程、偏心距、连杆、动颚长度和推力板长度等五个,由于关键参数在设计和计算过程中具有一定的先后关系,因此必须按照啮角-动颚水平行程-偏心距-连杆、动颚长度-推力板长度的先后顺序依次进行计算。以此类推,可完成动颚水平行程、偏心距、连杆、动颚长度和推力板长度的尺寸设计。

生产线虚拟仿真系统的拆装和设计模块

生产线虚拟仿真系统通过逼真的虚拟空间,可360°无死角的查看各生产设备的组成结构及生产过程,并结合文字、图片、语音等资料,学习设备用途、结构及工作原理等内容,不仅能够不受时间和空间的限制,准确、直观地展示教学内容,提高了教学质量,而且减少了实训成本,同时还避免了去现场实习的安全风险。

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