基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工廠布局和漫游系統(tǒng)??

蔡 寶 朱文華 顧鴻良 孫張馳

(上海第二工業(yè)大學工程訓練中心，上海201209)

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，它利用計算機生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中[1-3]。近年來將VR技術(shù)引進到智能工廠建設領(lǐng)域的研究成果頗為豐富。于強等人[4]研究了在三維交互式環(huán)境下進行工廠工藝布局，文懷興等人[5]設計了基于Virtools的并聯(lián)機床的虛擬裝配系統(tǒng)，梁宏寶[6]等人討論三維場景建模技術(shù)和三維場景優(yōu)化技術(shù)，朱文華[7]等人開發(fā)了虛實結(jié)合的減速器工程訓練系統(tǒng)，郭建[8]等人提出了一種針對機床虛擬仿真教學訓練系統(tǒng)的開發(fā)方案，

總的說來，國內(nèi)學者對虛擬漫游技術(shù)領(lǐng)域研究較多。本文以上海第二工業(yè)大學機械工程訓練車間為例，進行車間實訓機械設備場景漫游開發(fā)，首先建立各類機械設備的三維模型，進行貼圖處理使得效果更加接近真實，在Unity3D軟件下開發(fā)虛擬車間漫游系統(tǒng)，最后應用虛擬現(xiàn)實設備zSpace實現(xiàn)帶有VR和AR功能的車床仿真系統(tǒng)。具體開發(fā)流程如圖1所示。

1 建立系統(tǒng)框架

圖1是虛擬工廠車間布局和漫游的系統(tǒng)框架，根據(jù)制定好的系統(tǒng)框架逐步進行開發(fā)。

2 軟件簡介

2.1 SketchUp 軟件

SketchUp又稱為草圖大師[9]，是由Google公司開發(fā)的一款三維輔助設計軟件。它是一套直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計工具，使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構(gòu)思。其主要優(yōu)點:簡單易用，建?？焖?，即見即得，即時交流，直接輸出。

2.2 Unity3D 軟件

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的跨平臺專業(yè)游戲引擎[10-11]，用戶可以通過它輕松實現(xiàn)各種游戲創(chuàng)意和三維互動開發(fā)，創(chuàng)作出精彩的2D和3D仿真內(nèi)容。

3 虛擬工廠模型建立

系統(tǒng)開發(fā)初始，首先對實際車間情況進行調(diào)研統(tǒng)計，尤其需要統(tǒng)計出車間內(nèi)各類機械設備的數(shù)量和擺放情況。表1是統(tǒng)計的各類機械設備的數(shù)量和名稱。

表1 工廠設備統(tǒng)計表

3.1 設備模型建立

由于Unity3D軟件本身并不具備建模工程，首先運用SolidWorks軟件建立各類設備的三維模型(如圖2)，所有設備尺寸參數(shù)均通過實際測量得到，保證了模型的可靠性。

3.2 添加紋理和貼圖

為了使虛擬模型更加接近實際模型，本文對模型進行詳細的紋理貼圖操作。首先用相機拍下實際機床的表面圖案，將圖像導入Photoshop軟件中進行校正處理后作為素材，在SketchUp中進行貼圖操作。圖3是對普通車床操作面板貼圖前后的效果比較，可以明顯比較出經(jīng)過處理的模型更加接近真實效果。

3.3 工廠漫游功能開發(fā)

手動漫游是最為常見的虛擬場景觀察方式，通過上下左右鍵實現(xiàn)模型的左右移動和正向反向旋轉(zhuǎn)。車間漫游場景如圖4所示，典型程序如下:

if(Input.GetKey(KeyCode.A))

{

transform.Rotate(0， 20 ? Time.deltaTime ? speed， 0，Space.Self)；

}

為了能夠更加清晰地觀察到車間機械設備的模型，漫游系統(tǒng)設計了模型的縮放和旋轉(zhuǎn)功能，通過調(diào)用射線函數(shù)和Lerp函數(shù)等進行實現(xiàn)。函數(shù)調(diào)用語句如下:

ray＝ Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition)；

transform.rotation ＝ Quaternion.Lerp(transform.rotation， mRotation，Time.deltaTime?Damping)；

車間漫游通常需要整體瀏覽設備的布局情況，這時虛擬攝像機不能做到全局觀察的效果。系統(tǒng)實現(xiàn)了車間小地圖漫游技術(shù)(圖5)，其主要功能有:(1)可實時顯示當前所在場景中的方位。(2)可縮小和放大小地圖方便漫游者了解當前位置。(3)可從正視和斜視兩個角度設置地圖觀察方式。

3.4 工廠設備布局功能開發(fā)

虛擬工廠設計是指通過獲取物理車間、生產(chǎn)線及物流等裝備資料，利用三維設計工具對車間進行三維整體建模，建設智能制造數(shù)字化虛擬車間；虛擬工廠設備布局具有實時、交互式布局操作功能，能夠在3D場景中進行布局分析。圖6為系統(tǒng)開發(fā)的工廠機床自由布局界面，移動機床可自動測算該機床與相鄰機床的距離并實時顯示。圖7為機床設備選擇場景，場景中不僅可實現(xiàn)布局功能，亦可自由選擇需要的機床并進行數(shù)據(jù)保存。

3.5 虛擬車床切削仿真功能開發(fā)

在虛擬仿真切削場景中，所有的切削工藝和機床運行數(shù)據(jù)均來自對實際切削數(shù)據(jù)的采集，包括車床基本尺寸參數(shù)和切削用量等數(shù)據(jù)，將采集好的動態(tài)數(shù)據(jù)通過貼圖的方式顯示在加工場景中。圖8便是根據(jù)實際加工情況虛擬仿真的切削場景。

4 虛擬車間漫游VR系統(tǒng)開發(fā)

zSpace系統(tǒng)(圖9)是整合現(xiàn)實世界工作環(huán)境的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。技術(shù)核心是高保真的立體顯示系統(tǒng)，低延遲的跟蹤系統(tǒng)。zSpace的核心技術(shù)包括:立體視覺、直接交互。應用zSpace進行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)，相對于Unity3D開發(fā)的系統(tǒng)，最重要的便是體現(xiàn)新系統(tǒng)自然的交互性、沉浸性的特點。

4.1 交互方式設計

傳統(tǒng)的系統(tǒng)交互設計是通過調(diào)用UI函數(shù)實現(xiàn)，即通過鼠標點擊按鈕實現(xiàn)，這樣雖然相比傳統(tǒng)的多媒體課件略有智能感，但是無論從交互程度和沉浸程度均不能讓學習者有身臨其境之感。本節(jié)則嘗試在zSpace中調(diào)用某些函數(shù)將實現(xiàn)物體對物體的交互方式。圖10的交互方式為模型與模型交互實現(xiàn)車間第一視角漫游(系統(tǒng)為立體界面，拍攝畫面重影)。

4.2 增強現(xiàn)實技術(shù)應用

系統(tǒng)除了具有虛擬現(xiàn)實功能，還兼有增強現(xiàn)實的功能。zView設備能分享VR中看到的立體模型，它以高清攝像頭作為硬件，屏幕重疊技術(shù)作為軟件，將zSpace畫面進行重疊處理。該技術(shù)的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。圖11為虛擬車間中車床外部結(jié)構(gòu)增強現(xiàn)實效果。

5 結(jié)語

虛擬制造系統(tǒng)的仿真開發(fā)具有一定的工程應用意義。本系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的制造仿真系統(tǒng)在可視化、交互性等方面進行了創(chuàng)新，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)了工廠車間設備布局設計和機床仿真切削的數(shù)字化與立體可視化，使得操作者在使用該系統(tǒng)時具有更為強烈的沉浸感，大大增加了其人機使用性能。該系統(tǒng)開發(fā)的虛擬工廠車間漫游、虛擬機械設備布局等功能不僅能快速了解車間生產(chǎn)設備的布局情況，更有助于工廠管理者合理優(yōu)化車間生產(chǎn)空間，起到了節(jié)省生產(chǎn)時間和提高制造效率的作用，能夠為真實的生產(chǎn)制造過程提供較大的參考意義。

后續(xù)研究將虛擬現(xiàn)實手套與機床制造過程相結(jié)合，開發(fā)更為高級的人際交互，使得虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地服務于智能制造過程。

.知識窗.

全面質(zhì)量管理(total quality control)簡稱TQC，六十年代初由美國通用電氣公司菲根鮑姆首先提出。所謂全面質(zhì)量管理，是相對于傳統(tǒng)的質(zhì)量管理而言的。它是從系統(tǒng)理論出發(fā)，把企業(yè)作為產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)的整體，以最優(yōu)生產(chǎn)、最低消耗、最佳服務，使用戶得到滿意的產(chǎn)品質(zhì)量為目的。它是用一定的組織體系，用科學的管理方法，動員、組織企業(yè)各個部門和全體職工，在產(chǎn)品質(zhì)量形成的所有環(huán)節(jié)上，對影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種因素進行綜合的治理。它比檢驗的質(zhì)量管理、統(tǒng)計的質(zhì)量管理更加完善，所以稱為全面質(zhì)量管理。它的基本觀點包括為用戶服務的觀點，以預防為主的觀點，全面管理的觀點。