新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真

葛 泉，李佳明，周榮席

1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257000；2.山東京博環(huán)保材料有限公司，山東 濱州 256500；3.煙臺新天地試驗(yàn)技術(shù)有限公司，山東 煙臺 264003

1 引言

目前，為了提高產(chǎn)品從概念化設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)的效率，企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)向制造領(lǐng)域的新興技術(shù)。其中一種技術(shù)是虛擬仿真技術(shù)，它是仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)相結(jié)合的高度逼真的人機(jī)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)允許用戶通過電腦屏幕進(jìn)入的三維空間虛擬世界，用戶可以像在真實(shí)世界中一樣觀看、移動(dòng)并且與這個(gè)世界進(jìn)行互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)背后是衍生性實(shí)體，一種與原始物體平行的鏡像，它著重于在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界，以一種不同于以往的方式表達(dá)思想并獲取信息和知識的新媒體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的過程中，虛擬仿真是一項(xiàng)不可或缺的工具，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以有效地做出貢獻(xiàn)［1］。新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用之一，它在減少原材料損失、節(jié)約制造經(jīng)費(fèi)、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮了巨大作用。

2 虛擬仿真特性

國家工業(yè)化的繁榮離不開產(chǎn)品制造企業(yè)的貢獻(xiàn)，隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技水平的發(fā)展，企業(yè)競爭加劇，滿足客戶的需求變得越來越困難。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展［2］推動(dòng)了虛擬仿真在不同工程領(lǐng)域的應(yīng)用，如勘察、設(shè)計(jì)［3］、建模、施工、運(yùn)營、管理、車間控制、過程仿真、制造計(jì)劃、培訓(xùn)、測試和驗(yàn)證等，為相關(guān)工程應(yīng)用提供了條件。虛擬現(xiàn)實(shí)不僅為人們提供了一個(gè)可視化的三維環(huán)境，而且還可以與虛擬環(huán)境的對象進(jìn)行交互，從定性和定量的角度改進(jìn)決策［4］。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在應(yīng)用中展現(xiàn)的巨大潛力，可以幫助企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中解決問題，從而避免因某些失誤或錯(cuò)誤而付出高昂的代價(jià)。

雖然很難對所有虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分類，但大多數(shù)配置可分為三大類，每一類都可以根據(jù)沉浸感或其提供的存在程度進(jìn)行排名。這些類別包括非沉浸式系統(tǒng)、半沉浸式投影系統(tǒng)和完全沉浸式系統(tǒng)。然而，由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)商業(yè)化版本的出現(xiàn)，形勢發(fā)生了變化，半沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的水平實(shí)際上已經(jīng)喪失。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)的新劃分只能分為兩類：非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)和完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)。

3 虛擬仿真設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)階段

設(shè)計(jì)研發(fā)是新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的前提條件，其核心創(chuàng)意的優(yōu)劣將直接影響企業(yè)客戶的選擇，應(yīng)放在虛擬仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)先地位。設(shè)計(jì)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在綜合產(chǎn)品功能定位、使用場景、產(chǎn)品形態(tài)、質(zhì)量要求、生產(chǎn)工藝、成本效益等的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行方便快捷的數(shù)字化模型實(shí)驗(yàn)，提出具有創(chuàng)新實(shí)用性的設(shè)計(jì)研發(fā)方案，使新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研發(fā)階段即能表現(xiàn)出強(qiáng)大的綜合競爭力。在新型節(jié)能環(huán)保建筑材料新產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，虛擬仿真為設(shè)計(jì)研發(fā)者提供了一個(gè)虛擬環(huán)境，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)者可以在虛擬環(huán)境中生成產(chǎn)品的三維草圖。在這一階段，設(shè)計(jì)研發(fā)者可以進(jìn)行原料制備、澆筑、切割、養(yǎng)護(hù)等產(chǎn)品功能性試驗(yàn)，以評估概念設(shè)計(jì)的可行性，并可根據(jù)需要進(jìn)行修改。其中，設(shè)計(jì)研發(fā)的產(chǎn)品原型應(yīng)該可以被清楚地定義和真實(shí)地模擬，以解決產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性和功能性。除此之外，虛擬場景的人機(jī)交互可以在離線的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

3.2 生產(chǎn)階段

3.2.1 生產(chǎn)線布局虛擬仿真

建立一個(gè)基于虛擬仿真技術(shù)的生產(chǎn)線布局虛擬仿真平臺，在實(shí)時(shí)可視化環(huán)境中進(jìn)行直觀的操作。按照新型節(jié)能環(huán)保建筑材料生產(chǎn)廠房的實(shí)際空間情況，合理進(jìn)行生產(chǎn)線布局。生產(chǎn)線布局的好壞將直接影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，基于虛擬仿真強(qiáng)大的交互性，企業(yè)生產(chǎn)線管理人員的經(jīng)驗(yàn)可以在布局設(shè)計(jì)開始時(shí)就加以結(jié)構(gòu)整合，有效提高生產(chǎn)線的優(yōu)越性。根據(jù)新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品生產(chǎn)線的工序順序，安排相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的布設(shè)順序，并進(jìn)行總體規(guī)劃、詳細(xì)布置和施工安裝，在直觀的用戶界面下，設(shè)計(jì)者可以實(shí)時(shí)操作設(shè)備模型和生產(chǎn)線布局場景。針對現(xiàn)有車間改造及未來新工廠建設(shè)，基于企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行前瞻性的工廠生產(chǎn)線三維虛擬仿真驗(yàn)證。

3.2.2 生產(chǎn)工藝虛擬仿真

按照產(chǎn)品的生產(chǎn)加工工藝，在三維虛擬環(huán)境下重現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程。在建模和虛擬仿真的基礎(chǔ)上研究影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間和成本等因素，縮短工藝設(shè)計(jì)周期。工藝仿真主要解決產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中的碰撞、干涉、運(yùn)動(dòng)路徑、人員操作等問題。通過對生產(chǎn)工藝流程的虛擬仿真，進(jìn)行產(chǎn)品裝配和拆卸驗(yàn)證，預(yù)測裝配質(zhì)量、產(chǎn)品周期和成本，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過程中存在的干涉、碰撞等問題，減少無效的零件移動(dòng)、無效的人員運(yùn)作，提升裝配工藝過程的可操作性和效率。虛擬仿真允許工程師在零件和生產(chǎn)工藝上根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整，實(shí)際上會(huì)使企業(yè)更有效率。工程師之間的溝通越好，他們就能創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。無論新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品制造過程變得多么自動(dòng)化和虛擬化，建筑材料最終都是由人類制造的。

3.2.3 生產(chǎn)設(shè)備虛擬仿真

生產(chǎn)線設(shè)備種類多、數(shù)量大，虛擬仿真顯示了在未來提高設(shè)備使用效率、改善設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)備交易期和降低設(shè)備成本方面的巨大前景。首先，對設(shè)備產(chǎn)品原型進(jìn)行拆卸，以此確定設(shè)備組成所需的零部件清單及數(shù)量。其次，構(gòu)建設(shè)備產(chǎn)品裝配流程圖，確定設(shè)備產(chǎn)品裝配的不同階段和不同裝配過程的順序。最后，根據(jù)設(shè)備產(chǎn)品裝配操作相對時(shí)間的優(yōu)先關(guān)系，將不同階段和不同過程的操作聚合在一起執(zhí)行。

3.2.4 生產(chǎn)培訓(xùn)虛擬仿真

使用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品的可視化設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造過程，直觀動(dòng)態(tài)展現(xiàn)在培訓(xùn)者和被培訓(xùn)者面前。工人通過計(jì)算機(jī)上的沉浸式三維虛擬仿真環(huán)境，熟練掌握產(chǎn)品工藝生產(chǎn)技術(shù)和流程，培訓(xùn)在真實(shí)的模擬設(shè)備中進(jìn)行，包括車間的動(dòng)作、場景和聲音。經(jīng)過虛擬仿真培訓(xùn)，參與培訓(xùn)人員對生產(chǎn)設(shè)備的誤操作率就會(huì)降低，進(jìn)而提高了設(shè)備利用率和安全生產(chǎn)系數(shù)，延長工廠設(shè)備的實(shí)際投產(chǎn)時(shí)間，這對新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品生產(chǎn)培訓(xùn)至關(guān)重要。虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)將使工人準(zhǔn)備得更好、效率更高，從而提高生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)率，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)是十分先進(jìn)的向員工傳授新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品制造技術(shù)和工藝的方法。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真是制造業(yè)企業(yè)測試和評估新產(chǎn)品和新設(shè)計(jì)的高效工具，計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、可穿戴設(shè)備和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的新進(jìn)展使虛擬現(xiàn)實(shí)助力傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和制造的智能創(chuàng)新發(fā)展。新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用之一，它能夠降低企業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，確保產(chǎn)品質(zhì)量，并縮短從產(chǎn)品概念到生產(chǎn)所需的時(shí)間，提高了企業(yè)的盈利能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被應(yīng)用于解決企業(yè)生產(chǎn)制造的現(xiàn)實(shí)問題，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)流程可以在實(shí)際實(shí)施之前定義、建模和驗(yàn)證，同時(shí)有效保障了工人操作設(shè)備的安全性。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)為企業(yè)提供了一種新的方法，不僅可以可視化生產(chǎn)過程，還可以與虛擬環(huán)境交互，有效地解決實(shí)際生產(chǎn)問題。