基于VR 的酸洗冷連軋生產實習系統設計與實現

孫友昭，楊 荃，王曉晨，李林達，常 程

（北京科技大學 工程技術研究院，北京 100083）

生產實習是培養大學生工程素質與創新精神的重要實踐教學過程[1]。酸洗冷連軋生產作為鋼鐵生產流程中的重要環節，是鋼鐵生產相關專業學生生產實習的重要組成部分，但是在生產現場的實習過程中，由于生產線設備布置緊湊、生產節奏快、潛在安全隱患多等因素，學生缺少近距離觀察、學習與實踐的機會，導致酸洗冷連軋生產實習的效率和質量受到很大影響。

隨著計算機技術的發展，虛擬現實（virtual reality，VR）技術越來越成熟。采用VR 技術可以高精度模擬生產現場環境與生產線設備，再現生產過程，VR 硬件可以提供良好的交互體驗，VR 技術能夠有效解決傳統生產實習中遇到的問題，已在汽車、船舶、機械等專業的實訓教學中有成功應用[2-4]。

本文結合酸洗冷連軋生產實習教學要求，根據鋼鐵企業生產現場，設計并實現基于VR 技術的酸洗冷連軋生產實習系統。該系統采用3DS Max 軟件對酸洗冷連軋生產線設備、車間建筑建立三維模型，再在Unity3D 中編寫C#腳本模擬酸洗冷連軋動態生產過程，并開發3D 漫游、工藝功能介紹、設備透視與交互3D 爆炸圖等學習功能。該系統使用時，學生通過VR 硬件可以單獨、多次進行實習，通過與傳統生產實習相結合，可有效提升實習效率和效果。

1 總體方案設計

1.1 框架設計

酸洗冷連軋虛擬現實生產實習系統以實習教學內容和鋼鐵企業生產現場為依據，能夠引導學生自主完成生產實習教學內容，主要包含生產現場三維虛擬場景與生產實習學習功能，系統框架如圖1 所示。在生產現場三維虛擬場景中，以鋼鐵企業酸洗冷連軋生產車間為原型，通過建筑與設備的三維建模、燈光布置等再現生產現場環境。在生產實習學習功能中，根據酸洗冷連軋生產工藝與流程，模擬動態生產情景，并開發3D 漫游、工藝功能介紹、設備透視與3D 爆炸圖等交互學習功能。

圖1 系統框架圖

1.2 開發流程

根據酸洗冷連軋虛擬現實生產實習系統框架設計，開發流程包含資源制作、生產場景搭建、生產過程模擬與交互學習功能實現。

（1）資源制作。資源是后續開發流程的基礎，主要包含場景三維模型與界面素材。根據生產車間建筑與產線設備二維CAD 圖紙，使用3DS Max 建立三維模型，并使用Photoshop 參考生產現場照片或視頻制作三維模型的外觀材質。界面素材根據系統界面的整體風格，使用Photoshop 進行制作。系統開發所需資源[5]如圖2 所示。

圖2 生產實習系統資源制作內容

（2）生產場景搭建。根據鋼鐵企業酸洗冷連軋生產現場，使用制作的三維模型資源，在Unity3D 中搭建生產車間三維虛擬場景，并依據現場的光線情況，布置虛擬光源。為了提高逼真度，在場景中添加指示標示、警告牌、綠色通道等裝飾資源。

（3）生產過程模擬。依據酸洗冷連軋生產原理與工藝流程，在Unity3D 中模擬動態生產過程，包含設備與軋件的動態變化。設備的變化主要是生產中的執行動作，設備依據生產連鎖條件觸發不同的動作。軋件是生產的加工對象，在整個生產過程中包含傳輸運動、幾何尺寸變化、表面狀態變化等。

（4）交互學習功能實現。根據生產實習教學內容，在Unity3D 中開發交互學習功能，用于引導學生自主完成實習內容，包含3D 漫游、工藝功能介紹（文字與語音）、設備透視與3D 爆炸圖。

2 系統內容建設

酸洗冷連軋虛擬現實生產實習系統的開發包含三維虛擬生產場景搭建、動態生產過程模擬與生產實習教學功能制作。

2.1 三維虛擬生產場景

在三維虛擬生產場景搭建中，首先使用3DS Max制作三維模型資源與外觀材質，然后在Unity3D 中搭建整體生產場景。

1）模型與材質的制作。

根據生產車間建筑與產線設備的二維CAD 圖紙，在3DS Max 中，先建立基本幾何體，再使用編輯工具箱中的各類編輯工具創建三維部件模型，之后依據單體建筑或設備所組成部件的裝配關系建立其三維模型[6]。

根據圖紙建立的三維模型外觀視覺與生產現場差距較大，為了提高虛擬場景的逼真度，需要依據生產現場的照片或視頻創建三維模型的外觀材質。外觀材質包含設備的材料屬性與紋理貼圖。其中：材料屬性反映模型表面對光線的作用效果（如金屬光澤、透明度等）；紋理貼圖采用圖像模擬模型的復雜外觀，提供豐富的表面細節，通過UV坐標將其映射在三維模型表面。

以三維虛擬生產場景中的開卷機模型為例，其制作流程與模型效果如圖3 所示。

2）三維虛擬生產場景的搭建。

將制作的建筑、設備等三維模型及其外觀材質導入Unity3D 中，依據生產車間建筑與產線設備的相對位置信息，在三維虛擬空間放置廠房、產線設備、警告牌等模型，從而建立酸洗冷連軋三維虛擬場景[7-8]。所搭建的生產線模型如圖4 所示。

2.2 動態生產過程模擬

圖3 虛擬現實場景中的三維模型示例

圖4 三維虛擬生產線模型

在生產實習中，學生通過觀察生產工藝流程、設備運行、軋件變化過程等內容學習酸洗冷連軋的實際生產情況。為此，根據生產流程、設備功能、加工原理等，在Unity3D 中通過編寫C#腳本驅動三維虛擬生產線模擬動態生產過程，主要包含設備動作與軋件變化。

（1）設備動作。在生產過程中，對軋件的加工由組成生產線的各設備完成。各設備按照工藝要求，根據運行連鎖條件的不同執行不同動作[9]。以卷取機的設備動作為例，其在生產過程中的運行原理與三維模擬過程如圖5 所示[10]。

圖5 生產線設備動作模擬示例

（2）軋件變化。酸洗冷連軋生產以熱軋鋼卷為原料，經過從開卷到卷取的生產過程，其表面、幾何尺寸等會發生變化[11]。熱軋原料的表面附著有黑灰色的氧化鐵皮，經酸洗后粗糙度較大并呈現白灰色，再通過冷連軋機組的軋制，其厚度減小并呈現出金屬光澤。在三維虛擬場景中模擬的軋件變化如圖6 所示。

圖6 軋件變化模擬

2.3 生產實習教學功能

為方便開展生產實習的自主學習，在酸洗冷連軋虛擬現實生產實習系統中設計并開發3D 漫游與交互學習功能。用戶通過穿帶HTC VIVE 的VR 硬件，操控手柄可以在三維虛擬場景中進行交互式學習[12-14]。

1）3D 漫游。

在酸洗冷連軋三維虛擬場景中，用戶使用VR 手柄實現在生產線周圍漫游。在漫游時，用戶可以近距離觀察動態生產過程，如加工工藝、設備動作、軋件變化等在現場實習時無法觀察到的內容。在該系統中，漫游操作包含行走與位置瞬移，如圖7 所示。用戶通過點擊VR 手柄菜單鍵，顯示瞬移位置列表，選擇某一位置后可以直接到達對應產線位置。

圖7 3D 漫游操作

2）交互學習功能。

在酸洗冷連軋生產現場漫游時，用戶如果需要具體了解某一設備，可以通過設備介紹、設備工藝、設備透視與3D 爆炸圖進行深入學習。用戶通過VR 手柄中觸控板上方向鍵呼出射線并指向設備，按擊扳機鍵進入交互學習功能，再通過射線與扳機鍵的操作打開相應內容。

設備介紹與設備工藝功能通過文字和語音講解設備組成、功能、工藝原理等內容，方便用戶實現對設備的基本認知；系統具有設備透視功能，可以使設備外部透明，從而方便用戶觀察到生產時設備內部的執行動作及其與軋件的相互作用過程；在設備3D 爆炸圖中，系統將設備單獨呈現，具有整體和爆炸兩種視圖，并可以在三維空間旋轉和放大縮小，從而方便用戶對設備結構、裝配等進行詳細學習。交互學習的各項功能示例如圖8 所示。

圖8 交互學習功能示例

3 結語

酸洗冷連軋虛擬現實生產實習系統以鋼鐵企業生產現場為原型，采用3DS Max 建立生產車間建筑與設備三維模型，再在Unity3D 中搭建三維虛擬生產場景，并通過編寫C#腳本模擬動態生產過程，開發生產實習教學功能，包含3D 漫游、工藝功能介紹（文字與語音）、設備透視與3D 爆炸圖等。該系統具有沉浸度好、安全性高、操作方便等優點，將其應用在生產實習教學后，提高了學生對生產實習的興趣與積極性，有效提升生產實習教學質量。