淺析泵制造產業(yè)中虛擬現(xiàn)實（VR）的使用

高國梁，曹植韜，施一航

（蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

近年來，虛擬現(xiàn)實技術在國外得到了廣泛應用，并積極融入計算機圖形學、多媒體技術、人工智能等；接口技術、傳感器、高速并行實時技術、互聯(lián)網技術、人類行為研究等關鍵技術于一體，處于技術集成和滲透的頂端。虛擬現(xiàn)實技術涉及工程、娛樂、科學應用、教育、軍事應用等諸多領域，但它是一門新興的科學，其應用和研究還處于初級階段。

1 國內外虛擬儀器的研究發(fā)展

就國外的研究現(xiàn)狀，有關VR技術的研究在國際上處于領先地位，重點在于用戶界面、后臺軟件等領域。研究機構包括美國航天局艾姆斯實驗室、各州立大學和國家聯(lián)動的實驗室等。在歐洲，社區(qū)組織了許多虛擬現(xiàn)實活動。在德國，位于達馬斯塔德的弗勞恩霍夫計算機地形研究所開發(fā)了一套稱為 虛擬設計 的工具，允許生成多達50000個更復雜的場景。在英國，國內研究的主要方向是額虛擬環(huán)境顯示。在荷蘭，虛擬現(xiàn)實的研究主要集中在硬件和軟件的總體結構上。目前，日本主要從事科研，并建立了廣泛的虛擬知識庫，了解實際情況，如東京工業(yè)大學精巧的智能實驗室、公司的計算機與通信研究實驗室、東京大學Komi Hirose研究所等，工程力學，筑波學院大學，富士通實驗室有限公司，國際著名虛擬事業(yè)部，ES（Evans&suther）land，multi-gen，nature，Intergraph，CSI，corephaeus software等。

現(xiàn)期這一研究水平遠低于國家自然科學基金和國家高技術研究開發(fā)計劃，虛擬現(xiàn)實知識庫、實時漫游系統(tǒng)、快速漫游算法、高級算法、高級虛擬行為、三維動畫處理算法、集成軟件等。

2 虛擬環(huán)境系統(tǒng)

虛擬環(huán)境的虛擬設計是一個非常復雜的問題。傳統(tǒng)的基于數(shù)據或過程的開發(fā)方法必須基于現(xiàn)代技術，因此，虛擬開發(fā)系統(tǒng)具有的特點有模塊性、仿真、動態(tài)連續(xù)、維護簡單。

常用的虛擬環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)和平臺包括：（1）利用虛擬環(huán)境編輯器構建虛擬環(huán)境系統(tǒng)平臺。環(huán)境編輯器包括vrt3、render ware、CDK（賽博空間開發(fā)工具包）、amazedesktop虛擬環(huán)境編輯器；（2）英國分公司開發(fā)的分布式（虛擬環(huán)境系統(tǒng)）分布式虛擬環(huán)境（onhair systems）；（3）VPL研究部推出的虛擬環(huán)境開發(fā)系統(tǒng)Rb2（realitybuild for two），由httllab開發(fā)和實現(xiàn)；（4）MR（最小現(xiàn)實）虛擬環(huán)境創(chuàng)建構建環(huán)境，由阿爾伯塔格蘭特大學開發(fā)；（5）微軟開發(fā)的基于PC環(huán)境的DirectX SDK虛擬循環(huán)設計工具；（6）虛擬現(xiàn)實仿真語言（VRML）將提供額外的支持并幫助設計遠程虛擬系統(tǒng)。此外，還可以選擇3ds max、Maya、ob-Jectarx等CAD、3D動畫和虛擬現(xiàn)實制作軟件領域。

3 虛擬設計技術內容

3.1 虛擬設計方法

虛擬設計有二維和三維建模方法。三維造型包括表面成形、實體、參數(shù)、性能和零件。復雜的虛擬設計應創(chuàng)建一個分布式的虛擬開發(fā)程序：（1）多媒體e-mail，可用于CAD和計算機網絡支持計算機，通過Internet上的數(shù)據傳輸技術實現(xiàn)協(xié)同。虛擬開發(fā)過程的同步化被稱為并行工程，它能實現(xiàn)信息的雙向流動，實現(xiàn)了虛擬教學的聯(lián)合操作。（2）白板 用于獨立的通信和信息交換；它是一種異步的計算機輔助的開發(fā)人員合作形式，網絡處于公告板的核心位置，提供了監(jiān)視、擴展和修改信息的機會。（3）組件建模；復雜的整體模型由widget modeler部門管理，以支持分布式虛擬化產品開發(fā)，這使得多個設計師能夠同時或連續(xù)地處理模型的每個部分。（4）設計空間技術在計算機輔助設計中的應用可以通過三維幾何造型或特征技術來實現(xiàn)。（5）CAD系統(tǒng)的協(xié)同與利用。一方面，它通過應用共享與任何類型的CAD系統(tǒng)相結合，另一方面，UNIX窗口系統(tǒng)是基于統(tǒng)一的XII客戶機服務器，并結合Internet協(xié)議和TCP/IP協(xié)議作為項目的技術基礎。（6）視頻會議技術包括CAD應用藝術。會議頻率技術使通信合作伙伴能夠共享nowfield的視頻和音頻數(shù)據。（7）基于協(xié)同的項目數(shù)據管理系統(tǒng)。借助EDM系統(tǒng)，可以在分散化和全球化的條件下實現(xiàn)大規(guī)模分布式，并基于成組技術開發(fā)一致的數(shù)據管理和存儲控制。使用這些技術，可以實現(xiàn)復雜的虛擬對象來設計任務。

3.2 虛擬產品開發(fā)的組成

只有通過這些技術，才能完成從虛擬工藝到虛擬設計、虛擬加工與虛擬裝配、虛擬操作、虛擬實驗和虛擬設計的實現(xiàn)。

虛擬產品開發(fā)的組成部分是：利用CAD進行幾何設計和建模；通過各種儀器和計算機程序計算相關參數(shù)，并反饋給CAD。虛擬現(xiàn)實技術用于在計算機中模擬產品的性能；采用RP模型模擬內部樣品，利用工程數(shù)據制作和管理計算機數(shù)據和產品模型。利用CAPP支持虛擬技術開發(fā)計算機質量控制技術網絡質量；利用計算機輔助系統(tǒng)向制造部門傳送數(shù)據；利用PPS實現(xiàn)生產過程的計劃與控制；使用部門之間的接口。虛擬產品開發(fā)的組成如圖1所示，產品非常復雜多樣。

圖1 虛擬產品開發(fā)的組成

4 虛擬現(xiàn)實在泵制造中的應用技術考慮

4.1 虛擬泵產品的組成。

在虛擬環(huán)境系統(tǒng)中，最后，實現(xiàn)了虛擬水泵的生產。該產品需要技術支持，實現(xiàn)過程非常復雜。對于普通的虛擬水泵來說，這是一個復雜的過程。創(chuàng)建3D虛擬標準庫和虛擬設置，使專用零件庫和通用零件庫成為虛擬零件和整機裝配所提供的虛擬零件，共平面對齊有四種類型：孔板配合、孔板配合和球套配合。根據裝配過程制定裝配策略，并根據裝配過程中干涉碰撞的精度相關準則確定和構造裝配策略。同時，在裝配過程中，利用干涉反饋建立虛擬裝配系統(tǒng)策略、質量控制和零件評估。以及裝配信息的反饋。建立完整的裝配體系。裝配系統(tǒng)的運行和測試是保證產品匹配的重要手段。虛擬泵。最終的虛擬泵產品應包括輔助系統(tǒng)，如包裝、折舊、零件等、成型效果、動態(tài)作用等。

4.2 虛擬水泵的技術支持

通過虛擬產品結構，虛擬水泵可以實現(xiàn)。該產品背后的技術極其復雜，但實現(xiàn)是虛擬化的，擬議的泵產品將不會像大眾或波音虛擬系列那樣擁有復雜的系統(tǒng)。這是因為虛擬產品的復雜性、零部件數(shù)量、企業(yè)規(guī)模、自動化程度、工藝標準化程度等因素是建立經濟實用的虛擬產品的關鍵因素。建立了虛擬水泵產品的主要支撐技術和方法：多角度模型、曲面模型、NURBS模型、主要部件和整機模型的方法；利用網絡技術、接口檢測和文件格式技術進行數(shù)據和數(shù)據傳輸，通過實施裝配規(guī)劃來解決裝配和碰撞問題，裝配中斷檢測和交互反饋；使用虛擬動畫和著色進行操作、繪圖和渲染；使用多媒體技術創(chuàng)建背景音樂、配音和編輯；最后，建立了一個可視化的虛擬水泵演示系統(tǒng)。

4.3 虛擬網絡的實現(xiàn)產品

工廠和集團在集團虛擬裝配運營總部進行合作。集團內不同零件的不同虛擬制造工廠的數(shù)據傳輸，集團外不同虛擬制造工廠的數(shù)據傳輸，如零件和原動機的虛擬外包工廠（如圖2所示）和一般的虛擬群，通過仿真泵的各個子系統(tǒng)大腦的分散電力連接和中央控制計算機網格，以及在虛擬裝配零件和整個單元中實現(xiàn)裝配零件在會議的動畫模擬部門運行演示中，實現(xiàn)了零件識別和反饋設計結果、裝配作業(yè)質量、泵分配和網絡虛擬制造。

5 結語

虛擬泵產品實際上是該系統(tǒng)具有高精度、高重復性和高可用性的優(yōu)點。應用程序設計系統(tǒng)可以檢測組件之間的干涉，修改原設計，避免進一步加工，降低廢品率，協(xié)調各工廠或車間的設計和生產，與設計行業(yè)建立關系和共同體，幫助優(yōu)化設計計算和動畫部件及整機的裝配和操作，該系列產品批量生產，獲得高質量的產品，為抽水提供了有力保障。目前，我國泵制造行業(yè)標準化程度低、集成度低、制造質量差、運行可靠性差、壽命短、能耗高。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)和研究將大大改善現(xiàn)狀，提高泵業(yè)生產系統(tǒng)整體水平和國際競爭力，這是對我國民族工業(yè)的振動做出的貢獻。

圖2 虛擬泵產品制造網絡結構示意圖