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虚拟现实在制造系统中的应用
摘要：
虚拟现实(VR)是一个高端人机界面，力求让设计师和用户完全沉浸在虚拟交互仿真真实世界的环境中。为了满足市场的需求竞争,虚拟现实技术不仅可以有效地减少时间和成本,而且优化复杂的产品设计的过程。虚拟现实是一个飞速发展的电脑界面,力求让用户完全沉浸在一个实验模拟,从而提高整体的影响，并提供人与计算机一个更直观的联系。虚拟现实技术成功地应用在各种不同的领域的不同场合，包括：原型设计、制造、可视化技术、工程和教育。本文论述了虚拟现实技术在制造业的应用。
关键词：虚拟现实;虚拟制造;仿真
1.介绍
如今,制造企业需要高效、低成本的生产创新产品并将其推向市场。采用个人定制的策略来满足高品种和低容量的要求，使得制造过程更复杂、多变和苛刻。因此，一个产品从构想到生产的新标准和顾客的新要求，正迫使制造业公司转变新技术。这项新技术就是虚拟现实(VR)。虚拟现实技术的起源至少追溯到“终极显示”。虚拟现实的主要概念是错觉。它关注的是计算机图形学中幻想世界思想的表现。这也是一个获取信息和知识、表示想法的方式与以往不同的新媒体。虚拟制造(VM)是虚拟现实技术应用领域之一。虚拟制造的定义是一个能够产生结构的信息、制造系统的状态和行为并观察到实际生产环境的计算机系统[5]。虚拟制造提供了一个如此强大的建模和仿真环境，以至于任何产品的制造组装，包括相关的生产流程，都可以在电脑上模拟[6]。
2.虚拟现实系统
表1虚拟现实系统的类型[7]
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虚拟现实系统 |
non-immersive系统 |
Semi-immersive系统 |
Fully-immersive系统 |
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输入设备 |
鼠标、键盘、操作杆、追踪器 |
操作杆、空间球、数据手套 |
手势和声音 |
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输出设备 |
标准高分辨率显示器 |
大屏显示器、大型投影系统和多种电视投影系统 |
佩戴式成像头盔 |
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分辨率 |
高 |
高 |
中低等 |
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沉浸感 |
没有-低 |
中-高 |
高 |
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交互能力 |
低 |
中等 |
高 |
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价格 |
最低 |
昂贵 |
非常贵 |
虚拟现实的科学定义为一个创建三维互动世界的电脑应用程序，在三维世界中的物体有空间形式。Ivan Sutherland引入了沉浸在一个模拟世界的关键概念，和完整的感官输入和输出，这是当前虚拟现实研究的基础[2]。尽管它是很难分类所有的虚拟现实系统,大多数配置下降为三个主要类别，每个类别可以按浸入式的感觉或存在度排名，这些类别包括non-immersive系统、semiimmersive投影系统和完全展现出系统，如表1所示[7]。
3.虚拟现实技术在制造业的应用
对于工业化国家的繁荣，制造业是最具贡献的。然而,它是越来越难以满足客户的需求和竞争。虚拟现实技术的进步提供了虚拟现实应用到不同的工程应用领域,如产品设计、造型、车间、控制、过程模拟、制造计划、培训、测试和验证。在制造业的应用，虚拟现实具有巨大的潜力在实际生产前解决问题，从而防止昂贵错误。VR不仅提供了一个环境在三维可视化环境，也从两个定性和定量的角度与对象交互来改善决策[8]。虚拟现实技术在制造业的应用已被分为三种：设计、制造流程和操作管理。每组的简要描述和相关的子组将在下面进行描述。
A.设计
虚拟现实技术在设计方面已经应用到两个不同的场合;设计和原型，如表2所示。虚拟现实提供了一个虚拟环境，设计师在设计一个新的的概念设计阶段产品;设计师可以生产产品的“3 d草图” 在虚拟环境中。在这个阶段,功能实验的机械特性,比如铰链, 装配等可以进行评估的概念可以根据需要设计和修改。图1 显示虚拟现实设计团队为波音公司[8]。数字工程表示数字的综合运用在产品设计和生产方法和工具旨在提高规划的质量和控制在整个产品生命周期[10]。虚拟原型可以在构建物理样机之前使用来
a)功能:虚拟样机应该清楚产品定义和实际模拟来解决功能和动态行为。
b)人机交互:人类的功能必须实际模拟,或者人类必须包括吗在模拟
c)环境:离线的计算机模拟函数可以执行,或计算机的结合可以进行离线和实时仿真。
图1 虚拟现实设计团队在波音公司[9]
表二。制造设计应用程序[11、12]
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应用领域 |
定义 |
例子 |
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产品设计 |
虚拟设计是利用虚拟现实技术，提供设计师 在虚拟环境下评估计，评估替代设计，有效地与产品模型进行交互，并充分利用人体跟踪开展人体工程学研究。 |
麻省理工学院开发了一个虚拟车间用于机械设计。该项目的目标是开发设计人员，同时必须考虑到制造工艺做概念设计工作模拟车间。模拟车间由带锯，钻床，铣床，一个摇臂锯和一台锯 |
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样机研究 |
虚拟样机意味着使用虚拟原型来代替或与实物原型结合，创新，测试和备选设计的具体特性评估的过程。 |
伊利诺伊大学，芝加哥和普渡大学已经设计并实施了虚拟现实原型基础计算机辅助设计系统。这样做的焦点工作是允许的简化方法设计复杂通过机械零件使用的虚拟现实技术。 |
B生产流程
这被分为三个不同的领域：加工、装配和检验。虚拟加工包括切削过程,如车削、铣削、钻孔、研磨等。图2显示了一个工程师用虚拟现实技术模拟一个六轴机床的使用[13]。用户可以在铣床上挂载工件,选择一个工具和执行直接加工操作,如轴向运动或预定义的程序[14]。
虚拟装配是虚拟制造的一个关键组成部分，并且被定义为使用计算机工具或协助装备相关的工程通过分析、预测模型、可视化和报告的数据在没有实现产品或支持流程的情况下做决定。虚拟现实可以用于装配/拆卸操作。在组装线, 基于建模与仿真，虚拟制造主要用于调查装配的流程、机械和物理特性 [15]。2006年，在建造下一代凯美瑞在墨尔本的制造工厂时，丰田已经使用了虚拟人Ergo Man帮助装配工人减少身体负担。这是作为3 d虚拟装配操作创新的一部分,数字化复制整个装配生产过程 [16]。另一个虚拟现实技术在装配方面的应用是福特汽车公司与西门子合作，构建虚拟组装厂技术[17]。这个应用被称为IntoSite，允许用户使用谷歌地球的基础设施浏览3 d版本的实际福特组装线，正对着单个工作站。IntoSite目前大约一年进入试点阶段,这发生在密歇根装配厂韦恩,密歇根。允许工程师玩弄零件和装配过程使公司变的更高效。无论汽车的制造过程变的多么自动化和虚拟，汽车最终还是由人类制造。人们之间的交流的越密切，就越能生产出更好的产品。幸运的是,IntoSite不仅允许工程师几乎前往全世界的组装厂，它也会更好地将它们连接到全球的同事。通过这个统一通信的方法,难题能够被全球的合作者解决，数据能够随时共享，甚至出行的费用也会潜在的减少。图3显示了福特汽车正在试验从西门子公司购入的新软件，谷歌地球的基础设施的使用促进了在其组装厂虚拟导航。
图3所示。虚拟装配在福特汽车公司[17]
虚拟制造技术用于模拟检验过程和检测设备的物理、机械性能。虚拟检测为研究检验方法、碰撞检测、检验计划和检查准确性影响因素的过程提供了一个环境[18]。
智慧工厂是新的制造业的革命，其智能制造的过程体现出自主能力、整体可视、协调重构、自我维护、人机共存等主要特点，智能车间作为智慧工厂的智能单元，其可视化是进一步实现车间设计、布局优化及员工培训的有效方法，更是实现智能制造的基础。本课题以本省某机械装备企业智能车间及其总装车间的可视化仿真为主要研究内容
c .运营管理
虚拟现实操作管理是分为三个类别;规划、模拟和训练。在规划部分，通过给予的视觉环境让所有人参与规划过程来监控导致结果不足和延迟因素，虚拟现实可能导致的一个最优规划的制造系统。基于人类经验和事实的解决方案的视觉比较，导致快速生产的开始和良好的制造工艺[19]。虚拟现实有助于验证的模型逻辑与现实世界的行为 [20],它支持用来解释结果和模型动态行为的仿真工具。虚拟现实也说服那些知道仿真工具和理解的功能模拟，但不相信虚拟现实的人, [21]。虚拟训练是世界上最进步的培训员工制造技能和流程的教学方法。利用最先进的虚拟现实技术,培训需要在一个现实的模拟实际版本的设备, 完整的行为、视觉、和声音的地板上[22]。越来越多的工厂和工厂布局在计划之中数字与3 d CAD工具。为了提高可持续发展作为一个整体的规划,三维数据也必须用于下游规划流程。同时生成和更新二维布局代表模拟过程示意图无效,冗余和容易出错。根据上下文的使用、交互式3 d可视化和可以另外动画代替2 d表示提供各种优势和改进,例如分析期间削平和设备的潜在冲突生产、清晰的复杂系统的演示和手动设备的动画。Review3D被用来开发一个resourceefficient仿真规划的工具工厂,链接到一个公司的具体数字生产计划界面,自动手动简化程序被认为是规划数据与一个非常高水平的细节来生成交互式3 d可视化,称为虚拟工厂[23]。下面的图4显示了虚拟工厂[24]。符合虚拟工厂的可持续发展要求,这样的模型不仅仅自然可以用于实际的计划吗过程,例如营销、培训或操作计划。研究人员还实现了虚拟现实培训工人执行手动起重不会造成伤害他们的后背。研究人员也使用虚拟现实增强现实技术以减少碰撞的风险。他们实时模拟过程,虚拟显示产品移动带式输送机和任何即将到来的碰撞可以提前监测早期[25]。进行的一项研究[26]使用单数和视觉反馈技术相结合培训用户在执行手动取消任务,以减少背部疼痛的问题。基于虚拟现实平台多智能体programmi动态 互动的主要观点原型问题动态建模功能的使用在一个虚拟环境设计作为一个多代理系[27]。
图4 虚拟工厂[24]
4结论
新电脑造型的发展,可视化,仿真和产品数据管理虚拟现实(VR)一个可行的替代传统产品实现和制造业。虚拟现实可以是一个强大的工具测试和评估新产品和想法。它的应用程序在制造使公司减少设计和生产成本,保证产品质量和减少时间需要从产品概念到生产。虚拟现实技术被应用到解决客户的真实世界问题,增加了盈利能力,减少时间市场,增加了工人的安全。制造设计和过程可以定义、建模和验证他们实际上可以实现的。VR提供工程师的新方法不仅想象他们的问题,但也英孚与环境互动来解决这个问题。
远程虚拟现实和虚拟实验室的机遇和挑战
摘要：随着科学技术的进步、VR设备定价在消费水平以及相关外设导致了虚拟现实在教育和培训领域的一次新的变革。使设计令人信服的，有效，实用是在教育虚拟现实应用在教育领域的挑战。它增加了复杂性的附加水平和费用的
创作教材，确保了学生积极学习。本文（工作正在进行中）探讨一些在使用虚拟现实的问题的情况下远程和虚拟实验室，并讨论了一些移植现有的实际实验室的挑战和机遇和模拟成一个虚拟现实环境。
1介绍
虚拟现实（VR），硬件及相关外围设备越来越容易获得和负担得起的，由于一般技术改进，尤其在移动设备方面。这一代VR设备有潜力解决许多以前的缺点，在该地区成为主流消费电子设备如Oculus Rift、索尼Morpheus和三星Gear VR。 然而设计有效的VR实际应用教育用途除了拥有众多挑战晕车经常出现的问题。传统与电脑的互动往往把重点放在如何在用户有关，并与在屏幕上的内容交互。 VR，当用于有效超越浸入，得
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