基于虛擬現實技術的工廠布局和漫游系統??

蔡 寶 朱文華 顧鴻良 孫張馳

(上海第二工業大學工程訓練中心，上海201209)

虛擬現實(virtual reality，VR)是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中[1-3]。近年來將VR技術引進到智能工廠建設領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的并聯機床的虛擬裝配系統，梁宏寶[6]等人討論三維場景建模技術和三維場景優化技術，朱文華[7]等人開發了虛實結合的減速器工程訓練系統，郭建[8]等人提出了一種針對機床虛擬仿真教學訓練系統的開發方案，

總的說來，國內學者對虛擬漫游技術領域研究較多。本文以上海第二工業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，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軟件下開發虛擬車間漫游系統，最后應用虛擬現實設備zSpace實現帶有VR和AR功能的車床仿真系統。具體開發流程如圖1所示。

1 建立系統框架

圖1是虛擬工廠車間布局和漫游的系統框架，根據制定好的系統框架逐步進行開發。

2 軟件簡介

2.1 SketchUp 軟件

SketchUp又稱為草圖大師[9]，是由Google公司開發的一款三維輔助設計軟件。它是一套直接面向設計方案創作過程的設計工具，使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構思。其主要優點: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公司開發的跨平臺專業游戲引擎[10-11]，用戶可以通過它輕松實現各種游戲創意和三維互動開發，創作出精彩的2D和3D仿真內容。

3 虛擬工廠模型建立

系統開發初始，首先對實際車間情況進行調研統計，尤其需要統計出車間內各類機械設備的數量和擺放情況。表1是統計的各類機械設備的數量和名稱。

表1 工廠設備統計表

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，可以明顯比較出經過處理的模型更加接近真實效果。

3.3 工廠漫游功能開發

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模型的左右移動和正向反向旋轉。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，漫游系統設計了模型的縮放和旋轉功能，通過調用射線函數和Lerp函數等進行實現。函數調用語句如下:

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。系統實現了車間小地圖漫游技術(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

虛擬工廠設計是指通過獲取物理車間、生產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為系統開發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，場景中不僅可實現布局功能，亦可自由選擇需要的機床并進行數據保存。

3.5 虛擬車床切削仿真功能開發

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

4 虛擬車間漫游VR系統開發

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

4.1 交互方式設計

傳統的系統交互設計是通過調用UI函數實現，即通過鼠標點擊按鈕實現，這樣雖然相比傳統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。本節則嘗試在zSpace中調用某些函數將實現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車間第一視角漫游(系統為立體界面，拍攝畫面重影)。

4.2 增強現實技術應用

系統除了具有虛擬現實功能，還兼有增強現實的功能。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，屏幕重疊技術作為軟件，將zSpace畫面進行重疊處理。該技術的目的是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。圖11為虛擬車間中車床外部結構增強現實效果。

5 結語

虛擬制造系統的仿真開發具有一定的工程應用意義。本系統相比于傳統的制造仿真系統在可視化、交互性等方面進行了創新，借助虛擬現實技術實現了工廠車間設備布局設計和機床仿真切削的數字化與立體可視化，使得操作者在使用該系統時具有更為強烈的沉浸感，大大增加了其人機使用性能。該系統開發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設備的布局情況，更有助于工廠管理者合理優化車間生產空間，起到了節省生產時間和提高制造效率的作用，能夠為真實的生產制造過程提供較大的參考意義。

后續研究將虛擬現實手套與機床制造過程相結合，開發更為高級的人際交互，使得虛擬現實技術更好地服務于智能制造過程。

.知識窗.

全面質量管理(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。所謂全面質量管理，是相對于傳統的質量管理而言的。它是從系統理論出發，把企業作為產品質量生產的整體，以最優生產、最低消耗、最佳服務，使用戶得到滿意的產品質量為目的。它是用一定的組織體系，用科學的管理方法，動員、組織企業各個部門和全體職工，在產品質量形成的所有環節上，對影響產品質量的各種因素進行綜合的治理。它比檢驗的質量管理、統計的質量管理更加完善，所以稱為全面質量管理。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。