基于工業機器人生產線的三維仿真關鍵技術數據構建研究

摘 要：當前，三維仿真技術已是“第四次工業革命”研發的核心技術，成為分析、研究各種復雜系統的重要工具。國外已將其作為常用的規劃設計和分析手段，運用到制造業、工程機械、航空航天等領域，而在國內，該技術的應用基本處于起步階段。隨著全球化經濟競爭的日益激烈，國內制造業企業面臨著轉型或升級的問題，對企業來說，規劃與設計一個直觀、高效、科學、節能、安全的三維可視化評估方案尤其重要。因此，三維仿真關鍵技術的研究與應用具有很強的現實意義。

關鍵詞：三維仿真；機器人生產線；工業4.0

中圖分類號：TP242.2；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）04-0173-03

Research and Application of Key Technology of 3D Simulation Based on

Industrial Robot Production Line

ZHU Dongyong

（Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China）

Abstract：At present，3D simulation technology is the core technology of the “fourth industrial revolution”，which has become an important tool for analyzing and studying all kinds of complex systems. Abroad has been used as a common planning design and analysis tools，the use of manufacturing，engineering machinery，aerospace and other fields. In China，the application of this technology is still in the initial stage. With the increasingly fierce competition in the global economy，the domestic manufacturing enterprises are facing the problem of transformation or upgrading，for enterprises，planning and designing an intuitive，efficient，scientific，energy-saving and safe three-dimensional visualization evaluation scheme is particularly important. Therefore，the research and application of key technologies of three-dimensional simulation has a strong practical significance.

Keywords：3D simulation；robot production line；industry 4.0

0 引 言

我國在經歷了改革開放以來的經濟高速增長后，制造業結構的不合理問題越發突出，如今國家工業4.0概念提出，引領國內制造業向工業化和互聯網化融合道路發展，面對大部分勞動密集型企業產業結構轉型的需要，急需推動工業機器人生產線進程，而規劃與設計工業機器人生產線是眾多勞動密集型企業要迫切解決問題。因此，對企業來說，提供一個直觀、高效、科學、安全、節能的工業機器人生產線規劃與設計方案尤其重要，而三維仿真技術無疑為轉型或升級企業的決策提供了重要參考依據。

1 三維仿真技術的內容

三維仿真技術又稱三維虛擬技術，是指以相似原理、系統技術、信息技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，運用計算機技術生成的一個逼真的、具有多種可視的虛擬環境。簡單地說，三維仿真技術是對系統模型的一種試驗技術，其實質是進行建模和實驗。它利用計算機技術提供了一種計算工具和分析工具，是解決許多問題的一種實驗性新方法。就三維仿真本身而言，它的主要研究內容為：

（1）通過計算機圖形方式建立動態的三維可視化效果；

（2）建立對虛擬世界的觀察界面；

（3）使用虛擬現實技術加強諸如科學計算技術等方面的應用。

2 面向食品機器人生產線三維仿真關鍵技術的數據構建

在食品機器人生產線三維仿真設計中，構建了三維仿真關鍵技術數據，主要包括結構原理分析技術、三維建模關鍵技術、三維動畫關鍵技術、三維場景渲染關鍵技術、后期合成關鍵技術，三維仿真關鍵技術數據構建如圖1所示。具體利用三維仿真技術全方位展示食品機器人生產線的運轉原理、工藝布局、裝配輸送等過程，以達到生產線的改造與升級，提高生產效率與產品品質。

2.1 結構原理分析技術

在結構原理分析技術中，運用“MAS多體分析”方法分析食品機器人的外形和內部構造，把機器人設計原理、工作過程、動力系統、性能特征等通過相關數據圖表呈現出來，為三維仿真設計做好前期工作。“MAS多體分析”方法主要包括靜力學分析、驅動學分析、動力學分析、裝配體分析、逆動力學分析（反向動力學分析）、線性系統分析。MAS多體分析系統如圖2所示。

2.2 三維建模關鍵技術

三維建模關鍵技術是通過運用Maya軟件創建三維模型，力求各部件結構準確，同時需要解決大數據建模運算與計算機硬件資源有限性的問題，為此在三維建模中，可以通過以下方法減少模型運行數據量，提高模型制作品質與效率：

（1）采用“軟邊”技術。通過“分類比較法”（分類比較法實例如圖3所示），發現“倒角細分技術（A-模）”與“平滑細分技術（B-模）”這兩種技術難以使機器人模型質量達到平衡點，藍模面數少但質量差，黃模質量好但面數多的問題，通過技術創新，把游戲軟邊技術應用到機器人模型中，實現機器人模型軟邊效果（C-模），既能控制面數，又能達到工業級產品質量；

（2）采用“交互式顯示”技術。該技術能夠在交互操作中讓模型以線框顯示，操作結束以實體顯示，極大地節省了操作中運行的數據量。

2.3 三維動畫關鍵技術

三維動畫關鍵技術主要包括運動控制系統設定和動畫制作技術。首先，需為機器人設定運動控制系統或稱為綁定系統，通過骨骼、晶格、簇、變形、腳本等工具命令設置各運動鏈正向、反向、驅動、阻能等功能，然后使用蒙皮技術，讓骨骼等控制器驅動機械模型；其次，在動畫制作中采用“逐幀關鍵幀”方式，使仿真動畫精準度大幅度提高，同時創新動畫制作技術——“機械動畫分層非線性技術”，它使不同組件動畫數據存儲在動畫層里，不受時間線約束，可以反復調用動畫數據，此技術有效節省了項目制作周期，也節約了成本。

2.4 三維場景渲染關鍵技術

三維場景渲染關鍵技術主要涉及場景預渲染技術。場景預渲染（Render）是三維虛擬圖形學的專業術語，它是利用GPU從模型生成圖像的過程，涉及三維物體的幾何、紋理、顏色以及照明信息描述。在場景渲染中，采用Mental ray渲染器渲染，它能實現三維仿真高質量效果，但需要解決大數據物理渲染與計算機硬件資源有限的問題，經大量數據實驗與分析，使用“分布節點式”渲染方法（如圖4所示），它是基于大數據云計算的概念，可以將一個或者多個渲染任務分割成若干部分，由集群中各節點同時渲染，從而達到快速渲染和提高制作效率的目的。

2.5 后期合成關鍵技術

后期合成關鍵技術主要利用特效軟件制作合成效果，利用基于“層”概念的時間線操作的非線性特效軟件AE，它能快速實現工業級后期處理效果，同時存儲特效數據以快速調用，另外它還具備調色、校正色彩的性能，能夠滿足設計要求。

3 結 論

三維仿真技術應用能夠有效為工業機器人生產線設計、檢驗、安全措施等方案的制定提供一個可視化、多角度、全方位的演示環境，使企業決策者能夠審視與檢驗項目方案，從而縮短企業生產線的研發周期，大幅度提高企業的經濟效益，促進企業加速技術更新，加快從產業鏈低端向產業鏈高端方向的發展，同時該課題的研究與應用也能反作用于教學改革，促進動漫專業人才培養朝多層次方向發展。

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作者簡介：朱冬勇（1980-），男，浙江寧波人，碩士研究生，動漫專業帶頭人，研究方向：三維動畫、虛擬現實。