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新型节能环保建材虚拟仿真的特性及设计

时间:2020-11-04 来源:《中国石油大学胜利学院 山东京博》
作者:葛泉 李佳明 周荣席

  摘    要: 以新型节能环保建筑材料为研究对象,对其工业生产过程环节开展流程工序构建,基于虚拟现实技术对其进行虚拟仿真设计,从而把生产研发提高到新水平,对指导企业产品设计生产和信息化管理具有重要意义。

  关键词: 建筑材料; 工业生产; 虚拟仿真;

  Abstract: This paper takes the new energy-saving and environmental protection building material as the research object, carries out the working procedure construction of its production process, and carries out the virtual simulation design based on virtual reality technology, so as to improve the production research and development to a new level, which is of great significance to the guidance of enterprise product design, production and information management.

  Keyword: Building materials; Industrial production; Virtual simulation;

  1 、引言

  目前,为了提高产品从概念化设计到实际生产的效率,企业开始将目光转向制造领域的新兴技术。其中一种技术是虚拟仿真技术,它是仿真技术与虚拟现实(VR)技术相结合的高度逼真的人机交互技术。虚拟现实利用计算机模拟产生一个允许用户通过电脑屏幕进入的三维空间虚拟世界,用户可以像在真实世界中一样观看、移动并且与这个世界进行互动。虚拟现实背后是衍生性实体,一种与原始物体平行的镜像,它着重于在计算机图形学中表现现实世界,以一种不同于以往的方式表达思想并获取信息和知识的新媒体。随着计算机技术的发展,企业在进行产品设计和制造的过程中,虚拟仿真是一项不可或缺的工具,虚拟现实系统可以有效地做出贡献[1]。新型节能环保建筑材料工业生产的虚拟仿真是虚拟现实技术在建筑业中的应用之一,它在减少原材料损失、节约制造经费、缩短开发周期、提高产品质量、加强环境保护等方面发挥了巨大作用。

  2、 虚拟仿真特性

  国家工业化的繁荣离不开产品制造企业的贡献,随着时代的进步和科技水平的发展,企业竞争加剧,满足客户的需求变得越来越困难。近年来,虚拟现实技术的发展[2]推动了虚拟仿真在不同工程领域的应用,如勘察、设计[3]、建模、施工、运营、管理、车间控制、过程仿真、制造计划、培训、测试和验证等,为相关工程应用提供了条件。虚拟现实不仅为人们提供了一个可视化的三维环境,而且还可以与虚拟环境的对象进行交互,从定性和定量的角度改进决策[4]。虚拟现实技术在应用中展现的巨大潜力,可以帮助企业在实际生产中解决问题,从而避免因某些失误或错误而付出高昂的代价。

  虽然很难对所有虚拟现实系统进行分类,但大多数配置可分为三大类,每一类都可以根据沉浸感或其提供的存在程度进行排名。这些类别包括非沉浸式系统、半沉浸式投影系统和完全沉浸式系统。然而,由于虚拟现实系统商业化版本的出现,形势发生了变化,半沉浸式虚拟现实的水平实际上已经丧失。因此,虚拟现实的新划分只能分为两类:非沉浸式虚拟现实和完全沉浸式虚拟现实。
 

新型节能环保建材虚拟仿真的特性及设计
 

  3 、虚拟仿真设计

  3.1 、产品设计研发阶段

  设计研发是新型节能环保建筑材料工业生产的前提条件,其核心创意的优劣将直接影响企业客户的选择,应放在虚拟仿真设计的优先地位。设计研发团队在综合产品功能定位、使用场景、产品形态、质量要求、生产工艺、成本效益等的基础上,利用虚拟现实仿真技术进行方便快捷的数字化模型实验,提出具有创新实用性的设计研发方案,使新型节能环保建筑材料产品在设计研发阶段即能表现出强大的综合竞争力。在新型节能环保建筑材料新产品的概念设计阶段,虚拟仿真为设计研发者提供了一个虚拟环境,产品设计研发者可以在虚拟环境中生成产品的三维草图。在这一阶段,设计研发者可以进行原料制备、浇筑、切割、养护等产品功能性试验,以评估概念设计的可行性,并可根据需要进行修改。其中,设计研发的产品原型应该可以被清楚地定义和真实地模拟,以解决产品动态性和功能性。除此之外,虚拟场景的人机交互可以在离线的计算机上进行实时仿真。

  3.2 、生产阶段

  3.2.1 、生产线布局虚拟仿真

  建立一个基于虚拟仿真技术的生产线布局虚拟仿真平台,在实时可视化环境中进行直观的操作。按照新型节能环保建筑材料生产厂房的实际空间情况,合理进行生产线布局。生产线布局的好坏将直接影响整个生产系统的效率,基于虚拟仿真强大的交互性,企业生产线管理人员的经验可以在布局设计开始时就加以结构整合,有效提高生产线的优越性。根据新型节能环保建筑材料产品生产线的工序顺序,安排相关生产设备的布设顺序,并进行总体规划、详细布置和施工安装,在直观的用户界面下,设计者可以实时操作设备模型和生产线布局场景。针对现有车间改造及未来新工厂建设,基于企业发展战略进行前瞻性的工厂生产线三维虚拟仿真验证。

  3.2.2 生产工艺虚拟仿真

  按照产品的生产加工工艺,在三维虚拟环境下重现产品的生产加工过程。在建模和虚拟仿真的基础上研究影响产品质量、生产时间和成本等因素,缩短工艺设计周期。工艺仿真主要解决产品生产加工过程中的碰撞、干涉、运动路径、人员操作等问题。通过对生产工艺流程的虚拟仿真,进行产品装配和拆卸验证,预测装配质量、产品周期和成本,及时发现装配过程中存在的干涉、碰撞等问题,减少无效的零件移动、无效的人员运作,提升装配工艺过程的可操作性和效率。虚拟仿真允许工程师在零件和生产工艺上根据需要随时调整,实际上会使企业更有效率。工程师之间的沟通越好,他们就能创造出更好的产品。无论新型节能环保建筑材料产品制造过程变得多么自动化和虚拟化,建筑材料最终都是由人类制造的。

  3.2.3、 生产设备虚拟仿真

  生产线设备种类多、数量大,虚拟仿真显示了在未来提高设备使用效率、改善设备产品质量、缩短设备交易期和降低设备成本方面的巨大前景。首先,对设备产品原型进行拆卸,以此确定设备组成所需的零部件清单及数量。其次,构建设备产品装配流程图,确定设备产品装配的不同阶段和不同装配过程的顺序。最后,根据设备产品装配操作相对时间的优先关系,将不同阶段和不同过程的操作聚合在一起执行。

  3.2.4 、生产培训虚拟仿真

  使用先进的虚拟现实技术,新型节能环保建筑材料产品的可视化设计研发、生产制造过程,直观动态展现在培训者和被培训者面前。工人通过计算机上的沉浸式三维虚拟仿真环境,熟练掌握产品工艺生产技术和流程,培训在真实的模拟设备中进行,包括车间的动作、场景和声音。经过虚拟仿真培训,参与培训人员对生产设备的误操作率就会降低,进而提高了设备利用率和安全生产系数,延长工厂设备的实际投产时间,这对新型节能环保建筑材料产品生产培训至关重要。虚拟现实培训将使工人准备得更好、效率更高,从而提高生产线的整体生产率,基于虚拟现实的培训是十分先进的向员工传授新型节能环保建筑材料产品制造技术和工艺的方法。

  4 、结语

  虚拟现实仿真是制造业企业测试和评估新产品和新设计的高效工具,计算机视觉、机器学习、可穿戴设备和产品数据管理的新进展使虚拟现实助力传统产品实现和制造的智能创新发展。新型节能环保建筑材料工业生产的虚拟仿真是虚拟现实技术在建筑业中的应用之一,它能够降低企业设计和生产成本,确保产品质量,并缩短从产品概念到生产所需的时间,提高了企业的盈利能力。虚拟现实技术被应用于解决企业生产制造的现实问题,产品设计、制造、生产流程可以在实际实施之前定义、建模和验证,同时有效保障了工人操作设备的安全性。此外,虚拟现实为企业提供了一种新的方法,不仅可以可视化生产过程,还可以与虚拟环境交互,有效地解决实际生产问题。

  参考文献

  [1] Lin M-H, Fu L-C. A Virtual Factory Based Approach to On-line Simu lation and Scheduling for an FMS and a Case Study[J]. Journal of In telligent Manufacturing.2001,12(3):269–279.
  [2]洪炳熔,蔡则速,唐好选编着.虚拟现实及其应用[M].北京:国防工业出版社,2005.
  [3]彭亚捷.道路边坡稳定性分析及治理设计[J].江西建材,2018(10):90-92.
  [4]严隽琪等着.虚拟制造的理论、技术基础与实践[M].上海:上海交通大学出版社,2003.

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