（机械电子工程专业论文）制造单元的三维可视化重构及仿真技术研究.pdf

摘要 摘要 可重构制造是一种指导和管理制造系统进行重构的制造哲理，它使制造系 统通过内部自身变化来快速响应外部的市场环境变化。本文针对制造系统布局 问题研究了制造单元设备布局方法和布局方案的可视化及运行仿真技术。论文 主要研究和解决了以下几个方面的问题： ( 1 ) 应用面向对象技术，通过对虚拟设备行为抽象，分析归纳了各类生产设 备的共同和独特的属性与行为，建立了相应的设备模型库，为制造单元的设备 布局设计以及快速重组设计提供了有效的建模和分析工具。建模采用传统的 c a d 建模软件s o l i d w o r k s 建立三维模型，使用p o l y t r a n s 把c a d 模型转换成 f l t 格式。研究了将f l t 模型文件，包括材质和纹理转化为f s t 格式的方法， 有效解决了制造单元规模扩大时，仿真系统运行速度减慢的问题。研究了虚拟 制造单元构建的总体框架和快速构造方法，另外还研究了v e g a 虚拟现实平台相 关技术及其应用方法。 ( 2 ) 研究了采用遗传算法进行设备的布局优化的方法。根据保证车间物流 费用最小的原则，建立了车间设备布局问题的目标函数和约束条件，进行了设 备布局优化的遗传算法设计，包括编码方法及各遗传算子操作。遗传算法的优 化结果以设备布局文件的方法输出，并可在系统中将布局优化方案三维可视化。 ( 3 ) 利用立体显示原理，即双目视差原理，采用双目视差中的负视差，并通 过o p e n g l 的四组缓冲立体( q u a d - b u f f e r e ds t e r e o ) 功能，编程实现v e g a 环境下 的三维模型在e o ni c a t c h e r 立体投影系统中的立体显示。该方法主要使用通 用的v g p r o p 函数对窗口v g w i n d o w 的属性v g w i ns t e r e o 设置为v gt r u e 开启立体模式，v g p r o p 函数设置初始属性和类事件属性。同时对线程与 t m a n a g e r 类进行相关的定义。 ( 4 ) 进行了制造单元运行过程仿真的初步研究，在c + + b u i l d e r 和v e g a 平台 上开发了原型系统。以一个柔性制造单元为例，实现了可视化设备布局和制造 单元构造。用户可以从设备库中任意选择设备摆放在车问中，并可改变设备的 位置和方位。也叮以通过系统提供的遗传算法优化模块对制造单元进行快速自 动化构造，另外，在该实例卜i 还展示了制造单元运行的柔性化仿真。系统可以 广东工业大学工学硕士学位论文 根据用户输入的工艺流程控制文件来仿真制造单元的运行过程，从而对制造单 元的工艺规划进行直观的验证和评价。 关键词：制造单元；可重构；布局优化；v e g a i l a b s t r a c t a bs t r a c t r e c o n f i g u r a b l e 】a n u f h c t u r i n gi s ap r i n c i p l et h a ti n s t r u c t sa n dm a n a g e st h e m a n u f a c t u “n gs y s t e mt or e c o n f i g u r e ，a n di tm a k e st h es y s t e mr e s p o n dr a p i d l yt ot h e c h a n g eo ft h eo u t e rm a r k e tt h r o u g ha d j u s t i n gt h ei n n e r t h er e s e a r c h e si nt h i st h e s i s a r ef a c i l i t y l a y o u t ，v i s u a l i z a t i o na n dp r o c e s ss i m u l a t i o n o fm a n u f a c t u r i n gc e l l a c c o r d i n gt o t h el a y o u tp r o b l e mo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h em a i np r o b l e m sa r e s t u d i e da n ds o l v e da sf b l l o w s ： ( 1 ) t h ef a c i l i t ym o d e ll i bi ss e tu pb yu s i n gt h e0 0t e c h n o l o g y ，a b s t r a c t i n gt h e b e h a v i o ro fv i r t u a lf a c i l i t ya n da n a l y z i n ga n dc o n c l u d i n gt h ep r o p e r t i e sa n db e h a v i o r i n c l u d i n gt h ec o m m o na n du n i q u e ，a n dt h e r e f o r ei tp r o v i d e sa ne f 艳c t i v et o o lf o r m o d e l i n ga n da n a l y s i s o ft h e f h c i l i t yl a y o u t a n dr e c o n f l g u r a t i o n r a p i d l y o f m a n u f a c t u r i n gc e l l i nt h i ss y s t e mw eu s es 0 1 i d w r o k st oc r e a t et h e3 df a c i l i t ym o d e l f i r s t ，a n du s ep o l y l 、r a n st ot r a n s f e ri tt of 【j tf o r m t h e nw es t u d yt h ew a y t ot r a n s f e r f l tf o r mt of s ti n c l u d i n gt h em a t e “a la n dt h et e x t u r eo ft h e3 dm o d e l ，a n dt h e p r o b l e mo ft h es p e e db e c o m i n gs l o ww h e nt h e s c a l eo fs y s t e mi s e n l a r g e d i n a d d i t i o n ，w ep r o p o s eaf r a m e w o r kf o rr a p i dc o n s t r u c t i o no fm a n u f a c t u r i n gc e l lu n d e r v i r t u a le n v i r o n m e n t ，a n ds t u d yt h et e c h n 0 1 0 9 ya n da p p l i c a t i o n so fv e g a ( 2 ) i ti sp r e s e n t e dt h a tf a c i l i t yl a y o u ti so p t i m i z e db yu s i n gg e n e t i ca 1 9 0 r i t h m f i r s t l yw eg e tt h em a t hm o d e l i n g w i t ht h eo b j e c tf u n c t i o na n dr e s t r i c t t h e n d e s i g nt h e a l g o r i t h mi n c l u d i n gt h ec o d ea n do p e r a t o r f i n a l l yt h eo p t i m i z e dr e s u l ti s s h o w na sav f ff i l e a n ds t e r e od i s p l a yi sr e a 】j z e di nt h es y s t e m ( 3 ) s t e r e od i s p l a yo f3 dm o d e li nv e g ae n v i r o n m e n ti sr e a l i z e dt h r o u g he o n i c a t c h e rs y s t e mb yp r o g r a m m i n g ，w h i c ha p p l y i n gp r i n c i p l e so fs t e r e od i s p l a y ， n a m e l yp a r a l l a x e s ，a d o p t i n gn e g a t i v ep a r a l l a x e sa n dt h eq u a d - b u f f 色r e ds t e r e o f u n c t i o no f0 p e n g l t h ek e ys t e pi st os e ts t e r e om o d ev g w i n s t e r e oa s v g t r u eo fv g w i n d o wp r o p e r t yb yc o m m o na p if u n c t i o ns u c ha sv g p r o p i ti s u s e f u lh e r et oc a na p if h n c t i o n t h e np r o g r a mc + + c o d ew h i c he n a b l et os e t w i n d o wp r o p e r t yo ft m a n a g e ra n dt v e g a t h r e a dc l a s s i i i 奎三些奎兰三兰至圭兰堡篁兰 ( 4 ) t h i st h e s i si a s tp r e l i m i n a r i l ys t u d i e so ns i m u l a “o no fn e x i b l ep r o c e s so fa m a n u f a c t u r i n gc e l l ap r o t o t y p es o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e dw i t hc + + b u i l d e ra n d v e g a h e r ew et a k eaf m sa sa ne x a m p l et or e a l i z ev i s u a l i z e dl a y o u ta n d c o n s t r u c t i o n i ti sc o n v e n i e n tf o ru s e r st os e l e c tt h ef a c i l i t i e so p t i o n a l l yf r o mt h e f a c i l i t yl a ba n dp u tt h e mi n t o t h ew o r k s h o p ，i nt h es a m et i m e ，t h ep o s i t i o na n d o r i e n t a t i o no faf a c i l i t yc a nb ea d j u s t e d t h em a n u f a c t u r i n gc e 】li sa l s oc o n s t r u c t e d a u t o m a t i c a l l ya n dr a p i d l yt h r o u 曲t h em o d u l eo fg e n e t i ca 1 9 0 r i t h m i a d d i t i o n ，t h e n e x i b l ep r o c e s ss i m u l a t i o n o fm a n u f a c t u r i n gc e l li ss h o w ni nt h es y s t e m t h e s i m u l a t i o nj sa c c o r d i n gt ot h es c hf i l ei n p u tb yu s e r s t h e r e b yi ti sag o o dw a yt o c h e c ka n da p p r a i s et h ep r o c e s sd e s i g no fm a n u f h c t u r i n gc e l lv i s u a l l y k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gc e 儿；r e c o n f i g u r a t i o n ；f a c i l i t yl a y o u t ；v e g a 绪论 第一章绪论 1 1 可重构制造单元 1 1 1 可重构制造系统及研究现状 上世纪9 0 年代出现了一种新的制造系统，可重构制造系统( r m s ， r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 或称为快速重组制造系统( r r m s ，r 印i d r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u a r i n gs y s t e m ) 是指为能适应市场的需求变化，按系统规 划的要求，以重排、重复利用、革新组元或子系统的方式，快速调整制造过程、 制造功能和制造生产能力的一类新型可变制造系统。它是基于现有的或可获得的 新机床设备和其它组元的、可动态组态的新一代制造系统。一般一条可重构制造 系统相当于几条传统的制造系统。它配置适用功能的机床，一旦出现产品品种和 批量变化时，可以在充分利用原有资源的基础上，通过适当的调整和改变机床或 机床上的模块配置，很快形成一条新的制造系统，以快速的满足动态变化的市场 需求。 可重构制造系统是继承了2 0 年代的自动化流水线、5 0 年代的n c 机床、6 0 年代的f m s 和8 0 年代的c i m s 之后，由国外一些实施先进制造技术的企业首 先创造的又一类新型可变制造系统。其目的在于：大大缩短适应产品品种与产 量变化的制造系统的规划、设计和建造时间及新产品的上市时间，大幅度地压 缩系统建造的投资、降低生产成本、保证质量、合理利用资源、提高企业的市 场竞争力和利润率【l 。】。 制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制造系统 中的关键问题是：如何快速设计与建造新产品生产的系统，使企业及时抓住商 机? 在产品变化时，如何形成使企业可以迅速扩大市场份额或战胜竞争对手、 抢占市场的能力? 是否允许新技术、新装置尽快地用于制造生产，帮助先进的 企业和国家形成制造竞争力的优势。一些先进的企业为了实行更大的设备系统 柔性进行了多种探索。日本对化工生产设备小型化和数控可移动化进行了成功 的探索：美国等一些先进的制造企业利用弹性支撑，抛弃了单独地基的不变制 造系统布置，成功地实现了制造系统的可移动组合布置。后者由于经济简单易 广东工业大学工学硕士学位论文 行很快为不少企业所接受。据知：美国相当多的制造企业平均每年对制造系统 进行1 2 次的重组布置，以适应产品的变化：英国有的公司达到了1 次周的重 组布置频率。在工业界和政府的推广下，发达国家从9 0 年代中期开展了可重组 制造系统的基础与应用研究，并已推广应用。例如：1 9 9 4 1 9 9 9 年以美国密执安 大学为中心的r m s 课题获得了n s f 与工业界3 0 8 0 万美元的支持，进行了“制 造系统重组方式对系统性能的影响”，“产品装配过程的变流理论与建模”等方 面的研究，并以可重组的敏捷制造为课程进行了广泛地企业培训，同3 0 个以上 的企业进行以r m s e r c 为基础的合作。与此同时，美国依阿华大学和麻省理 工学院的研究人员对这类系统的设计进行了研究。 在国内，北京机床研究所和清华大学，在f m s 和c i m s 研究的基础上，从 8 0 年代以来进行了“制造系统组态( 重组) 的研究”，“床弹性支持的试验研究”。 “随机优化布置”，“量监控与质量工程”等基础性的研究。在1 9 9 8 年开展了国 家自然科学基金重点项目一一快速重组制造系统理论与方法的研究，对r m s 的 科学基础、规划、设计、建造和运行理论与方法，设计应用，规划、性能测试 与评价方法与工具，全寿命经济学等开展了深入地研究，己经受到一些单位的 重视。 1 1 2 可重构制造单元 1 1 2 1 可重构制造单元的定义及特征 单元制造系统( c m s ，c e l l u l a rm a n u f a c t r i n gs y s t e m ) 就是将制造系统重新组 织成自治和协作的制造单元。其特点是将制造系统按不同的制造零件进行重组， 而不是按企业功能来进行划分。按照这种思想，零件被组合成族，它们和一组 机床和人员( 设计人员、操作人员、编程人员、质量管理人员等) 一起构成一 个自治的制造单元，这种组织形式称为单元制造。 制造单元具有自治性，协同性，柔性等特征，由于市场需求的不断变化， 从而导致制造单元承担的加工任务也是动态多变的，这种多变性使单元生产所 需的设备资源和设备负荷也是动态变化的。为了解决这一问题，许多学者提出 了重构单元的概念。制造单元经过重构以后可以恢复柔性，提高系统的市场响 应能力。制造单元重构的关键在于如何选择、合理地组织制造资源来完成产品 的开发和加工，它必须考虑可制造性、加工成本、各种资源所具有的能力、运 2 绪论 输费用等因素。由于不同的设计方案可能导致截然不同的资源选择，因此制造 单元的重构必须和产品的设计紧紧联系在一起。可重构制造单元的研究主要解 决下列问题： ( 1 ) 可重构方案优化。制造单元的重构是一个多目标优化过程，优化目标包 括生产周期、制造成本、运输成本、产品质量及单元柔性等多种因素。一般来 说，单元重构不存在唯一的最优解，但一定存在多个次最优的重构方案。如何 从这些次最优解中选择一个用户最为适合的重构方案，也是可重构制造单元设 计的重要研究内容之一。 ( 2 ) 可重构制造单元的设备布局。设备布局对制造系统的生产率及物料传输 费用、传输时间及生产柔性都有着很大的影响。因此，如何选择一个合理的设 备布局，也是影响制造单元性能的一个重要因素。 本文主要研究的是可重构制造单元的设备布局方法。 1 1 2 2 可重构制造单元设备布局 设备布局类型可分为单行布局、多行布局和环型布局等3 种类型，其中单 行布局又分线型布局、u 型布局和环型布局等几种形式。如图1 1 所示， 图1 1 设备布局类型 f i g 1 - 1f a c i l i t yl a y o u tt y p e s 在单行布局中，加工设备按照零件的加工顺序依次排放：多行布局通常是 线形结构的。在多行布局中，不仅同一行中的加工设备发生相互作用，而且不 广东工业大学工学硕士学位论文 同行之间的加工设备通常也相互关联。多行布局适用于柔性制造系统。环形布 局同样也适用于柔性制造系统。在这种布局中，机床沿着半圆弧或椭圆排列并 且工件通常向同一个方向单向运动。环形布局的主要优点是给物料传输带来了 很大的柔性。 设备布局类型的选择主要受以下因素的影响：设备数量、厂房面积、零件 加工工艺的相似性、物料传输设备以及一些其它因素，如产品批量、用户要求 等。以下阐述物料传输设备和柔性要求对布局类型的选择所带来的影响【5 。】。 ( 1 ) 物料传输设备和设备布局 减少物料传输的费用和时间是设备布局的重要目标之一，因此，制造系统 中物料传输设备的类型( 如传送带、自动导向小车a g v 、机器人等) ，在设备布 局选择中起着重要的作用。物料传送设备的选择和设备布局设计在制造单元设 计中是两个相互关联的问题，但由于两者的组合复杂性，因此通常都是将它们 分开来，作为两个独立的问题来考虑；或者首先考虑其中一个，然后将结果作 为另一个问题的输入。 ( 2 ) 布局柔性设计 布局柔性是指机床布局在不改变其配置的情况下适应外界环境变化f 如产品 种类、批量变化等) 的能力。由于当产品需求变化时，一般需要重新组织生产线， 而这将引起生产中断或设备闲置，故设计一个具有足够柔性的机床布局是非常 重要的。然而，由于预计产品种类和生产批量的变化十分困难，所以设计一个 柔性机床布局非常复杂。因此到目前为止，关于柔性设备布局方面的研究和报 道并不是很多。 市场需求变化越激烈，对制造系统本身的可扩展、可重构的要求就越高。 因此，在现有制造系统构型的基础上，研究重构系统的新布局具有重要的理论与 实际意义。 1 2 制造单元布局问题及其发展现状 现代制造企业发展过程中，随着高科技车间的大规模兴建及原有的旧车间 的重新布局，如何对车间设备布局进行合理规划与优化成为亟待解决的问题。 为减少生产中与物料处理和运输相关的费用，以保持市场的竞争力，其中一个 解决方法就是设计一个有效的车间布局方案，而带来的一个好处是减少在制品 4 绪论 库存，用以论证长期投资的可行性。布局优化问题在过去的3 0 多年的时间罩， 已经有相当多的研究，而近年来由于先进的建模方法与计算机技术的发展，为 解决布局优化问题提供了新的方法和途径。 幽1 - 2 虚拟制造单兀场景 f i g 1 2v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gc e l le n v i r o n m e n t 1 2 1 国外研究现状 美国下一代布局协会( n e x tg e n e r a t i o nf a c t o r yl a y o u t ) 在其下一代布局研究 挑战中提出四类布局策略：分布式布局，模块化布局，可重构布局，敏捷布局。 其中可重构布局是在资源搬运方便，易于布置的前提下实现的。它是一个多阶 段的车间布局问题，在每个生产阶段中，求得物流费用和重构费用最少的车间 布局，它必须建立在仿真的基础上 4 1 。美国的伊利诺斯州立大学( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i s ) 对车间布局进行了研究，将车间的设备分为几个单元 ( d e p a r t w o r k s t a t i o n ) ，建立相关图( r e lc h a r t ) ( 它是一个根据相邻设备之间物流的 重要程度而分为几个等级的列表) ，按照理查德的s l p ( s y s t e m i cl a y o u tp l a n n i n g ) 方法来确定车间布局的步骤，利用启发式算法将所建立的关系表进行优化，最 终通过计算机程序自动得到一个合理的布局，并且能够给出相应的评价体系。 g e o g i a 理工大学研究了制造系统仿真建模方法，著基于q u e s t 和v i r t u a l n c ，应 用电子装配生产线。在欧洲，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企 业进行虚拟车间的研究工作。例如：由b a t h 大学进行的av i r t u a lw o r k s h o pf o r d e s i g n b ym a n u f a c t u r i n g 研究在日本，已经形成了以大阪大学为中心的研究开 发力量，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术的研究，并开发出了虚拟工 5 广东工业大学工学硕士学位论文 厂的构造环境v i r t l l a l w o r k s 。【8 j 对制造单元布局问题的研究从5 0 年代就己开始，1 9 5 7 年k o o p m a l l s 和 b e c k m a n 将生产系统内设备的安装费用和生产系统内物料的运输费用之和作为 目标函数，通过解析方法进行布局优化。自此以后，各国学者不断提出了各种 新模型和新解法，从近十年来的文献资料来看，这方面的研究大致上可以分为 以下三种类型 9 l ： f 1 ) 算法的研究，其模型与文献提出的基本布局模型类似，但其求解策略各 有不同，d i l i pc h h a j e d 等人利用次规划方法对模型进行求解；m m d h a s s a l l 等 利用图论方法对模型进行求解；s s h e r a g u 等学者则采用混合整数规划方法对模 型进行求解。 ( 2 ) 对基本布局模型进行扩展，这些模型都是根据实际生产情况，在基本模 型的基础上加入了一些限制条件，b m o n t r e u “等研究了动态布局优化问题( 在基 本模型的基础上同时考虑了时间问题；m j r o s e n b l a t t 讨论了随机布局优化问题 ( 在基本模型的基础上同时考虑了生产系统的不稳定因索) ；b m a l a k o 、，t i 等人讨 论了多目标布局优化问题( 目标函数有多个评价指标) 。 ( 3 ) 固定问题的布局优化，这些模型是根据特定问题而建立的，a l a g e v i n 等人讨论了流水线的布局问题；p a l l a g i o t i sk o u v e l i s 等人讨论了单元化生产系统 的布局设计问题。 1 2 2 国内研究现状 国内针对车间布局的研究已经展开，目前有上海交通大学，同济大学，华 中科技大学等，所做的研究工作也主要是集中在算法的研究上，从而对布局进 行优化，同济大学提出面向敏捷制造的车间布局形式，详述了新型模式的车间 布局，并且阐明基于新模式下的车间布局需要不断变化和调整，在其整个生命 周期中，在不清楚生产数据的情况下，利用模糊生产数据的方式进行车间布局， 并提出基于敏捷制造的分布式布局的思想。上海交通大学则把精益生产的哲理 应用于车间的平面布局之中。提出了生产线车间布局的数学模型和结构模型， 并根据设备的特点提出车间设备的分类方法，提出了基于设备分类的定序算法 和定位算法。 6 国内对虚拟现实技术的研究相对较晚，研究条件也不如国外，所以以虚拟 现实技术为基础对虚拟车间布局问题的研究成果也较少。我国研制开发了用于 车间调度层的仿真软件，如清华大学与航天部2 0 4 所等单位开发的工厂仿真调 度环境f a s e ，以及在此基础上开发的智能规则调度系统，及南丌大学研制的 j o b s h o p 调度仿真软件。上海交通大学计算机集成制造研究所，研究了汽车制造 企业装配车间过程模型的建立，基于离散事件仿真技术汽车制造企业装配车间 规划。香港大学f e l i xt s c h a n ，h k c h a n 以工作流的仿真为基础构建和设计新 的生产系统，使用过程模拟技术和专家系统来评价设计方案和物流管理。山东 大学提出一种基于虚拟制造技术的生产线诊断方法，研究了其诊断内容和设计流 程。【1 0 1 1 3 可视化仿真与虚拟现实技术在布局设计中的应用 1 3 1 仿真技术发展概况 计算机仿真是虚拟制造的主要实现手段，建模和仿真是贯穿虚拟制造的关 键技术。仿真通过对系统模型的实验去研究一个真实系统，此系统可以是现实 世界中已经存在的或已在设计中的系统。就其本质而言，它是对真实物理系统 工程在某一层次上的抽象，使得此模型既可以反映真实系统的本质特征，又易 于进行试验分析。与实际的物理系统相比，用户在这些抽象模型上可以更高效、 更节省、更灵活、更安全地进行设计。 计算机仿真是一门利用计算机软件模拟真实系统进行科学实验的技术。2 0 世纪8 0 年代后期，仿真在诸多方面都发生了十分重大的转变。仿真研究的对象 已由对连续系统转向离散事件系统。仿真已由重视实验转向重视建模与结果分 析，由强调并重视与人工智能相结合转向强调与图形技术和对象技术相结合， 使仿真的交互性大大增强。就应用领域方面而言，仿真己由航空航天转向制造 业，并从研究制造对象( 产品) 的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到 研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发 过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。制造的分布性使 得仿真与网络技术相结合，出现了分布式仿真。这些转变十分明显地说明，计 算机仿真已经进入一个崭新的发展阶段，它的重要性与特殊功能已越来越突出。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 可视化仿真技术 可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 仿真的实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的 跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化。仿真技术建立 在计算机控制理论和相似原理基础之上，其发展同计算机技术的发展密切相关。 随着计算机软、硬件技术的飞速发展，仿真技术经历了由数字仿真到可视化仿 真生等阶段，而可视化仿真是数字模拟与科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni n s c i e n t i f i cc o m p u t a t i o n ，v i s c ) 技术相结合的产物。 可视化是从计算机相关的学科中孕育与产生的技术领域。1 9 8 7 年1 月美国 科学基金会( n s f ) 组织有关专家召开的v i s c 讨论会定义：“可视化是一种计算方 法。它将信号转化成图形或图像，使研究者能观察它们的模拟与计算”。可视化 仿真中“可视化”的涵义由两方面组成f 1 2 】： ( 1 ) 将仿真计算( 科学计算) 的结果转换为图形或图像的形式； ( 2 ) 是仿真交互界面可视化，即图形用户界面( g u i ) 的设计。 在仿真技术中引入科学计算可视化和g u i 技术而形成的可视化仿真技术具 有多方面的重要意义。它可以大大加快数据和处理的速度，使庞大的数据得到 有效的利用；可以实现对计算过程的引导和控制，通过图形交互手段方便快速 地改变设计和计算的原始数据和条件，并通过三维图形或动画来显示和观察改 变原始数据对设计和研究对象基本特性的影响，达到对象优化设计的目的。 可视化仿真技术从2 0 世纪8 0 年代兴起，它使复杂的数据以人们易理解和 接受的图形图象的形式在高度的沉浸感的显示环境中展现出来的，使得人们对 数据有直观、准确的了解，并为人们提供了与数据进行交互的手段。可视化仿 真基于计算机图形学和图像处理技术，在其发展过程中经历的三个主要阶段包 括三维图形仿真，多媒体仿真，虚拟现实仿真。 其中虚拟现实仿真阶段是三维可视化仿真的高级阶段。虚拟现实技术不仅 仅是演示媒体，而且还是设计工具，它以视觉形式产生多维信息空间，为我们 创建和体验虚拟世界提供了有力的支持，并逼真地模拟人在自然环境中视、听、 触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，虚拟环境是通过计算机图形构成的三维数 字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主的三维可视化环境，将 人通过各种传感交互设备置于该环境中，可以与这一虚拟的环境进行相互交互 绪论 作用，达到彼此相互交叠，融为一体的境界。其中立体显示技术是虚拟现实仿 真阶段的重要部分。 1 3 3 虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t yv r ) 是采用计算机技术的一个逼真的、具有视、听、 触、嗅、味等多种感知的虚拟环境，置身于该环境中的人可以通过各种传感交 互设备与这一虚构的现实进行相互作用，达到彼此交替、融为一体的程度。虚 拟现实促进了仿真技术的发展。近年来信息技术的发展，特别是高性能海量并 行处理技术、可视化技术、分布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展， 使得建立人机一环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为 可能，仿真因此形成一些新的发展方向，如可视化仿真( s u a ls i m u l a t i o n ，v s ) 、 多媒体仿真( m u l t i m e d i as i m u l a t i o n ，m s ) 和虚拟现实仿真( v i s u a lr e a l i t y s i m u l a t i o n ，v r s ) 等等。这三种仿真呈递进关系【”j ：可视化仿真强调可视化的、 灵活的仿真分析环境；多媒体仿真除可视化以外强调多样化的多媒体集成，如 音像的合成效果等；虚拟现实仿真则强调投入感、沉浸感和多维信息的人机交 互性。 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化、操作以及实时交互的环 境。与传统的计算机人一机界面( 如键盘、鼠标器、图形用户界面以及流行的 w i n d o w s 等) 相比，虚拟现实无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。传统的人 一机界面将用户和计算机视为两个独立的实体，而将界面视为信息交换的媒介， 由用户把要求或指令输入计算机，计算机对信息或受控对象做出动作反馈。虚 拟现实则将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视 化，形成一个逼真的环境，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地使用各 种信息，并由此控制计算机。 虚拟现实是近几年来国内外科技界关注的热点之一，其发展也是日新月异。 世人曾经为虚拟现实的出现而震惊，而增强现实技术则具有更广阔的发展前景。 有了它人们可以穿越时空，可以看得更远。它或许将会引起人类生活方式的巨 大变革，人类社会也将因此进入一个高度数字化和自动化的时代。增强现实游 历于虚拟现实和真实之间。虽然，虚拟现实已经受到大众的关注，但我们生活 的社会毕竟是真实与虚拟相结合的社会，那才是完美的统一，增强现实最终会 o 证实其用途的广泛性。 1 3 4 在车间布局设计中的应用 1 9 8 3 年美国国家标准局n e l 发展并提出了“虚拟制造单元”的报告，以更大 的柔性完成分析、行程和时序安排、报告和监控等功能。通过仿真可以模拟实 际的动态生产运作来规划生产车间，进行多方案比较，易于发现潜在问题，从而 选择较好的设计方案。同时还可以通过仿真对系统参数进行优化，在仿真环境 下进行机械加工车间的动画仿真运行。车间布局是在柔性加工车间投产之前必 须考虑的一个步骤，优化的车间布局方案将提高生产率、降低生产成本。 图1 3 基于虚拟现实技术p c b 机台模拟规划 f i g 1 - 3p c bl i n el a y o u tb a s e do nv r 可视化仿真在制造系统中的应用，在加工制造方面：制造车间设计、布局、 设备选择、生产计划及作业调度制定各级控制器设计。在生产加工过程可视化 及检测中，工艺设计人员的作用是确定加工产品的顺序以及所用的设备。使用 虚拟现实技术作为工具，工艺设计人员可以获得非常直观的感觉是一般图纸和 三维图形所不能提供的。在虚拟的车间环境中，操作人员可以象操作实际机床 那样与虚拟设备进行交互，从而评价刀具与参数的配置，预测功率与进给需求， 并检查干涉情况。这样工程师不必占用设备时间，也不用冒损坏刀具的风险就 可以测试不同的工艺过程。在工厂设计和规划中，除了传统仿真可以有效地帮 1 0 助解决许多影响生产的关键问题，如生产能力、运行模式、换班方式、人力资 源优化、预防性维修方案、物料管理等，虚拟现实还可以提供现场的感受，这 为工厂设计的人机工程提供了良好的工具1 1 2 】。 图1 4 虚拟制造单元柔性制造过程方案 f i g 1 4f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gc e i l 图1 4 是a b br o b o t i c s 公司提出的柔性制造过程方案，由e o n 模拟机器操 作过程3 d 互动v r 展示工厂的生产实力，自动化机械手臂模拟，可运用这个模 拟来评估未来工厂的产能及规划，可有效降低成品。 利用计算机仿真技术与虚拟现实技术来辅助车间生产系统的设计，是当前 仿真领域研究的热点之一，目前国内外已经开发出一些比较成熟的软件可供使 用，几个主要的仿真软件包如下【15 】： ( 1 ) g c m s ( g e n e r a lc o m p u t e r i z e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 由p u r d u e 大学 开发的，是数据驱动的仿真软件，可以统计设备利用情况，任务完成情况，能 够用来评价详细设计方案。 ( 2 ) s i m a n c i n e m a 由美国s y s t e mm o d e l i n g 公司在x i m e n 的基础上开 发的，具有实时动画功能，可用来对详细设计方案进行仿真。 ( 3 ) 美国水牛城( b u f 琢l o ) 的纽约大学( u n i v e r s i t yo fn e wy o r k ) ，机械和航空宇 宙工程师( m e c h a n i c a la n da e r o s p a c ee n g i n e e r ) 基萨华达斯( t k e s a v a d a s ) 助理教 广东工业大学工学硕士学位论文 授，发展了一套虚拟工厂软件( v i n u a l - f a c t o r ys o f t w a r e ) ，名叫u bv r f a c t ，它能 模拟( s i m u l a t e ) 整座工厂的设计和生产操作系统，如图1 5 所示。 图1 - 5u bv r f a c t 模拟工厂的设计和生产操作系统 f i g 1 - 5d e s i g na n do p e r a t i o ns y s t e mo fu bv r f a c t ( 4 ) a u t o m o d a u t o g r a m 由美国a u t os i m u l a t i o n 公司研制，是面向制造 系统的仿真软件，具有友好的建模环境，允许用户以图形的方式容易地构造模 型，可通过菜单选择标准的制造或物料处理部件，如机器人、加工中心、传送 带、自动导引小车、存储系统等，软件自动将模型转化为g p s s h 模型，可以动 画显示仿真的执行过程，是用于车间详细设计阶段的理想工具。 ( 5 ) i m m s ( i n t e g r a t e dm u l t i v i e wm o d e l i n ga l l ds i m u l a t i o n ) 是由清华大学开 发的，是可用于车间的初步设计方案的评估软件。i m s s ( i n t e g r a t e dm a i l u f a c t u r i n g s i m u l a t i o ns y s t e m ) 以清华大学为首开发的一体化仿真软件，可以为车间的设计 提供有力的帮助 17 1 。 1 4 课题来源 本论文课题来源于广东省科技攻关项目“面向可视化虚拟车间的数控机床虚 拟操作与加工系统的研究与开发”( 2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 3 2 ) 和广东省自然基金团队项 目“实现数码工厂的重大基础关键技术研究”( 2 0 0 3 0 5 1 ) 。 1 2 1 5 本课题研究的主要内容及框架 1 5 1 论文研究的主要内容 本文根据制造单元的可重构性，研究了制造单元的布局方法及优化算法，以 虚拟现实及可视化为工具，建立虚拟车间的重构系统，在系统中创建遗传算法 优化模块来实现制造单元的优化计算，从而得到制造单元的优化布局。系统将 二维数据转换为三维数据，实现系统的三维立体显示，最后对制造单元进行生 产过程的运行仿真用以验证布局优化的合理性。本文应用虚拟现实技术，基于 m u l t 噜e n p a r a d i g m 公司的v e g a 虚拟现实平台，开发了虚拟工厂布局系统，并通 过e o nr e a l i t y 公司的e o ni c a t c h e r 系统实现立体可视化仿真，最终呈现给 设计者的是一个沉浸式的虚拟车间布局方案。 1 5 2 论文框架 本论文的第一章绪论对研究的意义、技术和背景以及研究内容等作简单的介绍。 第二章介绍系统的总体框架。 第三章基于双目视差原理实现e o ni c a t c h e r 系统的立体显示 第四章采用遗传算法作为车间生产单元的优化布局算法，实现可视化布局 第五章介绍车间制造单元的生产过程的运行仿真。 最后论文作了全文总结和展望未来进一步的研究方向。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章制造单元三维可视化重构与仿真系统总体框架 2 1 虚拟制造单元构建思想 虚拟现实技术是虚拟制造系统( v i r t u a lm a i l u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的基础和灵 魂，虚拟制造系统是由多学科知识形成的综合系统，虚拟制造单元由虚拟信息 系统( v j r t u a l i n f o 珊a t i o ns y s t e m ) 和虚拟物理系统( v i r t u a lp h y s i c a is y s t e m ) 组成。虚 拟信息系统主要是用来模拟处理设计、管理、计划调度等制造活动中的信息； 而虚拟物理系统是计算机对实际的加工车间、包括机床、材料、工人等进行建 模，并在此模型的基础上进行仿真实际制造系统的制造过程。虚拟物理制造系 统中的信息和实际的制造系统相致，它是虚拟制造系统的关键【l 1 9 】。 f | i ：厂橇陛产过萨蔼模 蠹，”陲横型融叠j ： i 虚攒黪理系统j 芦 z “一“； lf 、 阿一虚纂銎实i p 机j 一丁衙 l 管理系统活工程设计活隆 动模型 动模型 虚拟信息系统 图2 1 虚拟制造单元的系统构成 f 培2 - 1t h es t r u c t u r eo fv rm a i l u f a c t u r i n gc e l l 虚拟制造单元中仿真技术的应用可分为两个层次【2 0 屯”，即一般仿真层和虚 拟现实层。其