節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)虛擬仿真

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摘要：以新型節(jié)能環(huán)保建筑材料為研究對象，對其工業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)節(jié)開展流程工序構(gòu)建，基于虛擬現(xiàn)實技術對其進行虛擬仿真設計，從而把生產(chǎn)研發(fā)提高到新水平，對指導企業(yè)產(chǎn)品設計生產(chǎn)和信息化管理具有重要意義。

關鍵詞：建筑材料；工業(yè)生產(chǎn)；虛擬仿真

1引言

目前，為了提高產(chǎn)品從概念化設計到實際生產(chǎn)的效率，企業(yè)開始將目光轉(zhuǎn)向制造領域的新興技術。其中一種技術是虛擬仿真技術，它是仿真技術與虛擬現(xiàn)實（VR）技術相結(jié)合的高度逼真的人機交互技術。虛擬現(xiàn)實利用計算機模擬產(chǎn)生一個允許用戶通過電腦屏幕進入的三維空間虛擬世界，用戶可以像在真實世界中一樣觀看、移動并且與這個世界進行互動。虛擬現(xiàn)實背后是衍生性實體，一種與原始物體平行的鏡像，它著重于在計算機圖形學中表現(xiàn)現(xiàn)實世界，以一種不同于以往的方式表達思想并獲取信息和知識的新媒體。隨著計算機技術的發(fā)展，企業(yè)在進行產(chǎn)品設計和制造的過程中，虛擬仿真是一項不可或缺的工具，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以有效地做出貢獻［1］。新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實技術在建筑業(yè)中的應用之一，它在減少原材料損失、節(jié)約制造經(jīng)費、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、加強環(huán)境保護等方面發(fā)揮了巨大作用。

2虛擬仿真特性

國家工業(yè)化的繁榮離不開產(chǎn)品制造企業(yè)的貢獻，隨著時代的進步和科技水平的發(fā)展，企業(yè)競爭加劇，滿足客戶的需求變得越來越困難。近年來，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展［2］推動了虛擬仿真在不同工程領域的應用，如勘察、設計［3］、建模、施工、運營、管理、車間控制、過程仿真、制造計劃、培訓、測試和驗證等，為相關工程應用提供了條件。虛擬現(xiàn)實不僅為人們提供了一個可視化的三維環(huán)境，而且還可以與虛擬環(huán)境的對象進行交互，從定性和定量的角度改進決策［4］。虛擬現(xiàn)實技術在應用中展現(xiàn)的巨大潛力，可以幫助企業(yè)在實際生產(chǎn)中解決問題，從而避免因某些失誤或錯誤而付出高昂的代價。雖然很難對所有虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行分類，但大多數(shù)配置可分為三大類，每一類都可以根據(jù)沉浸感或其提供的存在程度進行排名。這些類別包括非沉浸式系統(tǒng)、半沉浸式投影系統(tǒng)和完全沉浸式系統(tǒng)。然而，由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)商業(yè)化版本的出現(xiàn)，形勢發(fā)生了變化，半沉浸式虛擬現(xiàn)實的水平實際上已經(jīng)喪失。因此，虛擬現(xiàn)實的新劃分只能分為兩類：非沉浸式虛擬現(xiàn)實和完全沉浸式虛擬現(xiàn)實。

3虛擬仿真設計

3.1產(chǎn)品設計研發(fā)階段

設計研發(fā)是新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的前提條件，其核心創(chuàng)意的優(yōu)劣將直接影響企業(yè)客戶的選擇，應放在虛擬仿真設計的優(yōu)先地位。設計研發(fā)團隊在綜合產(chǎn)品功能定位、使用場景、產(chǎn)品形態(tài)、質(zhì)量要求、生產(chǎn)工藝、成本效益等的基礎上，利用虛擬現(xiàn)實仿真技術進行方便快捷的數(shù)字化模型實驗，提出具有創(chuàng)新實用性的設計研發(fā)方案，使新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品在設計研發(fā)階段即能表現(xiàn)出強大的綜合競爭力。在新型節(jié)能環(huán)保建筑材料新產(chǎn)品的概念設計階段，虛擬仿真為設計研發(fā)者提供了一個虛擬環(huán)境，產(chǎn)品設計研發(fā)者可以在虛擬環(huán)境中生成產(chǎn)品的三維草圖。在這一階段，設計研發(fā)者可以進行原料制備、澆筑、切割、養(yǎng)護等產(chǎn)品功能性試驗，以評估概念設計的可行性，并可根據(jù)需要進行修改。其中，設計研發(fā)的產(chǎn)品原型應該可以被清楚地定義和真實地模擬，以解決產(chǎn)品動態(tài)性和功能性。除此之外，虛擬場景的人機交互可以在離線的計算機上進行實時仿真。

3.2生產(chǎn)階段

3.2.1生產(chǎn)線布局虛擬仿真建立一個基于虛擬仿真技術的生產(chǎn)線布局虛擬仿真平臺，在實時可視化環(huán)境中進行直觀的操作。按照新型節(jié)能環(huán)保建筑材料生產(chǎn)廠房的實際空間情況，合理進行生產(chǎn)線布局。生產(chǎn)線布局的好壞將直接影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，基于虛擬仿真強大的交互性，企業(yè)生產(chǎn)線管理人員的經(jīng)驗可以在布局設計開始時就加以結(jié)構(gòu)整合，有效提高生產(chǎn)線的優(yōu)越性。根據(jù)新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品生產(chǎn)線的工序順序，安排相關生產(chǎn)設備的布設順序，并進行總體規(guī)劃、詳細布置和施工安裝，在直觀的用戶界面下，設計者可以實時操作設備模型和生產(chǎn)線布局場景。針對現(xiàn)有車間改造及未來新工廠建設，基于企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略進行前瞻性的工廠生產(chǎn)線三維虛擬仿真驗證。

3.2.2生產(chǎn)工藝虛擬仿真按照產(chǎn)品的生產(chǎn)加工工藝，在三維虛擬環(huán)境下重現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程。在建模和虛擬仿真的基礎上研究影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時間和成本等因素，縮短工藝設計周期。工藝仿真主要解決產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中的碰撞、干涉、運動路徑、人員操作等問題。通過對生產(chǎn)工藝流程的虛擬仿真，進行產(chǎn)品裝配和拆卸驗證，預測裝配質(zhì)量、產(chǎn)品周期和成本，及時發(fā)現(xiàn)裝配過程中存在的干涉、碰撞等問題，減少無效的零件移動、無效的人員運作，提升裝配工藝過程的可操作性和效率。虛擬仿真允許工程師在零件和生產(chǎn)工藝上根據(jù)需要隨時調(diào)整，實際上會使企業(yè)更有效率。工程師之間的溝通越好，他們就能創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。無論新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品制造過程變得多么自動化和虛擬化，建筑材料最終都是由人類制造的。

3.2.3生產(chǎn)設備虛擬仿真生產(chǎn)線設備種類多、數(shù)量大，虛擬仿真顯示了在未來提高設備使用效率、改善設備產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設備交易期和降低設備成本方面的巨大前景。首先，對設備產(chǎn)品原型進行拆卸，以此確定設備組成所需的零部件清單及數(shù)量。其次，構(gòu)建設備產(chǎn)品裝配流程圖，確定設備產(chǎn)品裝配的不同階段和不同裝配過程的順序。最后，根據(jù)設備產(chǎn)品裝配操作相對時間的優(yōu)先關系，將不同階段和不同過程的操作聚合在一起執(zhí)行。

3.2.4生產(chǎn)培訓虛擬仿真使用先進的虛擬現(xiàn)實技術，新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品的可視化設計研發(fā)、生產(chǎn)制造過程，直觀動態(tài)展現(xiàn)在培訓者和被培訓者面前。工人通過計算機上的沉浸式三維虛擬仿真環(huán)境，熟練掌握產(chǎn)品工藝生產(chǎn)技術和流程，培訓在真實的模擬設備中進行，包括車間的動作、場景和聲音。經(jīng)過虛擬仿真培訓，參與培訓人員對生產(chǎn)設備的誤操作率就會降低，進而提高了設備利用率和安全生產(chǎn)系數(shù)，延長工廠設備的實際投產(chǎn)時間，這對新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品生產(chǎn)培訓至關重要。虛擬現(xiàn)實培訓將使工人準備得更好、效率更高，從而提高生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)率，基于虛擬現(xiàn)實的培訓是十分先進的向員工傳授新型節(jié)能環(huán)保建筑材料產(chǎn)品制造技術和工藝的方法。

4結(jié)語

虛擬現(xiàn)實仿真是制造業(yè)企業(yè)測試和評估新產(chǎn)品和新設計的高效工具，計算機視覺、機器學習、可穿戴設備和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的新進展使虛擬現(xiàn)實助力傳統(tǒng)產(chǎn)品實現(xiàn)和制造的智能創(chuàng)新發(fā)展。新型節(jié)能環(huán)保建筑材料工業(yè)生產(chǎn)的虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實技術在建筑業(yè)中的應用之一，它能夠降低企業(yè)設計和生產(chǎn)成本，確保產(chǎn)品質(zhì)量，并縮短從產(chǎn)品概念到生產(chǎn)所需的時間，提高了企業(yè)的盈利能力。虛擬現(xiàn)實技術被應用于解決企業(yè)生產(chǎn)制造的現(xiàn)實問題，產(chǎn)品設計、制造、生產(chǎn)流程可以在實際實施之前定義、建模和驗證，同時有效保障了工人操作設備的安全性。此外，虛擬現(xiàn)實為企業(yè)提供了一種新的方法，不僅可以可視化生產(chǎn)過程，還可以與虛擬環(huán)境交互，有效地解決實際生產(chǎn)問題。

參考文獻

［2］洪炳熔，蔡則速，唐好選編著.虛擬現(xiàn)實及其應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［3］彭亞捷.道路邊坡穩(wěn)定性分析及治理設計［J］.江西建材，2018（10）：90-92.

［4］嚴雋琪等著.虛擬制造的理論、技術基礎與實踐［M］.上海：上海交通大學出版社，2003.

作者：葛泉 李佳明 周榮席 單位：中國石油大學勝利學院