VR沉浸式装配仿真系统-赋能高端制造业

随着制造业降本增效行动的推行和行业竞争的加剧，传统的工艺设计手段已不能满足需求，各个龙头企业都在开始探索新的设计手段。虚拟现实(VR)技术为制造业带来了巨大的可能性。它使工程师能够以真实世界的比例完整体验他们的设计。通过在VR中模拟制造过程,可以发现并解决许多问题,从而避免在实际生产中投入大量资源后才发现问题。

图1  效果图

传统的工艺设计手段面临的挑战与需求分析

数字样机评审

面临挑战：传统CAD软件打开大模型转动模型非常卡顿。大飞机的设计都是分舱段设计，评审也是分舱段评审。无法基于整机进行评审

需求分析：能够打开整机模型并可以流畅运行；具备和CAD模型相同的精度；具备评审功能，实现对模型测量间距，通过剖切查看内部结构，对有疑问的结构能够标注、能够截图，最后可以导出报告。

人机工程仿真/虚拟装配

面临挑战：飞机上存在许多空间狭小的地方，例如驾驶室、襟翼等，这些空间狭小的位置对于零件在安装路径是否存在干涉；工作操作空间，工人视野是否存在遮挡都是不确定因素，这些部位的验证基本是根据在实际安装或工人反馈形式进行。

需求分析：可以基于设计数据，提前验证零件装配路径上是否存在干涉；狭小空间工人工人是否有足够的空间安装作业；需要多人协同完成安装的是否有足够的空间。

柔性线缆仿真

面临挑战：线缆的数据是由上游单位下发，线束的长度，线束的弯曲的半径在设计数据中已经定义，但是在线束实际安装过程中，会出现线束过硬无法达到设计数据中的弯曲半径；线束设计的长度不够，导致安装到最后发现线束短一截，或者预留线束过长造成浪费。运动件中的线束是否会在运动过程中受拉扯、弯曲、扭转导致线缆受损。

需求分析：可以基于设计数据在实际安装布线之前提前进行验证；能预估线束长度；能够分析运动结构中线束受拉应力、弯曲应力、扭转应力的变化。

和远科技《沉浸式VR装配仿真系统》解决方案

工程师能够以沉浸式的方式对CAD模型进行评审和验证。通过戴上VR头显和使用手柄或其他交互设备，团队成员可以在虚拟空间中进行剖切、测量、标注等评审交互。

图2  系统架构

工程师还可以在虚拟环境中模拟装配过程，验证各个组件之间的配合和装配顺序的可行性。通过实时的虚拟样机评审，团队成员可以发现潜在的装配问题，并提供改进意见。

虚拟现实技术还可以提供人体可视性验证和可达性验证。团队成员可以以第一视角观察虚拟样机，并检查设计中的人体可视性和可达性。他们可以模拟不同身高、体型或姿势的使用者，评估设计的人机工程学方面是否符合要求。这可以帮助确定设计中存在的潜在问题，并进行必要的调整和改善。

舒适度验证也是虚拟样机评审的重要方面之一。团队成员可以通过虚拟现实环境中的身临其境感受，评估设计的舒适度和人体工程学特征。他们可以模拟不同的使用场景和工作环境，检查设计对工人的舒适度和工作效率是否有所影响。这有助于改进产品的人体工程学设计，提高工人工作效率。

柔性线缆仿真验证也可以与虚拟样机评审结合。通过在虚拟环境中进行柔性线缆的物理仿真，团队成员可以模拟线缆的弯曲、扭转和应力分布情况。这有助于评估线缆的可靠性、耐久性和性能，并优化设计参数以满足特定需求。

沉浸式VR装配仿真系统应用场景介绍

虚拟样机评审

传统的数字样机评审受限于显示形式和软件计算性能，很难基于大模型进行沉浸式的评审。虚拟样机评审手段可以满足工程师在VR沉浸式环境下基于大模型进行样机评审工作。

图3  打开大模型

既支持多人在同一个VR环境中协同评审，又可以单人在工位上进行评审。同时能导出评审报告到本地。

图4  协同评审

图5  Techviz评审报告

工程师在进行结构评审时，能够在沉浸式的环境中，以模型为中心进行评审。评审过程中可以使用漫游功能查看模型，对于有疑义的位置可以创建三维涂鸦、标注等注释，并创建视点用于记录方便下次评审快速定位，或直接VR环境中拍照导出；进行内部结构评审时，可以使用剖切、隐藏功能查看模型内部结构，使用测量功能直接在VR环境中测量点、线、面之间的距离。

图6  漫游

图7  创建视点

图8  剖切

图9  测量

图10  显示隐藏

图11  拍照

图12  标注

图13  三维涂鸦

虚拟装配仿真

工艺部门在接到设计模型时，模型是装配好的，此时模型通常不存在干涉，但是在拆卸和安装的路径上是否和周围零件发生碰撞需要工程师验证。

传统虚拟装配在PC端通过鼠标键盘进行验证，装配路径需要工程师主观定义，通过软件仿真计算发现问题再修改装配路径然后再进行仿真计算。操作过程复杂且耗时长，尤其对于局部结构装配验证效率低下。

通过在VR环境下进行虚拟装配仿真，可以通过伴实物绑定模型或通过交互手柄抓取模型的方式，直接驱动模型进行装配仿真验证，能够以各种装配角度快速高效验证装配路径是否和周边件发生碰撞，同时通过第一视野的操作可以验证工人的可视性。

通过物理引擎计算，在驱动模型进行虚拟装配验收的同时，物理引擎实时计算，当模型发生碰撞时软件以箭头的形式实时显示发生碰撞的位置，并且能真实反应装配场景，发生干涉的模型不可穿透；通过创建多个零件之间的装配可以验证工序。

图14  手柄直接抓取模型进行虚拟装配

图15  物理引擎碰撞检测

图16  半实物进行虚拟

人机工效评审

人机工效评审包括：可视性、可达性、舒适度、工时分析。现在主流的人机工效分析软件包括Jack和Delmia。对于可视性、可达性、舒适度的验证，一部分通过在软件中用鼠标键盘的形式调虚拟人动作姿态进行分析，这种分析方式耗时长且受主观因素影响；另一种通过现场工人的反馈进行优化，这种方式一般在生产或试制阶段，在设计阶段很难实现，发现问题修改优化的成本较高；对于工时的分析，通常是将工人的操作动作拆分的非常细，例如分析工人装配一个零件，分为工人到达零件的时间、工人拿去零件的时间，工人拿零件移动的时间，工人安装零件的时间、工人紧固的时间等，最终计算得出一个完整时间，操作同样复杂。

通过在VR环境中，穿戴全身动捕设备，佩戴VR头显设备，工程师能够以第一视角驱动虚拟人进行实时的装配仿真验证。通过这种实时驱动虚拟人身临其境的第一视角的验证能够直观看见在实际装配过程中可视性以及可达性的验证，同时因为是工程师自己亲身感受，对装配过程中姿态是否舒适，会有真实的感受。

通过动捕软件能够记录人机运动的动作数据，通过人机插件可以将记录的动作数据导入Delmia或Jack人机分析软件中进行舒适度分析。同时人机插件能记录整个装配操作过程的时间，并导出作为工时分析的数据使用

图17 导入动作数据

图18  人机分析报告

多人协同装配

在产线上安装体积较大或重量较大的零件时，只有一个工人操作难以完成，此时需要两人或两个以上人共同完成。对于多人协同安装可视性、可达性的验证传统的人机分析软件很难完成。在VR环境中通过每个工程师穿戴动捕设备，驱动各自虚拟人，以第一视角在同一场景中协同。

图19  多人协同

通过标记点绑定实物，实现虚实联动，工程师通过共同搬运实物驱动虚拟模型，每个工程师，可以以自己的视角观察安装过程的可视性，通过驱动虚拟人进行可达性的验证。

图20  协同搬运模型

柔性线缆仿真

线缆在拉伸变形过程中,应力分布不均匀,部分位置会出现局部应力集中，甚至出现拉断或折弯的情况。需要在设计时考虑线缆在实际运行条件下承受的综合拉伸、回缩等动态载荷影响。通过优化线缆与结构件的连接方式、预估线长，减小运行动作对线缆的影响。

导线、线束属性设置：通过设置导线线径、杨氏模量、泊松比、密度参数创建导线；创建包覆层、屏蔽层、导线数量参数创建线束。

图21 创建线束属性

创建运动：在IPS中可以创建简单的运动机构定义，对于复杂的机构运动可以将CATIA的机构运动数据到导入IPS驱动IPS中模型运动。并能将柔性线缆于运动机构关联，实现运动机构带动柔性线缆运动。

创建仿真分析：IPS能创建线缆公差分析、线缆运动包络体、线缆受重力方向、线缆应力分析、线缆折弯半径、线缆干涉/间隙测量、线缆伸长率分析。

图22  公差分析

图23  运动包络

图24  应力分析

图25  弯曲半径

图26  间隙测量

图27  干涉检查

导出报告：IPS可以将上述分析结果导出报告到本地

图28  导出报告

探索创新， 精进设计

借助VR虚拟现实技术与传统CAD软件结合的方式，实现在沉浸式环境中对CAD模型进行多人协同虚拟样机评审，并进行装配可行性验证、人体可视性验证、可达性验证、舒适度验证和柔性线缆仿真验证。这种综合应用可以提高设计评审的效率和准确性，减少开发周期，优化产品设计，并促进团队协作和决策过程。

部分图片来自网络，侵权删！

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