制造业数字化转型之次时代虚拟仿真

导读:
虚拟现实技术在工业制造业应用场景成长快速,并在多个不同应用场景全面开花结果,未来三到五年将迎来快速发展期。许多国内外领先的工业企业,坚持将虚拟现实工具作为创新手段,坚持不懈地进行长期探索和应用,建立起具有先进水平的虚拟现实工业应用实验室。
北京朗迪锋科技有限公司自主研发的MakeReal3D虚拟现实仿真工具软件,也正被越来越多的用户工程师所使用,不断在产品全生命周期的工作场景中进行实践和落地。

虚拟现实技术这些年在工业领域得到越来越多的应用,许多国内外领先的工业企业,坚持将虚拟现实工具作为创新手段,坚持不懈地进行长期探索和应用,建立起具有先进水平的虚拟现实工业应用实验室。而北京朗迪锋科技有限公司自主研发的MakeReal3D虚拟现实仿真工具软件,也正被越来越多的用户工程师所使用,不断在产品全生命周期的工作场景中进行实践和落地。

虚拟现实技术在工业产品设计研发中通常有如下应用:

1、设计方案评审

过去工程师们在进行设计方案评审时,只能用三维模型简单渲染后通过平面显示器进行查看和评审,参评者不能准确地观察到造型设计的效果,如果需要更真实的效果,都需要做大量的手工处理。而使用虚拟现实仿真软件平台,不但可以兼容主流CAD三维模型和造型三维模型,实现轻量化快速导入,而且能方便、逼真地呈现设计方案造型、布局、结构,以及在各类场景和工况下的效果、运行状态等等。通过VR头盔,工业设计师和其他部门人员可以360度视角查看与实物样机1:1比例的虚拟样机, 在概念设计阶段就可以快速查看、理解、评审设计效果,在主、客观上都能对整体造型方案进行更直观更准确的判断,从而能够更加精准地设计出符合市场期望的产品。

柳工集团平地机虚拟样机

2、人机工程

        过去工程师们使用工程软件内嵌的人体模型进行人机工程分析,调整人体姿态动作耗时较长,分析连续动作时也在存在难点,如进出车门、在驾驶室内操作等等,都缺乏适合的分析评价工具。虚拟现实实验室建立后,依托朗迪锋公司的人机工效分析套件——Soergo,并结合动作捕捉系统,操作人员能够以自己的实际操作驱动具有中国标准人体数据的虚拟人进行作业,并可以通过定义部件的运动范围,提升分析结果的严谨性和准确性。此外,工程师们还可以结合或简单或复杂的驾驶平台,通过与虚拟样机场景进行校准,用于分析诸如中控台、方向盘、仪表盘、操控杆等等产品中人机操作关键部件的可见性、可达性,减少了产品改进验证的成本、提高效率和安全性,甚至可以进行空间、色彩等等人体感知评价。

人机工效分析

3、虚拟装配

通过MakeReal3D工具软件中内置的高精度工业物理引擎进行产品中刚性部件和和柔性线缆的仿真,解决了以往没有合适的手段进行装配验证的难题,提升了虚拟装配工作的有效性。在虚拟现实装配中,当操作人员做油滤拆装时,需要分别拆除左右两侧的螺栓后,才能将更换油滤。同时移动螺栓时,螺栓也将无法穿透其他零部件,只能在空间内进行移动或旋转,真实反映了实际的装配路径及条件。同时液压管路也较精确地具备了柔性体的属性,以区别于刚体。

汽车发动机虚拟拆装

4、协同设计

许多面向全球的先进制造企业,其研发机构通常分布在国内、外的不同国家和地区,产品研发过程需要总体、结构、造型、液压、电器、人机、装配生产等不同专业团队、不同地域团队共同推进,过去大家只能通过PPT、邮件、即时聊天工具、网络会议等进行沟通,各方对设计方案的理解容易出现不同的认识。建立虚拟现实实验室后,融合先进的云渲染和网络技术,各方可以通过虚拟现实可视化方式进行协同设计与交流,使公司各团队的研发人员共处同一虚拟场景,进行无距离障碍的沟通,进一步提高协作效率和效果。

多人协同评审
经过这些年来的探索,虚拟现实仿真技术在产品设计研发工作的运用愈加深入,如在产品可维修性的分析、有限元数据可视化、智能产品AI算法训练和测试、制作交互式产品使用手册等等,各领先企业已纷纷投入运用。

1、运用专业的虚拟现实仿真软件对产品进行可维修性分析,能够较完美地解决过去可维修性分析经验不足、数据缺乏、手段不全等问题,在产品设计阶段,就能很好地考虑产品的维修性影响因素,减少了产品设计后期甚至投入市场后才发现维修性缺陷,也直接节约了研发经费和维护费用。

运用专业的虚拟现实仿真软件对产品进行可维修性分析

2、运用有限元数据后处理软件对有限元分析的结果进行处理,并以虚拟现实软件工具在虚拟现实环境中呈现。融合了产品三维模型和有限元后处理数据的虚拟现实场景,以直观形象的方式帮助各部门、各层级的人员更准确的理解数据,快速、准确地识别设计问题和风险并做出设计决策。

有限元数据后处理可视化

3、在智能装备日新月异的今天,承载了人工智能的工业产品已纷纷面世,如无人机、无人驾驶汽车、工程用车、机器人等等。过去为了训练智能产品,需要建立或寻找各种场景和工况,让智能产品在这些场景中,进行长期的训练以不断迭代其算法。而用虚拟现实手段,不但可以低投入地建立智能设备的虚拟现实训练工况,更可以24小时不间断地进行训练,并不会有训练场地的损耗和安全隐患问题。另外,在智能产品安全测试方面,虚拟现实场景更是可以毫无压力地呈现各种危险工况,使智能产品获得更加全面的测试。 

运用虚拟现实场景对无人驾驶汽车进行算法训练

4、许多复杂的工业产品,随产品交付给用户的都是传统的纸质、PDF电子使用手册或二维视频,导致用户对产品使用掌握慢、培训时间长。而如果运用虚拟现实交互式产品使用手册向用户介绍产品的使用方式、流程和步骤,能够准确地将操作人员所需的产品说明、操作步骤、注意事项等等特定信息,如培训师亲临现场的方式传授给操作人员,使客户的使用成本更低,体验更佳。同理,产品维修人员使用虚拟现实交互式维修手册,进行岗前培训或在岗查阅,也能大大提高其工作效率和效果。 

虚拟现实交互式维修手册

除了上述研发手段的升级,这两年虚拟现实技术广泛融合虚拟现实仿真技术、云计算、物联网、5G等等新技术,在工业制造业的产品全生命周期中的应用愈发普及。如在产品制造、市场营销、使用、售后维修维护等重要环节,都推动企业制造和经营管理水平的全面提升,建立诸如数字工厂可视化、制造人机分析、交互式生产工艺手册、虚拟产品配置选型、产品营销云平台、远程维修辅助系统等等,实现新技术在产品全生命周期的落地。 

数字孪生
远程维修辅助系统
特斯拉工程数据及产品营销展示
相信经过工业用户和所有虚拟现实同业者的共同努力,将出现越来越多自主研发并代表国际先进水平的虚拟现实软硬件产品,而虚拟现实技术、云技术、人工智能、工业互联网、5G网络等等新技术将互相融合,在更多工业场景不断落地。展望未来,越来越多的工业虚拟现实实验室将成为工业企业数字化的重要组成部分,最终将助力中国高端制造工业的不断发展和升级。
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