基于VR 的酸洗冷連軋生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫友昭，楊 荃，王曉晨，李林達(dá)，常 程

（北京科技大學(xué) 工程技術(shù)研究院，北京 100083）

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)大學(xué)生工程素質(zhì)與創(chuàng)新精神的重要實(shí)踐教學(xué)過(guò)程[1]。酸洗冷連軋生產(chǎn)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中的重要環(huán)節(jié)，是鋼鐵生產(chǎn)相關(guān)專業(yè)學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)的重要組成部分，但是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)習(xí)過(guò)程中，由于生產(chǎn)線設(shè)備布置緊湊、生產(chǎn)節(jié)奏快、潛在安全隱患多等因素，學(xué)生缺少近距離觀察、學(xué)習(xí)與實(shí)踐的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致酸洗冷連軋生產(chǎn)實(shí)習(xí)的效率和質(zhì)量受到很大影響。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)越來(lái)越成熟。采用VR 技術(shù)可以高精度模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與生產(chǎn)線設(shè)備，再現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程，VR 硬件可以提供良好的交互體驗(yàn)，VR 技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)中遇到的問(wèn)題，已在汽車、船舶、機(jī)械等專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中有成功應(yīng)用[2-4]。

本文結(jié)合酸洗冷連軋生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)要求，根據(jù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于VR 技術(shù)的酸洗冷連軋生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3DS Max 軟件對(duì)酸洗冷連軋生產(chǎn)線設(shè)備、車間建筑建立三維模型，再在Unity3D 中編寫C#腳本模擬酸洗冷連軋動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程，并開(kāi)發(fā)3D 漫游、工藝功能介紹、設(shè)備透視與交互3D 爆炸圖等學(xué)習(xí)功能。該系統(tǒng)使用時(shí)，學(xué)生通過(guò)VR 硬件可以單獨(dú)、多次進(jìn)行實(shí)習(xí)，通過(guò)與傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)相結(jié)合，可有效提升實(shí)習(xí)效率和效果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 框架設(shè)計(jì)

酸洗冷連軋?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)以實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容和鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為依據(jù)，能夠引導(dǎo)學(xué)生自主完成生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，主要包含生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)三維虛擬場(chǎng)景與生產(chǎn)實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)框架如圖1 所示。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)三維虛擬場(chǎng)景中，以鋼鐵企業(yè)酸洗冷連軋生產(chǎn)車間為原型，通過(guò)建筑與設(shè)備的三維建模、燈光布置等再現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)功能中，根據(jù)酸洗冷連軋生產(chǎn)工藝與流程，模擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)情景，并開(kāi)發(fā)3D 漫游、工藝功能介紹、設(shè)備透視與3D 爆炸圖等交互學(xué)習(xí)功能。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 開(kāi)發(fā)流程

根據(jù)酸洗冷連軋?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)流程包含資源制作、生產(chǎn)場(chǎng)景搭建、生產(chǎn)過(guò)程模擬與交互學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)。

（1）資源制作。資源是后續(xù)開(kāi)發(fā)流程的基礎(chǔ)，主要包含場(chǎng)景三維模型與界面素材。根據(jù)生產(chǎn)車間建筑與產(chǎn)線設(shè)備二維CAD 圖紙，使用3DS Max 建立三維模型，并使用Photoshop 參考生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片或視頻制作三維模型的外觀材質(zhì)。界面素材根據(jù)系統(tǒng)界面的整體風(fēng)格，使用Photoshop 進(jìn)行制作。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所需資源[5]如圖2 所示。

圖2 生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)資源制作內(nèi)容

（2）生產(chǎn)場(chǎng)景搭建。根據(jù)鋼鐵企業(yè)酸洗冷連軋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使用制作的三維模型資源，在Unity3D 中搭建生產(chǎn)車間三維虛擬場(chǎng)景，并依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的光線情況，布置虛擬光源。為了提高逼真度，在場(chǎng)景中添加指示標(biāo)示、警告牌、綠色通道等裝飾資源。

（3）生產(chǎn)過(guò)程模擬。依據(jù)酸洗冷連軋生產(chǎn)原理與工藝流程，在Unity3D 中模擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程，包含設(shè)備與軋件的動(dòng)態(tài)變化。設(shè)備的變化主要是生產(chǎn)中的執(zhí)行動(dòng)作，設(shè)備依據(jù)生產(chǎn)連鎖條件觸發(fā)不同的動(dòng)作。軋件是生產(chǎn)的加工對(duì)象，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中包含傳輸運(yùn)動(dòng)、幾何尺寸變化、表面狀態(tài)變化等。

（4）交互學(xué)習(xí)功能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，在Unity3D 中開(kāi)發(fā)交互學(xué)習(xí)功能，用于引導(dǎo)學(xué)生自主完成實(shí)習(xí)內(nèi)容，包含3D 漫游、工藝功能介紹（文字與語(yǔ)音）、設(shè)備透視與3D 爆炸圖。

2 系統(tǒng)內(nèi)容建設(shè)

酸洗冷連軋?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包含三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景搭建、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程模擬與生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)功能制作。

2.1 三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景

在三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景搭建中，首先使用3DS Max制作三維模型資源與外觀材質(zhì)，然后在Unity3D 中搭建整體生產(chǎn)場(chǎng)景。

1）模型與材質(zhì)的制作。

根據(jù)生產(chǎn)車間建筑與產(chǎn)線設(shè)備的二維CAD 圖紙，在3DS Max 中，先建立基本幾何體，再使用編輯工具箱中的各類編輯工具創(chuàng)建三維部件模型，之后依據(jù)單體建筑或設(shè)備所組成部件的裝配關(guān)系建立其三維模型[6]。

根據(jù)圖紙建立的三維模型外觀視覺(jué)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)差距較大，為了提高虛擬場(chǎng)景的逼真度，需要依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的照片或視頻創(chuàng)建三維模型的外觀材質(zhì)。外觀材質(zhì)包含設(shè)備的材料屬性與紋理貼圖。其中：材料屬性反映模型表面對(duì)光線的作用效果（如金屬光澤、透明度等）；紋理貼圖采用圖像模擬模型的復(fù)雜外觀，提供豐富的表面細(xì)節(jié)，通過(guò)UV坐標(biāo)將其映射在三維模型表面。

以三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景中的開(kāi)卷機(jī)模型為例，其制作流程與模型效果如圖3 所示。

2）三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景的搭建。

將制作的建筑、設(shè)備等三維模型及其外觀材質(zhì)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中，依據(jù)生產(chǎn)車間建筑與產(chǎn)線設(shè)備的相對(duì)位置信息，在三維虛擬空間放置廠房、產(chǎn)線設(shè)備、警告牌等模型，從而建立酸洗冷連軋三維虛擬場(chǎng)景[7-8]。所搭建的生產(chǎn)線模型如圖4 所示。

2.2 動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程模擬

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的三維模型示例

圖4 三維虛擬生產(chǎn)線模型

在生產(chǎn)實(shí)習(xí)中，學(xué)生通過(guò)觀察生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備運(yùn)行、軋件變化過(guò)程等內(nèi)容學(xué)習(xí)酸洗冷連軋的實(shí)際生產(chǎn)情況。為此，根據(jù)生產(chǎn)流程、設(shè)備功能、加工原理等，在Unity3D 中通過(guò)編寫C#腳本驅(qū)動(dòng)三維虛擬生產(chǎn)線模擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程，主要包含設(shè)備動(dòng)作與軋件變化。

（1）設(shè)備動(dòng)作。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)軋件的加工由組成生產(chǎn)線的各設(shè)備完成。各設(shè)備按照工藝要求，根據(jù)運(yùn)行連鎖條件的不同執(zhí)行不同動(dòng)作[9]。以卷取機(jī)的設(shè)備動(dòng)作為例，其在生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)行原理與三維模擬過(guò)程如圖5 所示[10]。

圖5 生產(chǎn)線設(shè)備動(dòng)作模擬示例

（2）軋件變化。酸洗冷連軋生產(chǎn)以熱軋鋼卷為原料，經(jīng)過(guò)從開(kāi)卷到卷取的生產(chǎn)過(guò)程，其表面、幾何尺寸等會(huì)發(fā)生變化[11]。熱軋?jiān)系谋砻娓街泻诨疑难趸F皮，經(jīng)酸洗后粗糙度較大并呈現(xiàn)白灰色，再通過(guò)冷連軋機(jī)組的軋制，其厚度減小并呈現(xiàn)出金屬光澤。在三維虛擬場(chǎng)景中模擬的軋件變化如圖6 所示。

圖6 軋件變化模擬

2.3 生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)功能

為方便開(kāi)展生產(chǎn)實(shí)習(xí)的自主學(xué)習(xí)，在酸洗冷連軋?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)3D 漫游與交互學(xué)習(xí)功能。用戶通過(guò)穿帶HTC VIVE 的VR 硬件，操控手柄可以在三維虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)[12-14]。

1）3D 漫游。

在酸洗冷連軋三維虛擬場(chǎng)景中，用戶使用VR 手柄實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線周圍漫游。在漫游時(shí)，用戶可以近距離觀察動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程，如加工工藝、設(shè)備動(dòng)作、軋件變化等在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)時(shí)無(wú)法觀察到的內(nèi)容。在該系統(tǒng)中，漫游操作包含行走與位置瞬移，如圖7 所示。用戶通過(guò)點(diǎn)擊VR 手柄菜單鍵，顯示瞬移位置列表，選擇某一位置后可以直接到達(dá)對(duì)應(yīng)產(chǎn)線位置。

圖7 3D 漫游操作

2）交互學(xué)習(xí)功能。

在酸洗冷連軋生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)漫游時(shí)，用戶如果需要具體了解某一設(shè)備，可以通過(guò)設(shè)備介紹、設(shè)備工藝、設(shè)備透視與3D 爆炸圖進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。用戶通過(guò)VR 手柄中觸控板上方向鍵呼出射線并指向設(shè)備，按擊扳機(jī)鍵進(jìn)入交互學(xué)習(xí)功能，再通過(guò)射線與扳機(jī)鍵的操作打開(kāi)相應(yīng)內(nèi)容。

設(shè)備介紹與設(shè)備工藝功能通過(guò)文字和語(yǔ)音講解設(shè)備組成、功能、工藝原理等內(nèi)容，方便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的基本認(rèn)知；系統(tǒng)具有設(shè)備透視功能，可以使設(shè)備外部透明，從而方便用戶觀察到生產(chǎn)時(shí)設(shè)備內(nèi)部的執(zhí)行動(dòng)作及其與軋件的相互作用過(guò)程；在設(shè)備3D 爆炸圖中，系統(tǒng)將設(shè)備單獨(dú)呈現(xiàn)，具有整體和爆炸兩種視圖，并可以在三維空間旋轉(zhuǎn)和放大縮小，從而方便用戶對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、裝配等進(jìn)行詳細(xì)學(xué)習(xí)。交互學(xué)習(xí)的各項(xiàng)功能示例如圖8 所示。

圖8 交互學(xué)習(xí)功能示例

3 結(jié)語(yǔ)

酸洗冷連軋?zhí)摂M現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)習(xí)系統(tǒng)以鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為原型，采用3DS Max 建立生產(chǎn)車間建筑與設(shè)備三維模型，再在Unity3D 中搭建三維虛擬生產(chǎn)場(chǎng)景，并通過(guò)編寫C#腳本模擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過(guò)程，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)功能，包含3D 漫游、工藝功能介紹（文字與語(yǔ)音）、設(shè)備透視與3D 爆炸圖等。該系統(tǒng)具有沉浸度好、安全性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)后，提高了學(xué)生對(duì)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的興趣與積極性，有效提升生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量。