摘 要

制造业是国家经济发展的命脉，目前正处于高速发展转向高质量发展的关键时期，实现制造业智能化与数字化是关键一步。而数字化制造车间是智能工厂的核心基础单元，对其研究慢慢地得到了重视。并且随着时代的进步与人们对产品的多样化需求，制造业中产品结构的复杂化、产品定制化的流行、生产线快速更新等问题日益突出，对数字化车间的建设也提出了更高要求。

本文基于虚拟现实技术，通过强大的游戏引擎Unity、动画制作软件3d Max及建模软件SolidWorks,建立车间、坯料、生产设备等的三维模型，并将其导入虚拟场景中，从而实现制造车间的数字化。本文以圆柱直齿轮的生产加工为例,介绍了齿轮的加工流程及车间模型、相关机床设备模型、动画的建立过程，并基于此在Unity中实现了齿轮加工的三维车间布局规划及齿轮加工过程的虚拟仿真。最后通过场景第一人称视觉漫游、人机交互的实现来增强虚拟场景的沉浸感与交互感。

本文通过对齿轮加工进行布局规划及加工过程的虚拟仿真，旨在介绍数字化制造车间的建设可能性方向，并进一步说明基于VR的数字制造车间仿真对制造业发展的有益之处。

关键词：虚拟现实；数字车间；虚拟仿真

Abstract

Manufacturing industry is the lifeblood of national economic development, its development is now in a critical period of rapid development to high-quality development, the realization of intelligent manufacturing and digitalization is a key step. The Digital manufacturing workshop is the core basic unit of Intelligent factory, and its research has been paid more and more attention. And with the progress of the times and people's diversified demand for products, the complexity of product structure in manufacturing industry, the popularity of product customization, the rapid renewal of production lines and other issues are becoming more and more obvious, the construction of digital workshop has also put forward higher requirements.

Based on virtual reality technology, this paper establishes a three-dimensional model of workshop, billet, production equipment and so on through the powerful game engine Unity, animation software 3d Max and modeling software SolidWorks, and imports it into the virtual scene, so as to realize the digitization of the manufacturing workshop. Taking the production and processing of cylindrical straight gears as an example, this paper introduces the machining flow and workshop model of gears, the model of related machine tool equipment and the establishment process of animation, and based on this, the three-dimensional workshop layout planning of gear machining and the virtual simulation of gear machining process are realized in Unity. Finally, through the scene of the first person visual roaming, human-computer interaction to enhance the virtual scene of the sense of immersion and interaction.

Based on the layout planning of gear machining and the virtual simulation of machining process, this paper aims to introduce the direction of construction possibility of digital manufacturing workshop, and further explains the beneficial of digital manufacturing workshop simulation based on VR to the development of manufacturing industry.

Key Words: Virtual reality; Digital Workshop; Virtual simulation

目录

摘要 I

1.绪论 1

1.1研究背景 1

1.2虚拟现实技术的研究与应用现状 2

1.2.1虚拟现实技术 2

1.2.2虚拟现实技术发展与运用现状 3

1.2.3虚拟现实主要技术方向 6

1.2.4虚拟现实应用研究文献 8

1.3研究内容与意义 9

1.3.1研究内容 9

1.3.2研究意义 10

2.数字化制造车间 11

2.1数字化制造车间的相关介绍及研究 11

2.2数字化车间中产品的生产阶段划分 11

2.3车间的布局规划与仿真 13

2.4本章小结 13

3.针对齿轮加工装配的车间布局规划 14

3.1车间布局规划 14

3.1.1车间布局规划重要性 14

3.1.2车间布局方式 14

3.2圆柱直齿轮加工工艺路线 17

3.2.1粗加工阶段 17

3.2.2热处理阶段 18

3.2.3精加工阶段 18

3.2.4齿轮加工流程表 18

3.3车间模型建立 19

3.4圆柱直齿轮加工的车间布局方案 20

3.4.1车间布局的要求 20

3.4.2车间布局特殊要求 21

3.4.3车间布局方案 21

3.5本章小结 23

4.圆柱直齿轮加工装配的虚拟仿真 24

4.1加工设备模型的建立 24

4.1.1车床模型的建立 24

4.1.2齿轮插齿机模型的建立 27

4.1.3一级圆柱齿轮减速箱的模型建立 29

4.2齿轮加工流程动画制作 30

4.2.1机械臂取料动画制作 31

4.2.2车床粗加工动画制作 31

4.2.3插齿机加工动画的制作 32

4.2.4减速箱装配动画的制作 33

4.3基于Unity 3d的虚拟仿真 33

4.3.1虚拟车间场景的构建 33

4.3.2第一人称视觉漫游 37

4.3.3虚拟场景中人机交互的实现 39

5.环保经济性分析 43

5.1环境影响分析 43

5.2经济性分析 43

6.总结与展望 44

6.1 全文总结 44

6.2 展望 44

致谢 46

参考文献 47

附录 49

小车行走控制程序 49

动画控制程序 50

1.绪论

1.1研究背景

制造业作为国家经济发展的主要支柱，其是其它行业如金融行业、互联网行业等发展的坚实基础，制造业的重要性在竞争日渐剧烈的国际舞台上也越来越突出。因此实现制造业的高质量发展转型至关重要。随着制造业工业化、信息化的热潮席卷全球，世界各国纷纷出台促进制造业升级的国家战略。2013年德国正式推出以物联网和信息物理系统为基础的“工业4.0”战略，致力于提高制造业的智能化水平。2015年，中国发布了《中国制造2025》战略和《国家智能制造标准体系建设指南》旨在实现中国制造业的数字化和智能化。而数字化车间是智能制造和智能工厂的核心基础单元^[1]，对制造车间的数字化研究得到了各国研究人员的重视。

数字化制造车间高度结合智能硬件设备与信息网络，利用数控机床、智能设备、自动化技术、自动识别技术等来实现硬件设备的智能控制和运作，以求最大程度上地减少人力。同时运用互联网技术来实现产品的相关数据采集、相关数据智能分析、信息传递等，从而提高制造车间的生产效率与智能化^[2]。近年来，随着制造业的高质量、多样化发展，给数字化制造车间的建设带来了严峻的挑战：

⑴制造车间需加工的产品、零件结构日益复杂。为降低车间的资源浪费，需要对加工步骤繁琐的零件进行生产流程规划和制造仿真；

⑵制造业中产品的个性化定制的日渐流行。需要确定定制产品的加工方案并对其进行仿真，以确定其可行性；

⑶产品更新迭代速度加快。快速地更新产品加工流程规划、相关设备布局规划对制造车间的生产效率至关重要。

数字化车间需要实现相关产品的布局仿真及生产过程仿真，从而确定提出方案的可行性，之后再投入实际生产中，以避免不必要的资源浪费。为增强仿真的真实感和交互感，可将虚拟现实技术运用到数字化车间的建设中，从而增加数字化车间建设的多样性及可能性。

1.2虚拟现实技术的研究与应用现状

1.2.1虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是指运用多媒体技术、计算机图形学、人机接口技术、传感技术等来生成一种与真实环境在视觉、听觉、触觉等方面相似的数字化环境，带给体验者如临其境的感觉^[3]。虚拟现实技术还能够突破实际环境中时间、空间以及其它相关条件的限制，通过对真实环境的三维建模，并利用计算机软件控制物体运动与变化，来仿真现实环境中可行性较低的制造流程。

美国科学家BurdeaQ等提出了虚拟现实技术具有三个特性：沉浸性、交互性、想象性。

⑴沉浸性：指体验者在虚拟环境中有一定的与在现实世界中相似的视觉、听觉感受，即处在虚拟环境中时，体验者能够转换视线观察场景中的事物，看到的事物很真实，体验者难辨真假。如当体验者处于有悬崖的虚拟场景中，控制手柄让自己走近悬崖或从悬崖上下来时，虽然还没实现失重感的传递，但仍然能感受到自己站不稳，就是因为虚拟场景“欺骗”了大脑。

⑵交互性：交互性包括自然性和实时性。自然性指体验者与虚拟场景的交互是很自然地进行的。与现实世界中一样，体验者可以按自己的意愿做出动作，虚拟世界会据此做出相应的响应。如在实际中我们抬起头就可以看到天空,在虚拟世界中抬起“头”也能够看到天空。实时性就是体验者在虚拟世界做出动作会马上得到响应,如在虚拟现实里移动桌子,桌子位置就会发生相应的改变。

⑶想象性：就像在现实世界中，当我们看到周围的事物会产生联想与想象一样，虚拟场景也会带给体验者这种感觉。

虽然目前对虚拟现实技术的研究还未完全达到虚拟场景的沉浸性、交互性、想象性，但其研究的可能性及潜在价值是非常巨大的。

1.2.2虚拟现实技术发展与运用现状

虚拟现实的新时代发展起源于2012年，Oculus Rift公司通过国外知名的众筹网站Kick Starter募资到1600万美元，在成功展示了第一代开发者产品后被Facebook以20亿的天价收购。而当时Unity3D是第一个支持Oculus眼镜的引擎，其吸引了大批开发者投身VR项目的开发中，从而正式打响了这场VR之战。2014年Google发布了Google Card Board，消费者能以非常低廉的成本基于手机来体验VR世界，直接点燃了今日的“Mobile VR”超级大战^[4]。2016年是VR飞速发展的一年，HTC Vive与二代Oculus Rift作为领头羊，各路VR设备厂商如雨后春笋般崛起，全球虚拟现实行业正式进入了群雄逐鹿的阶段^[5]。目前，虚拟现实成为移动互联网向人工智能时代演进的发展重点，并将手机作为虚拟现实的首要平台载体。如图1为Oculus Rift眼镜。

图1.1 Oculus Rift眼镜

我国从90年代起开始重视虚拟现实技术的应用和研究，由于技术和成本等的限制，虚拟现实技术主要运用对象是军用和高端商用。近年来，随着我国芯片、显示、人机交互等技术的发展，VR技术才慢慢运用于适于普通消费者的产品。我国虚拟现实企业根据其发展形式可分为两大类别。其一是成熟企业依靠传统软硬件或资金人才优势向虚拟现实邻域渗透。如联想与蚁视合作研发便携式设备乐檬蚁视虚拟现实眼镜；魅族与拓视科技合作推出手机虚拟现实头盔。其二是新型虚拟现实产业公司，包括生态型平台型公司和初创型公司。该类型企业在硬件、平台、生态等领域进行关于虚拟现实的一系列布局。如腾讯、暴风科技等。

虚拟现实技术能通过人为建模十分真实地展示出各种不同的场景，用户足不出户就可以达到在不同场景游玩的沉浸式体验，在诸多领域具有潜在的使用价值。类似于“互联网 ”的产生，VR技术应用于各行各业，“VR X”成为一种新的发展趋势^[6]。目前虚拟现实技术主要应用于如下几个方面：

⑴军事航天领域：在军事航天邻域，利用虚拟现实技术将真实战场模拟出来，让受训者在视觉和听觉上体验实战环境，并可以与虚拟场景进行人机交互，打破地域限制。如北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术教育部重点实验室在国家863计划支持下，与国防科技大学、海军潜艇学院、装甲兵工程学院等单位一起建立了一个用于虚拟现实技术研究和应用的分布式虚拟世界基础信息平台DVENET｡其由一个专用广域计算机网络以及支持分布式虚拟世界研究与应用的各种标准､开发工具和基础信息数据组成｡

图1.2虚拟现实用于军事训练

⑵文化娱乐方面：虚拟现实技术被广泛运用于游戏、直播、影视等领域。更为真实而强烈的感官刺激与3D现实环境使得VR成为理想的视频游戏工具。虚拟现实应用于影视领域主要通过构建出与影视场景交互的虚拟三维空间，并捕捉观众的头、眼、手等的动作，及时调整影像呈现内容，形成人景交互的体验。VR直播正逐渐出现在人们生活中，借助VR头显，观众可以身临其境地现场观看比赛，自由选择位置和角度，时刻关注自己感兴趣的场景。如2017年5月，微鲸科技宣布与体奥动力、飞猫影视合作，为2017中超联赛提供VR直播。这之后，观众可以通过“微鲸VR”APP看到覆盖整个视野、十余个摄像机机位跟踪摄制的180度球场画面，营造出沉浸式的现场环境。

图1.3 虚拟现实应用于游戏

⑶教育培训领域：目前，教育是虚拟现实应用行业中发展最快、最先运用实施的领域。在教育培训场景中，虚拟现实技术通过自然的交互方式，可将抽象的学习内容可视化、形象化，给学生带来传统教材无法实现的沉浸式学习体验，激发学生获取知识的积极性。如北京黑晶科技有限公司针对VR教育市场推出了“超级教室”方案，以教室实际教学需求为基础，通过VR/AR技术将教学内容进行重新制作并展现，能有效激发学生兴趣和探索欲望，改善学生素质、能力培养方式。

图1.4 虚拟现实应用于教学

⑷工业生产仿真方面：在工业领域，虚拟现实技术多用于产品设计、装配、人机工效和性能评价等。其可提供沉浸式空间并实现多人的同步设计，还可通过将现场工人的第一人称实时画面传至远端，并通过语音交互等方式将远端操作方式传递至现场操作人员眼前，实现完全第一人称实时同步的协作方式。如福建亿鑫海信息科技有限公司为某电力公司搭建了一套基于虚拟现实技术的交互式、沉浸式的VR智能变电站仿真平台。该平台立足于虚拟现实技术生成逼真的视、听一体化的特定范围变电站虚拟环境，可以实现变电站整体布置、虚拟浏览检测、电力设备巡视等功能。

图1.5 虚拟现实应用于装配

1.2.3虚拟现实主要技术方向

到目前为止，VR技术已经发展了近60年，虽然还未能实现虚拟场景的完全沉浸与交互，但其结构已初见雏形。虚拟现实技术的组成可以分为三大部分：硬件设备、内容、VR交互。硬件主要包括显示设备、含有力、温度等传感器的交互设备、专用芯片等；内容包括设计者所要展现的场景、人物行为动作等；VR交互包括人机交互、人人交互等。类似于现实存在的人与物，硬件设备类似于人的眼口鼻等身体感知器官，来帮助体验者感知虚拟环境，而内容类似于人所接触到的其他人、物等外界环境，交互所要实现的是体验者与内容之间的信息传递及接受到信息后的响应。VR的逻辑结构组成示意图如下。

虚拟现实技术的实现需要VR引擎来提供支持，目前国内外的虚拟现实开发使用的主流VR引擎有：Unreal Engine 4、Cry Engine、VRP Platform、Unity 3D。

Unreal Engine 4是目前世界上最知名的游戏开发引擎，其采用PBR物理材质系统，渲染效果强大并加入了“VR预览”功能，吸引了大批开发者加入其阵营。

图1.6 VR系统组成示意图

Cry Engine是德国的Cry Teck公司出品的一款对应最新技术DirectX 11的游戏引擎，其不需要第三方软件的支持就能处理物理效果、声音及动画。

VRP虚拟现实平台是一款由中视典数字科技有限公司独立研发的直接面向三维美工的一款虚拟现实软件，其操作界面为纯中文界面，适用性强。

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