一种基于虚拟现实技术的大型装备研发方法 【技术领域】
本发明涉及一种基于虚拟现实技术的大型装备研发方法，属于虚拟现实技术和机械装备制造的交叉技术领域。
背景技术
一个国家所拥有的大型装备的品种、数量和等级是衡量该国工业水平和国防实力的一个重要标志。我国能否成为世界装备制造基地，问题的关键不在于生产规模能否处于世界前列，而在于能否形成一大批重要装备的自主开发能力和系统成套能力，即具有重大技术装备的开发能力。当前，装备制造业在国民经济中的地位日益重要，已经成为我国国民经济的脊梁，经济增长的动力，高新技术的载体，产业升级的手段和国家安全的保障。装备制造业是国家的战略性产业，高度发达的装备制造业，是实现工业化的必备条件，是衡量国家国际竞争力的重要标志，是决定国家在经济全球化进程中国际分工地位的关键因素。我国要成为制造强国、实现战略性设备的自主研制，就必须装备自己的大型装备。
装备制造业特别是大型装备制造有其自身鲜明的特点：需求弹性大、产业关联程度高；研制周期长，需要投入大量资金；成套性强，需要各个行业的紧密配合；技术难度大，需要各种高技术的高度集成；科技含量高，对经济增长具有很强的带动作用，对国民经济发展、产业结构调整具有重要意义。而我国在大型装备开发中利用传统的CAD、CAM设计出的产品预见性差，对人类的辅助有限，制造周期长不能快速响应市场，导致制造费用高，产品缺乏市场竞争力。
【发明内容】
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够提高研发进度，降低能源消耗，节约制造经费，充分发挥人的主观能动性和创造性的基于虚拟现实技术的大型装备研发方法。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：
一种基于虚拟现实技术的大型装备研发方法，利用虚拟现实技术研究大型机械设备的装配工艺，优化大型机械设备关键零部件的设计，并在虚拟现实环境下模拟大型机械设备的运行情况，优化大型大型机械设备的系统设计，最终获得大型装备的最佳设计方案。
本发明更优选的实施方案是：提供了一种基于虚拟现实技术的大型装备研发方法，包括以下的步骤：
(1)对大型机械设备进行分析和设计；
(2)对大型机械设备进行初步的总体布局；
(3)利用三维建模软件构建大型机械设备零件的虚拟模型；
(4)设置虚拟装配软硬件系统；
(5)将零件的虚拟模型导入虚拟环境中，增加虚拟零件的物理属性、动力学、运动学条件，通过编程解决系统软硬件接口问题，实现工程技术人员与虚拟环境的交互；
(6)由工程技术人员通过外部设备与虚拟环境进行交互，在虚拟环境中，按照设计人员的设计意图进行设计、装配，研究大型装备的装配工艺，完成该工艺的装备设计；
(7)检查、修改产品设计、装配过程，分析工艺流程的合理性，并由系统记录装配的各种信息；
(8)在完成大型机械设备三维实体模型的最终设计后，在虚拟环境中试运行进行全机干涉检查，检查是否满足设计、装配要求，若未满足要求，则返回步骤(6)重新设计、装配；
(9)满足要求后，得到设备的虚拟装配模型，保存相关数据文件。
所述的步骤(1)中对大型机械设备进行分析和设计，包括对大型装备进行整体受力分析，对各种零件结构进行分析和比较，完成主体机架及相关零部件的分析以及设计。
所述的步骤(8)中主要是利用虚拟现实技术，对开发完的大型机械装备进行试运行试验研究，对大型机械装备的基础性能的试运行以及检验结构外观，进而在虚拟环境下对大型装备的设计进行优化，获得大型装备的最佳设计方案。
本发明利用虚拟现实技术提供地沉浸性、交互性和想象性使操作者能够进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境，在虚拟环境下实现大型机械装备的设计开发、工艺规划、装配检查、性能评测等研发过程，进而获得大型机械装备的最佳设计方案。这种技术提高了研发进度，降低了能源消耗，节约了制造经费，充分发挥了人的主观能动性和创造性。为大型机械装备研发提供了更加先进、更加灵活的手段，不但适用于教学、科研，还能应用到诸如工艺制造、广告宣传等商业领域，具有广泛的适用性。
【附图说明】
图1为本发明基于虚拟现实技术的大型机械设备研发方法流程图。
图2为本发明虚拟装配系统组成结构图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明是针对大型装备的结构分析及关键零部件的设计，并利用虚拟现实技术研究大型装备的装配工艺以及运行实验研究，最终，通过运行实验结果获得大型装备的最佳设计方案。
参见图1，本发明是一种基于虚拟现实技术的大型机械设备研发方法，具体步骤如下：
步骤101：对大型机械设备进行分析和设计；
对大型机械设备进行整体受力分析，对各种零件结构进行分析和比较，完成主体机架及相关零部件的分析以及设计。
步骤102：对大型机械设备进行初步的总体布局；
对大型机械设备进行初步的总体布局，主要包括建立主模型空间，进行初步的结构、系统总体布局。本发明构建的虚拟装配系统由3个功能模块组成，参见图2，分别为建模系统、虚拟现实平台和人机交互界面，其中虚拟现实平台完成虚拟场景管理、装配管理、装配顺序与路径规划、输入输出管理，在建模系统中，利用建模软件建立大型设备的三维模型并赋予装配零件信息，通过数据接口传递给虚拟现实平台进行装配研究，用户通过人机交互界面与虚拟现实平台交互，完成该发明的设计与操作；其中，在虚拟现实平台中，虚拟场景管理负责模型可视与虚拟环境的管理；模型管理、碰撞管理、约束管理、文件管理控制虚拟环境中模型的各种属性；装配顺序与路径规划记录零件装配过程中的安装顺序和移动路径，最终将通过输入输出管理实现用户与虚拟现实平台之间的信息数据传输；
步骤103：构建虚拟模型；
利用三维建模软件(如SolidWorks、ProE等)构建大型机械设备零件的虚拟模型，包括虚拟几何模型、物理属性信息和零件包含的工程设计信息。本发明构建的虚拟模型利用CAD系统在建模过程中建立零件的几何信息、装配约束信息、装配层次信息；该装配建模过程只考虑零件的装配位置和约束关系，装配序列和装配路径在以下步骤中详细分析；
步骤104：设置虚拟装配软硬件系统；
构造虚拟装配环境，将所需工具调入系统，并配置虚拟装配系统外部设备；如数据手套，位置跟踪器，数据头盔等；
步骤105：导入虚拟模型，并添加各种属性，实现人机交互；
将零件的虚拟模型导入虚拟环境中，增加虚拟零件的物理属性、动力学、运动学等条件以及装配约束与碰撞处理技术，通过编程解决系统软硬件接口问题，实现工程技术人员与虚拟环境的交互。本发明中利用物理引擎提供类似于真实的物理系统，使物体的运动遵循固定的规律，物理引擎计算虚拟场景中物体与场景之间、物体与角色之间、物体与物体之间的运动交互和动力学特性，大型装备在虚拟场景中可以具有质量、具有重力、具有碰撞、受力变形等属性，使其达到与真实世界相同的效果。
步骤106：由工程技术人员在虚拟环境中进行设计、装配；
由工程技术人员通过各种外部设备与虚拟环境进行交互，在虚拟环境中，按照设计人员的设计意图进行设计、装配，研究大型装备的装配工艺，完成该工艺的装备设计；本发明过程研究在虚拟场景中大型设备的装配顺序和路径，系统采用统一的数据结构表达装配顺序，使装配顺序和装配路径相对应，自动记录用户的操作，并且当用户改变装配操作时系统自动更新，用户可以随时更改装配顺序和路径数据；
步骤107：检查、修改产品设计、装配过程，分析工艺流程的合理性，并由系统记录装配的各种信息；
在设计、装配的过程中，装配工程师分析产品设计存在的问题，同工程技术人员配合，重新在虚拟环境中进行设计、装配过程。并由系统记录装配的各种信息，如零件的装配轨迹、装配顺序等；
步骤108：在虚拟环境中试运行进行全机干涉检查；
对于经检查、修改合格的设备，在完成大型机械设备三维实体模型的最终设计后，在虚拟环境中试运行进行全机干涉检查，检查是否满足设计、装配要求，若未满足要求，则返回步骤(6)重新设计、装配；本发明利用ProE提供的运动干涉检查功能检测装配完成后的大型设备模型，设置时间周期和运动增量，回放模型的运动分析，对全机进行干涉检查，当零件间有干涉存在的时候，回放将停止并以红色提示发生干涉的零件部位；
步骤109：大型机械设备研发成功后，保存相关数据文件；
在满足设计、装配要求后，得到设备的虚拟装配模型，大型机械设备研发成功，保存零件干涉检查报告、零件装配轨迹文件、零件装配顺序文件和装配动画文件等相关文件，用以与其他系统数据进行对比、交换。
本发明利用虚拟现实技术，模拟研究产品的装配图以及验收其技术条件，优化装配方法与组织形式，校验装配单元，确定装配顺序、工序、最后确保大型装备的装配工艺能够达到要求。使用本发明提出的基于虚拟现实技术的大型机械装备研发方法，设计人员可以在虚拟环境中对设计的大型机械装备进行实时的虚拟装配，及时发现设计中的错误，同时系统输出各种技术文档，能够帮助工程技术人员做出正确的决策，从而得到最佳设计方案，该技术为目前大型机械装备研发中存在的问题提出了一个崭新的解决途径，提高了研发进度，节约了制造经费，充分发挥了人的主观能动性和创造性。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。