轨道交通

RAILWAY TRANSPORTATION

株洲电机三维分析与虚拟装配实验室





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项目简介


中车株洲电机有限公司是中国中车旗下牵引电机、变压器专业化研制企业。2010年,升格为原中国南车全资一级子公司。经过十年的发展,公司实现了快速的发展,销售规模从2004年不足4亿元增长至201565亿元,复合增长率达到30%。根据中车株洲电机有限公司的规划,株洲电机厂为数字化工厂,是未来集团内部以至整个行业内的标杆企业。


北京和远科技公司根据前期和用户的需求调研分析,我们认为株洲电机应该建设一个三维分析与虚拟装配实验室。


三维分析与虚拟装配实验室主要利用以仿真技术和虚拟现实为基础的虚拟制造技术,用于电机和变压器专业产线虚拟仿真设计和虚拟现实交互,对产品的设计、生产过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验等过程的模拟和仿真,以此来优化产品的设计质量和制造流程,优化生产管理和资源规划,达到产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而形成企业的市场竞争优势。


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建设目标


针对株洲电机的项目需求分析,三维分析与虚拟装配实验室的建设目标可分为二个部分:


  • 建立电机和变压器专业生产线和物流虚拟仿真系统。在产线投产前进行电机和变压器生产线仿真、物流仿真等。

  • 建立虚拟现实交互系统。通过虚拟现实软硬件平台的搭建,一方面可以实现三维虚拟环境下可交互的产线漫游、浏览、检查,以及仿真动画的播放。同时也将作为数字化工厂的运行监控平台。


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设计依据


  • 先进性原则

系统构成必须采用成熟、具有国内外先进水平,并符合国际发展趋势的技术、软件产品和设别。以保证系统具有较长的生命力和扩展能力。保证先进性的同时还要保证技术的稳定、安全性。

  •  开放性原则

采用国际主流、成熟的体系架构和标准来构建系统,使系统可以和其他系统兼用。

  •  易用性原则

系统应易于使用,降低使用难度,为系统在客户处的普及应用奠定基础。

  • 集成性原则

各个设备集成在一起,协同工作,作为一个系统对外提供服务。

  • 扩充性原则

系统设计要考虑到业务未来发展的需要,尽可能设计得简明,降低各功能模块的耦合度,并充分考虑兼容性。


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系统总体架构


实验室建设主要由软件和硬件两部分组成,根据建设目标和内容,三维分析与虚拟装配实验室的系统总体架构如下:


  • 软件系统分为2个子系统:生产线虚拟仿真系统、沉浸式虚拟现实可视化交互系统。


  • 硬件系统通常分为5个子系统,立体显示系统、交互系统、工作站集群、音响系统、和中控系统。





1.软件系统


  • 生产线虚拟仿真软件及物流仿真软件

生产线虚拟仿真软件及物流仿真软件选用美国应用材料公司的AutoMod软件产品,目前AutoMod软件在生产线与物流仿真方面服务的领域包括:仓储配送、汽车及机械产品制造、电子产品制造、航空港口等高科技领域。


三维模型的建立方式上,可以使用内置模版快速构建模型,也可以导入CAD软件制作的三维模型。这样不论客户在工艺、制造环节的三维应用水平如何,都可以通过AutoMod快速构建出用于仿真的三维生产线



1.  直接采用轻量化模型,模型运行速度快,能够帮助收集更多的数据,并且能够准确真实的反映实际的情况。

2.  有大量的模型库供选择,操作选用简单。

3.  提供非常好的随机数发生器,更加真实模拟实际生产状况;并且能够根据使用者的需要提供完善的数据分析,避免了重复劳动。

4.  软件操作简便,编程逻辑和自然逻辑一致,便于理解,编程语言简单。帮助文档完善,能够让操作者迅速入门并提高,并有非常好的客户服务以及技术支持。

5.  提供多种统计图表,提供包含多种统计方法的统计模块,满足不同类别仿真的需要,这些统计方法包括:预热分析、单变量分析、多变量分析、单场景分析、优化分析、敏感度分析、正交分析。


6.运行控制及视频采集方便,用户可以在模型运行的过程中实时采集统计数据。仿真运行动画为3D ,通过TechViz可以无需进行数据转换就将运行动画以立体方式显示在硬件环境中

7.能将仿真动画转变为AVI或者MPEG等大众化软件可以播放的格式,通过设定仿真运行步长控制运行速度,在模型运行过程中通过不同的视角观察其运行情况。而且AVI标准的电影格式使用单帧捕获的方式制作。这样最大的模型也可以在动画中流畅地显示。


  • 沉浸式虚拟现实可视化交互软件 

沉浸式虚拟现实可视化交互软件选用Techviz软件,通过TechViz软件,株洲电机的工程及工艺人员无需进行数据转换,就可将现有的UG设计的三维产品、设备、工装模型,以及本次项目涉及的生产线及物流仿真软件AutoMod里建立的三维数字产线和模拟动画等,直接转换成立体信号,在单通道大屏环境下显示。而工程及工艺人员也可佩带3D眼镜,通过Flystick手柄进行场景的漫游、浏览等操作。


TechViz是3D虚拟现实可视化软件的全球领导者。结合株洲电机本次项目的需求和挑战,是最适合本次项目虚拟现实可视化交互软件。


TechViz软件的特点和优势主要有:

1.无需进行数据转换,立即可用。

区别于市场上的其他“导入式”虚拟现实可视化软件,TechViz的一大特点是不需要进行数据的导入和转换,用户使用原生的CAD工具或仿真软件,就可直接通过TechViz进行立体显示和工程评审,这一特点对株洲电机用户的实际意义在于:


a)无需进行数据转换,大大节省了设计→评审的迭代时间,工程师对产品、对仿真环境的修改都可以立即通过TechViz体现在虚拟环境中,没有增加任何额外的工作量。而是否给工程、工艺人员带来额外的工作量,往往是虚拟现实评审环境在产品研制流程中是否能真正得到应用的关键。


b)株洲电机本项目在虚拟现实环境下除了浏览三维数字工厂、产线外,更重要的是要对产线仿真、物流仿真动画,及生产设备、物料等的运动作进行虚拟现实方式的评审。而这类运动和动画是没法“导入”到其它软件的,只有TechViz这种直接显示的方式才能满足此需求。而其它“导入式”软件只能将产品模型导入后再重新制作一遍动画。

c)        无需进行数据转换,保证了通过TechViz进行查看的数据没有失真,和工程数据保持一致。不会像其它需要轻量化的软件一样在数据优化的过程中造成数据丢失或错误。

2. 大数据的显示性能优越。

株洲电机的生产工厂是由一、二十个面积在几百到几千平米的车间构成的,总生产面积达到了数万平米。针对这样一个数据规模,传统的轻量化手段由于需要在数据质量和数据大小间寻求平衡,因此往往在大数据处理和显示性能上存在瓶颈。而TechViz直接读取显卡的数据进行显示,充分保证和原始数据的一致性和显示性能。


3. 软件兼容性高、扩展性好。

体现在两个方面,一是TechViz支持的3D软件超过200种,不需要针对不同的软件都额外购买相关的数据接口,总成本优势明显。二是功能模块扩展比较方便,像株洲电机本阶段项目实际上只需要用到基本的浏览和DMU样机评审模块,如果后续需要协同、融合等模块,功能也可以很方便的扩展、增加。


2.硬件系统


虚拟现实的硬件系统通常分为5个子系统,立体显示系统、交互系统、工作站集群、音响系统、和中控系统。


  • 立体显示系统采用美国科视激光投影机和威赛尼光学背投树脂幕,实现单通道立体虚拟现实系统建设。

  • 交互系统,采用德国工业级产品动捕设备ART,用于虚拟场景的实时三维交互控制;用于产品的三维模型创建。

  • 工作站集群,图形计算管理采用美国HP高性能图形工作站,用以支撑软件平台和数据模型实时计算。

  • 音响扩声系统可播放虚拟世界的声音信号,也可为现场的会议交流提供扩声服务。

  • 中控系统CTR-PM8是一款专为多媒体系统的整合管控而研制的集成控制主机整体解决方案。



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影响和价值


株洲电机公司凭借自身优势,通过北京和远科技为中车株洲电机有限公司建立的三维分析与虚拟装配实验室,有效的激活了工厂的静态数据,满足了基于实际生产动态变化进行的成本、风险分析,结合规划工具来辅助方案规划设计。

通过模拟仿真,接近实际生产状态,并且根据未来需求变化,更改仿真模型参数对多个方案从成本、运作效率等多个维度进行风险识别,以提升规划方案的实际效果。并且实现了虚拟现实环境下除了浏览三维数字工厂、产线外,更重要的是要对产线仿真、物流仿真动画,及生产设备、物料等动作进行虚拟现实方式的评审,设计、研究、分析、审核、评估或修改等。

达到产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化,从而形成企业的市场竞争优势,成为未来集团内部以至整个行业内的标杆企业。