Виртуальная инженерия
Реферат
Виртуальная инженерия
Введение
Высокая трудоемкость построения дорогостоящих физических прототипов стимулировала создание новых методов разработки визуализации результатов компьютерного моделирования отдельных прототипов и целых производств.
Системы геометрического моделирования настолько продвинулись вперед за последнее десятилетие, что современные CAD-системы способны обрабатывать модели деталей и агрегатов самой сложной геометрии и конструкции. Агрегат можно отображать, оценивать и модифицировать как единое целое, а его движение имитировать так же, как это делается с физическим прототипом. Виртуальная инженерия дает совершенно новый подход к инженерным задачам. Область применения виртуальной инженерии расширяется, и достигнув зрелости, она станет главной составляющей процесса разработки.
Именно поэтому настоящая работа имеет целью изучить вопрос виртуальной инженерии. В настоящей работе будут рассмотрены основные этапы и оборудования, применяемые в виртуальной инженерии.
1. Виртуальная инженерия
Виртуальная инженерия - это имитационный метод, помогающий инженерам в принятии решений и управлении. Виртуальная среда представляет собой вычислительную структуру, позволяющую точно имитировать геометрические и физические свойства реальных систем. Прогресс современной имитационной технологии сделал возможным решение таких задач, как численное моделирование большинства механических свойств системы и обнаружение столкновений между геометрическими объектами в реальном времени. Имитационные технологии позволили успешно применить виртуальную инженерию в промышленности для сокращения затрат времени и средств на разработку. Такая возможность будет неоценима в автомобильной и авиационной промышленности, где физические макеты стоят дорого, время разработки велико, продукты крайне сложны и требуется глубокая обратная связь от клиентов.
2. Компоненты виртуальной инженерии
Виртуальное производство можно классифицировать в терминах жизненного цикла продукта как виртуальное проектирование, цифровую имитацию, виртуальное прототипирование и виртуальный завод. В следующих подглавах рассмотрим подробно каждый этап виртуального производства.
Виртуальное проектирование
Основная цель виртуального проектирования - позволить конструктору действовать интуитивным и естественным образом. В системах геометрического моделирования, даже при том что современные CAD-системы предоставляют изощренные средства моделирования, взаимодействие конструктора с моделью небезгранично. Возможности обзора ограничиваются изображением, спроектированным на монитор, а возможности ввода информации от конструктора - точечными манипуляциями с мышью
Виртуальное проектирование выполняется в виртуальной среде с использованием технологий виртуальной реальности. Используя технологии виртуальной реальности, конструкторы могут погрузиться в виртуальную среду, создавать компоненты, модифицировать их, управлять различными устройствами и взаимодействовать с виртуальными объектами в процессе конструкторской деятельности. Конструкторы могут видеть стереоскопическое изображение виртуальных объектов и слышать пространственный реалистичный звук. Эти изображения и звук возникают, когда рука конструктора движет виртуальной рукой и пальцем. Прикосновение к виртуальному объекту ощущается конструктором в виде обратной связи. Тем самым замысел конструктора эффективно воплощается в проекте и проверяется функциональное поведение конструкции.
Типы виртуальной реальности
Выделяют несколько типов виртуальной реальности, в зависимости от степени погруженности пользователя в создаваемую виртуальную картину. Наиболее простым в исполнении является применение программных и технических средств (рис.), создающих 3D-изображение на экране монитора. Пользователь при этом является внешним наблюдателем по отношению к смоделированному трехмерному миру, а также может извне менять заранее предопределенные параметры, передвигать объекты на экране, произвольно выбирать ход развития событий и т.д. Хотя такое воплощение технологии виртуальной реальности является наиболее доступным, оно дает минимальный эффект взаимодействия с виртуальными объектами, нахождения в виртуальном мире.
D очки - очки для просмотра стереоскопических изображений
цифровой виртуальный инженерия имитационный
Существуют средства создания виртуального окружения с эффектом частичной погруженности: специальные шлемы (рис.), в которых создается изображение, передаваемое непосредственно на сетчатку пользователя, с использованием дополнительных средств, например, кресел, штурвалов, джойстиков, позволяющих управлять событиями в виртуальном окружении.
Шлем виртуальной реальности
Комплексы иммерсивной виртуальной реальности, типа CAVE 3D, создают эффект полного присутствия. Такая система состоит из нескольких экранов, расположенных в форме куба (рис. 2.3.), размером с небольшую комнату, на которые проецируются изображения. Зайдя в такую комнату и надев специальные очки, пользователь не видит ничего кроме окружающей его виртуальной среды, внутри которой он может передвигаться, рассматривать с разных позиций виртуальные объекты и взаимодействовать с ними с помощью управляющих приспособлений.
Комплекс CAVE 3D.1 - CAVE Серверы; 2-аптечка; 3 - KVM-переключатель; 4 - проекторы; 5 - поляризационный фильтр; 6 - зеркало; 7 - Проекционный экран; 8 - очки
Применение таких систем приносит важные результаты в самых различных областях деятельности. Одной из области его применения является виртуальное прототипирование, то есть создание макетов различных конструкций и приборов с помощью технологии виртуальной реальности. Это будет рассмотрено в одной из следующих подглав.
Цифровая имитация
Используя цифровую имитацию, пользователь перед началом работы может проверить траекторию перемещения инструмента станка с ЧПУ, щупа координатно-измерительной машины или руки робота. С помощью имитации пользователь может также спрогнозировать столкновения между инструментом и приспособлением или деталью. Визуализация также помогает инженерам лучше понять систему. Она позволяет легко уяснить идею конструкции и заранее проверить ее эксплуатационные качества. В настоящее время для этой цели используется главным образом кинематическая имитация твердых тел. Например, это можно осуществить с помощью CAD/CAM/CAE/CSE системы NX. Которая используется в различных областях промышленности (авиакосмическая промышленность, двигателестроение, автомобилестроение, машиностроение и т.д.). Данная программа позволяет запустить имитацию работы станка (рис. 2.4.).Это позволяет проводить контроль управляющих программ до передачи их в цех и обезопасит оборудование от какого-либо повреждения и поломки, а также уменьшит время отладки программы на станке и повысит производительность обработки.
Имитация работы станка вNX
Виртуальное прототипирование
Технологии виртуального прототипирования - это форма пошагового компьютерного моделирования, которая позволяет пользователю на конечном этапе погрузиться в виртуальный мир объекта или процесса и непосредственно оперировать в нем с помощью специальных сенсорных устройств так как будто это происходит в реальном мире.
Процесс прототипирования при конструировании и разработке промышленного дизайна - область, где использование систем виртуальной реальности дает огромные конкурентные преимущества. Использование виртуального окружения позволяет создавать и воспринимать конструктору виртуальный прототип как реальный и изменять его в реальном времени. Виртуальные прототипы позволяют отказаться от натурных моделей и обеспечить связь между отдельными подразделениями крупной корпорации или различными субподрядчиками, работающими над разными аспектами одной и той же задачи. Особенно актуальны подобные системы на стадии концептуального дизайна.
В качестве примера эффективности виртуального прототипирования можно привести лабораторию по имитации полетов компании Lockheed Fort Worth, где на базе тренажера производится отработка виртуальных полетов с целью изучения удобства взаимодействия пилота с тем или иным оборудованием кабины еще на этапе проектирования истребителя.
Виртуальная сборка позволяет проверить степень стыковки тысяч деталей сложнейшего изделия до начала этапа реальной сборки. Широко известен пример проектирования самолетов Boeing 747 и Learjet 45, когда проверка качества сборки всей системы осуществлялась в виртуальном пространстве.
Технологии виртуальной реальности позволяют заменить реальные испытания с разрушением на компьютерные. По оценкам Ford Motor Company, только замена натурных испытаний реальных автомобилей численными экспериментами позволяет сэкономить миллионы долларов. Аналогичным образом компания BMW сообщает, что она экономит один миллион долларов всякий раз, когда удается отказаться от натуральных испытаний на разрушение, использовав вместо них численные эксперименты на суперкомпьютерах.
Использование в системах для виртуальноо прототипирования, таких систем как трекинг, глазной треикинг, энцефалограф позволяет качественно и быстро отработать человеко-машинное взаимодействие, эргономику и т.д. еще на этапе цифрового макета.
Виртуальное проектирование интерьера салона автомобиля
Практически все ведущие компании мира применяют технологии виртуальной реальности в своих конструкторских и дизайнерских центрах, так компания Форд утверждает, что внедрение подобных систем позволило сократить время проектирования модели легкового автомобиля с 42 до 24 недель.
Виртуальный завод
Виртуальный завод - это смоделированная на компьютере полная производственная система. Виртуальный завод имитирует конструкции производственных участков, производственные процессы и складские системы. Кроме того, для него можно программировать автоматизированное заводское оборудование - роботы, конвейеры и станки.
Европейское подразделение компании Ford разработало полностью виртуальный завод Ford со всеми происходящими процессами, включая конвейерную сборку. Это позволит максимально оптимизировать производство, исключив любые неоправданные потери времени, повысив качество продукции и снизив затраты на производство.
В новой программе используется реалистичное объемное изображение, которое получено в результате оцифровки видеосъемок того или иного процесса. В целях создания интерактивных объемных изображений разработчики программ применяют специальные проекторы с оптическими датчиками движения. С помощью новой программы даже будет моделироваться каждое движение рабочих, что позволит снизить нагрузку на разные мышцы человека, снизить утомляемость и сократить время монтажа тех или иных узлов.
D версия сборочного завода Ford
D версия сборочного завода Ford. Моделирование рабочего
Заключение
В данной работе были рассмотрены этапы и оборудования применяемые для виртуальной инженерии. Также приведены примеры применения виртуальной инженерии в современном мире. Исходя из них можно сделать вывод что, применение технологий виртуальной реальности позволяет резко повысить качество проектирования, значительно снизить время разработок и удешевить процесс конструирования. Виртуальная инженерия обеспечивает также превосходный интерфейс для клиента, позволяя ему заранее увидеть трехмерную модель продукта и запросить конструктивные изменения. Можно построить прототип продукта, который недоступен, слишком опасен или слишком дорог для того, чтобы создавать его в реальности. Такая возможность неоценима в автомобильной и авиационной промышленности, где физические макеты стоят дорого, время разработки велико, продукты крайне сложны и требуется глубокая обратная связь от клиентов.
Список литературы
1.Кунву Ли, Основы САПР (CAD/CAM/CAE) [текст] - Питер, 2004-560 с.
2.Учебный курс Autodesk Simulation, [электронный ресурс] URL: http://simulation.pointcad.ru/simulation_workshop_section_4
.Siemens PLM Software, [электронный ресурс] URL: http://grant.csoft.ru/soft/nx.html
.Subinet, [электронный ресурс] URL: http://www.subinet.es/ford-australia-y-su-nuevo-centro-de-realidad-virtual/
.Компьютерное моделирование и математическое моделирование в механике и машиностроении, [электронный ресурс] URL: http://www.ctmech.ru/page.phtml? id=44&mid=53&lng=RU
.Motrolix, [электронный ресурс] URL: http://motrolix.com/2013/12/ford-begins-testing-new-virtual-plant-software-from-siemens-with-video/