探讨利用VR技术构建“天发水电”产品库

武刚

摘要：随着VR技术的不断发展，以及该技术对综合数据的统筹应用，使人们的设计理念从原有的二维、三维层次上升到对真实环境的数据模拟，从而建立起足够真实的仿真模型，这在装备制造業生产中的意义是巨大的，尤其是在大型、特型产品的加工制造领域尤其重要。现以“天发水电”公司特点，探讨利用VR技术构建其产品设计数据库的意义。

关键词：VR技术；数据模拟；仿真模型

一、引言

随着VR技术在工程中的不断拓展，机械、电子、航空航天、汽车、造船等领域愈来愈深入的与VR结合，利用VR强大的虚拟仿真技术，参与产品制造的虚拟设计、虚拟装配、虚拟运行、虚拟训练与体验的各个阶段，节省了大量设计成本与设计步骤，能完成实体设计所无法完成的设计结果，是设计制造领域的革命性飞跃，尤其适合复杂产品造型生产，与3D打印技术结合，通过增材制造，完成大型、特大型复杂装备生产，成为中国制造业产品升级，实现中国制造2025的重要技术手段。

水利发电设备由于其应用的特殊性，不同的自然环境、水文特点决定了每一套水力发电设备的技术参数都不相同，制造过程、装配工艺也都不同，因此这一领域的制造特点不同于普通制造业的批量性、通用性，产品的每一个部件都需要根据测量数据单独设计、单独制造。因此建立完善的产品设计数据库，用虚拟手段进行产品设计，在数据库中调用数据储备，进行虚拟设计、虚拟装配、虚拟运行，从而大大提高设计制造精度减少制造成本。

二、研究内容

（一）“天发水电”的典型产品

天津市天发重型水电设备制造有限公司简称“天发水电”，专业从事水轮发电机组、泵阀、重型机械、工程通用机械的设计、研发、制造，是国内仅有的几家具有综合功能最全、精度最高的水力机械通用研发平台之一，主导产品主要有：各种形式水电机组，抽水蓄能机组，泵机组等，还具有自己的水电设备加工制造技术。目前公司的贯流式水轮发电机组年产量和产品总装机数量已居全国第一位。典型产品有三种。

1.甘肃黄河河口水电贯流式水轮发电机

这套电机设备是公司独立研发生产的电机组，该公司拥有全部的知识产权，这套电机组中的核心部件和关键技术全部都是该公司独立研发，是我国水电设备走向世界水平与世界接轨的重要标志。

2.青田三溪口河床式水电站2号发电机组立轴

位于浙江省丽水市青田县境内大溪和小溪汇合口下游约600米的瓯江干流上，三溪口水电站是以发电为主，结合改善航运条件的中型电站。水库正蓄水位为18.00 m，水面面积10.01 k㎡，坝址以上集水面积13 380 k㎡，电站总装机容量为100MW，主机段布置三台33.3MW灯泡贯流式水轮发电机组。机型安装工艺复杂、技术质量要求高、施工难度大、水文环境多变。“天发水电”公司承接制造安装水轮发电机主轴，质量精湛，运行稳定。

3.云南红河马堵山水电站轴流水轮机转轮

云南红河马堵山水电站于云南南部地区河流，河流洪水具有暴涨暴落特点，水电站装有3台半伞式金属蜗壳混流式水轮发电机组，单机容量为100 MW，该水轮发电机转轮由“天发水电”公司制造，直径为4.30 m。

（二）“天发水电”的产品特点

1.产品生产为非通用性加工，加工难度高

产品以水轮机、水利发电机为主，外形尺寸为大型、特大型产品，每个产品都要根据实际工程需要进行独立设计，每个产品都有自己独立的技术要求和工艺方案。产品设计周期长、加工难度高，属于非通用型、特型装备制造。

2.产品设计难度大

据不完全统计，目前全国有水电站十万余座，每个水电站的地理条件、水文条件都不一样，水电站设计更是根据当地的经济发展需要进行，因此，水力发电机、水轮机的设计施工必须依据当地的地理和水文环境，进行大量的数据采集，然后依据这些数据，进行反复实验，获得合理的技术参数，才可以着手进行产品设计，并且在设计过程中，还要模拟所有环境数据，经过大量计算，根据当地水文地理特质产生的复杂力学因素，反复实验，不断修正技术指标，获得产品各项机械加工参数和工艺手段，最终达到水利发电设计要求，这是其产品设计制造难度的关键。这一点，也是以往制约我国水利发电装备设计水平的主要因素。随着大数据技术与VR技术在生产科研领域的深入应用，利用计算机和VR技术构建虚拟数据产品资源库，进行大型、特大型工件模拟加工和虚拟现实技术准确还原水利设计各项复杂参数，减少人工测量出现的误差传递和重复设计造成的产品修正，用精确的技术手段省时省力的设计制造出一流的水电产品，是现实生产中的技术飞跃。

（三）VR技术

1.什么是VR技术

VR是Virtual Reality的简称，中文翻译是虚拟现实。VR技术其实很早就被提出，VR技术刚刚问世的时候还只局限于图像上的仿真技术，但是随着后来技术的发展和人类需求的不断提升，VR技术开始结合各种科技手段，能够通过计算机系统的处理让人感受到虚拟的真实感，这里的虚拟指的是人为的。VR技术最重要的就是其交互技术，能够让体验者模拟进行真实的互动。虚拟技术的核心之一就是建模与仿真。

2.VR技术在工业中的应用

目前VR已经应用到了汽车设计、制造、组装及销售等环节。可以利用VR使概念具体化，让客户用眼睛直观的观察汽车。而在内饰方面，也可以借助VR真实地感受各种配件的合理性、使用便利性、人机界面操作的友好性。在没有实物的设计中置身于汽车实体，从而进行各种细致专业的调整。现在福特公司已经利用VR进行安全测试了，将虚拟现实技术与人体工程学设计结合，我们通过收集的大量数据，通过计算机的系统进行模拟组装工作，模拟的过程就可以提前知道工作中会产生哪些问题，这样就可以对工人进行针对性的培训，避免过度疲劳或受伤的情况出现。

还有公司推出了不同的仿真项目：航海训练仿真、海军作战仿真、水利工程仿真等。VR船舶设计虚拟仿真系统就是利用VR技术将船舶模型在计算机技术的支持下进行三维再现，不仅可以在虚拟场景中对船舶进行设计、制造、组装、并且能够直接进行全真模拟的性能测试，在人工设定的假象环境中真是的进行检测，但是又不会对物体造成损害，充分的满足客户需求，还在船舶维护管理、操作培训、安全培训、多角度市场宣传等很多方面发挥更多作用。

3.VR建模

VR建模有很多种不同的方式，目前使用的一些基本建模方法主要有几何造型、扫描仪扫描、基于图象等几种方法。几何造型是三种中比较传统的方式，在其他设备条件还不允许时几何造型建模几乎是唯一的建模方式，几何建模就是利用电脑建模软件，根据相关的操作在建模软件中进行建造。目前常用的三维建模软件不下几十种，用于工业造型的如rhino（犀牛）、Alias（工业设计和A级曲面建模软件）、3dsMax、ProE（野火）、UG等，这些软件在汽车、电子、造船、航空、机械等领域分别有着强大功能，帮助工程设计人员完成从平面到立体的图形设计。扫描仪扫描通过专业的三维扫描设备进行全方位的电子扫描，扫描仪能够直接的对问题的几何数据和外观数据进行分析，这些数据直接的可以被使用。扫描技术在很多领域都会用到，例如工业设计、地貌测量、医学信息、电影制片、游戏创作等领域都有使用到扫描技术进行模型构建。三维扫描仪分为接触式与非接触式，目前多使用非接触式三维扫描仪。其中非接触式的扫描仪也根据其原理不同分为拍照式和激光式扫描，两种方式都有自己的特点和适用范围。

拍照式扫描仪顾名思义，是把三维拍照技术运用到扫描工作当中，采用的是非接触白光技术，不用直接的接触物体就可以对模型进行科学的测量，测量物体的材料没有任何限制，测量扫描的过程大致是，同时用多个镜头对被测物体进行拍照，还要进行被测物体的翻转和移动来保证被测物每一处都被测量到，得到的大量图片信息会有专门的，图像处理系统进行拼接处理，简单的过程就可以将难以测量的物体测量完成。这里使用的拍照镜头都是高级别的，在获取表面的数据时还能够了解到物体表面纹理的信息，直接得到接近真实的物体，拍照式扫描仪在制造行业中使用广泛。激光手持三维扫描仪，采用635 nm的红色线激光闪光灯，配有一部闪光灯和两个工业相机，工作时将激光线照射到物体上，两个相机来捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在物体上会发生反射和折射，然后这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。在扫描仪移动的过程中，光线会不断变化，而软件会及时识别这些变化并加以处理获得三维模型。

三、研究方法

（一）VR技术构建“天发水电”产品库所需技术

构建“天发水电”VR产品库，离不开CAD＼3DMAX＼C++这三个平台，再有就是利用激光测量仪器进行产品外形数据采集，使用传感器进行各种环境数据采集，另外就是建立技术数据中心和图形工作站通过网络技术构建数据库和数据仿真，人体对环境仿真的感知可通过人机接口技术和多媒体技术进行实现，如果从产品生产和成本出发，这方面可以暂缓考虑。

（二）“天发水电”VR产品库的构建

1.CAD数据库向3DMAX数据库转换

VR技术的核心就是三维图像建模，“天发水电”VR产品库的构建的技术关键是将积累的50年的停留在二维CAD层面的水力发电设备制造技术储备数据转化为可视化三维立体图形，并且企业具备大量CAD设计技术人员。CAD平台具备成熟的3DMAX数据转换端口，因此利用现有数据和技术力量，在3DMAX平台可以实时有效的建立三维产品数据模型，并且避免了数据筛选造成的大量无效劳动。但必须加强3DMAX平台技术人员机械设计与机械工艺能力，保证VR建模与渲染的科学准确。

2.三维图形工作站选择

三维数据模型的建立必须依靠成熟的图形工作站，即便是CAD＼3DMAX数据转换，也需要可靠地图形工作站进行渲染，据笔者经验，选择惠普Z840图形工作站。该工作站采用专业级英特尔至强E5 2 600 v3处理器，有4核至18核等不同选择，主频从1.6 GHz至3.5 GHz，具有双显示器专业级3D显卡，显卡缓存最高达12G，外部扩展丰富，采用USB3.0输入，多种通信端口选择，显示器从专业级到背光显示器多种选择，存储环节具有电池备用单元，在意外断电情况下，保证数据安全，LSI MegaRAID阵列卡技术，能够可靠的进行数据恢复和还原。选择该型工作站可进行各种复杂图形设计与渲染，完成虚拟数据三维构建，将“天发水电”公司所有产品从二维CAD数据转换为3D模型，并进行材质、外形尺寸、相互关系、运动路径、环境数据的渲染，完成真实的可视化的数据还原与模拟，让产品的实体面貌呈现在设计制造的全过程，并且按照需要修改任意数据时，实时观察设计变化结果。

3.数据库建设与c++

产品数据库建设是本文论述的根本，没有大量的数据做基础，就无法有效的建立产品模型，更无法按照需求虚拟产品设计最佳方案。但数据库建设涉及服务器建立、负载均衡、数据计算、函数计算、加密安全、数据安全等专业技术，百度、腾讯等公司提供完善可靠的技术服务，“百度云”“阿里云”概念先进、技术成熟，可将数据库委托建设，无论从时间上、经济上、还是技术管理上都是十分划算的。

c++是目前使用最多的編程语言之一，c++既有c语言完美的编程设计功能，还能够对编程对象进行抽象处理，并且c++语言能够进行多态的程序设计，这是传统c语言不能够达到的效果，c++是一种注重过程的编程语言，这在编程时能够更加简单，所以产品库的人机交互必须通过c++程序完成，产品的数据修改端口、模拟加工端口、模拟运行端口、环境模拟端口等都需要c++程序完成，因此，“天发水电”产品库建立的技术关键是完善的产品数据库、准确的三维建模和c++程序人机交互的紧密贴合。图2-4为水利发电设备VR展示图例。

四、研究意义（利用VR技术构建“天发水电”产品库的意义）

（一）从传统产品设计上升为建立虚拟工程

利用VR技术构建“天发水电”产品库就是采用虚拟工程的方法对现有开发和生产过程进行生产前仿真模拟和印证，并且随着设计的进行随时修改数据，获得实时数据链，节省大量设计劳动及不同设计环节数据修改造成的误差传递。此外，现代3D、4D可视化技术不断进步，此项技术帮助人们看见原本无形的现象，并及早对其进行验证，从而实现新的水电产品特性和功能；虚拟工程的投入使用让人们可以切实、直接的体验尚未投建的水电设备处在实际水文环境中的真实功效。

（二）便于技术交流与产品推介

利用虚拟现实技术，可以让客户360度的观看机械内部构造和使用方法等，同时还能把设备的检修保养、故障判断维护教程一并演示给客户，这样不仅可以保证设备正常运行，还能更便捷的维修设备，便于技术交流与产品推介。总结下来，VR技术的优点有，（1）便于携带，有效宣传。对机械设备企业而言，最大的困难莫过于携带大型工具去展示，不仅浪费人力物力，还可能对设备造成损坏。那么应用VR技术之后，可以以影片、视频、动画等方式展示给客户，大大的缩短了时间和空间，有效的降低了成本。（2）有利于命中项目，招投标。VR的出现，已经打破了无法拍摄产品内部结构、单靠文字和CAD图纸说明的瓶颈，可以更加生动具体的为客户解释产品特性和优势，让客户在短时间内了解产品及其优势，从而增加中标的几率。（3）降低风险，提高设计成功率。利用VR术可以将复杂的设计过程、机械形状和功能等逼真地展示出来，还能将一些危险系数较大的工程以三维动画的形式展示出来，真实模拟水电产品在真实水文环境中的运行效果，降低新品开发风险，提高设计成功率。