基于工业机器人生产线的三维仿真关键技术数据构建研究

摘 要：当前，三维仿真技术已是“第四次工业革命”研发的核心技术，成为分析、研究各种复杂系统的重要工具。国外已将其作为常用的规划设计和分析手段，运用到制造业、工程机械、航空航天等领域，而在国内，该技术的应用基本处于起步阶段。随着全球化经济竞争的日益激烈，国内制造业企业面临着转型或升级的问题，对企业来说，规划与设计一个直观、高效、科学、节能、安全的三维可视化评估方案尤其重要。因此，三维仿真关键技术的研究与应用具有很强的现实意义。

关键词：三维仿真；机器人生产线；工业4.0

中图分类号：TP242.2；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）04-0173-03

Research and Application of Key Technology of 3D Simulation Based on

Industrial Robot Production Line

ZHU Dongyong

（Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering，Hangzhou 310053，China）

Abstract：At present，3D simulation technology is the core technology of the “fourth industrial revolution”，which has become an important tool for analyzing and studying all kinds of complex systems. Abroad has been used as a common planning design and analysis tools，the use of manufacturing，engineering machinery，aerospace and other fields. In China，the application of this technology is still in the initial stage. With the increasingly fierce competition in the global economy，the domestic manufacturing enterprises are facing the problem of transformation or upgrading，for enterprises，planning and designing an intuitive，efficient，scientific，energy-saving and safe three-dimensional visualization evaluation scheme is particularly important. Therefore，the research and application of key technologies of three-dimensional simulation has a strong practical significance.

Keywords：3D simulation；robot production line；industry 4.0

0 引 言

我國在经历了改革开放以来的经济高速增长后，制造业结构的不合理问题越发突出，如今国家工业4.0概念提出，引领国内制造业向工业化和互联网化融合道路发展，面对大部分劳动密集型企业产业结构转型的需要，急需推动工业机器人生产线进程，而规划与设计工业机器人生产线是众多劳动密集型企业要迫切解决问题。因此，对企业来说，提供一个直观、高效、科学、安全、节能的工业机器人生产线规划与设计方案尤其重要，而三维仿真技术无疑为转型或升级企业的决策提供了重要参考依据。

1 三维仿真技术的内容

三维仿真技术又称三维虚拟技术，是指以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基础，运用计算机技术生成的一个逼真的、具有多种可视的虚拟环境。简单地说，三维仿真技术是对系统模型的一种试验技术，其实质是进行建模和实验。它利用计算机技术提供了一种计算工具和分析工具，是解决许多问题的一种实验性新方法。就三维仿真本身而言，它的主要研究内容为：

（1）通过计算机图形方式建立动态的三维可视化效果；

（2）建立对虚拟世界的观察界面；

（3）使用虚拟现实技术加强诸如科学计算技术等方面的应用。

2 面向食品机器人生产线三维仿真关键技术的数据构建

在食品机器人生产线三维仿真设计中，构建了三维仿真关键技术数据，主要包括结构原理分析技术、三维建模关键技术、三维动画关键技术、三维场景渲染关键技术、后期合成关键技术，三维仿真关键技术数据构建如图1所示。具体利用三维仿真技术全方位展示食品机器人生产线的运转原理、工艺布局、装配输送等过程，以达到生产线的改造与升级，提高生产效率与产品品质。

2.1 结构原理分析技术

在结构原理分析技术中，运用“MAS多体分析”方法分析食品机器人的外形和内部构造，把机器人设计原理、工作过程、动力系统、性能特征等通过相关数据图表呈现出来，为三维仿真设计做好前期工作。“MAS多体分析”方法主要包括静力学分析、驱动学分析、动力学分析、装配体分析、逆动力学分析（反向动力学分析）、线性系统分析。MAS多体分析系统如图2所示。

2.2 三维建模关键技术

三维建模关键技术是通过运用Maya软件创建三维模型，力求各部件结构准确，同时需要解决大数据建模运算与计算机硬件资源有限性的问题，为此在三维建模中，可以通过以下方法减少模型运行数据量，提高模型制作品质与效率：

（1）采用“软边”技术。通过“分类比较法”（分类比较法实例如图3所示），发现“倒角细分技术（A-模）”与“平滑细分技术（B-模）”这两种技术难以使机器人模型质量达到平衡点，蓝模面数少但质量差，黄模质量好但面数多的问题，通过技术创新，把游戏软边技术应用到机器人模型中，实现机器人模型软边效果（C-模），既能控制面数，又能达到工业级产品质量；

（2）采用“交互式显示”技术。该技术能够在交互操作中让模型以线框显示，操作结束以实体显示，极大地节省了操作中运行的数据量。

2.3 三维动画关键技术

三维动画关键技术主要包括运动控制系统设定和动画制作技术。首先，需为机器人设定运动控制系统或称为绑定系统，通过骨骼、晶格、簇、变形、脚本等工具命令设置各运动链正向、反向、驱动、阻能等功能，然后使用蒙皮技术，让骨骼等控制器驱动机械模型；其次，在动画制作中采用“逐帧关键帧”方式，使仿真动画精准度大幅度提高，同时创新动画制作技术——“机械动画分层非线性技术”，它使不同组件动画数据存储在动画层里，不受时间线约束，可以反复调用动画数据，此技术有效节省了项目制作周期，也节约了成本。

2.4 三维场景渲染关键技术

三维场景渲染关键技术主要涉及场景预渲染技术。场景预渲染（Render）是三维虚拟图形学的专业术语，它是利用GPU从模型生成图像的过程，涉及三维物体的几何、纹理、颜色以及照明信息描述。在场景渲染中，采用Mental ray渲染器渲染，它能实现三维仿真高质量效果，但需要解决大数据物理渲染与计算机硬件资源有限的问题，经大量数据实验与分析，使用“分布节点式”渲染方法（如图4所示），它是基于大数据云计算的概念，可以将一个或者多个渲染任务分割成若干部分，由集群中各节点同时渲染，从而达到快速渲染和提高制作效率的目的。

2.5 后期合成关键技术

后期合成关键技术主要利用特效软件制作合成效果，利用基于“层”概念的时间线操作的非线性特效软件AE，它能快速实现工业级后期处理效果，同时存储特效数据以快速调用，另外它还具备调色、校正色彩的性能，能够满足设计要求。

3 结 论

三维仿真技术应用能够有效为工业机器人生产线设计、检验、安全措施等方案的制定提供一个可视化、多角度、全方位的演示环境，使企业决策者能够审视与检验项目方案，从而缩短企业生产线的研发周期，大幅度提高企业的经济效益，促进企业加速技术更新，加快从产业链低端向产业链高端方向的发展，同时该课题的研究与应用也能反作用于教学改革，促进动漫专业人才培养朝多层次方向发展。

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作者簡介：朱冬勇（1980-），男，浙江宁波人，硕士研究生，动漫专业带头人，研究方向：三维动画、虚拟现实。