工程模型在智能制造可视化中的应用分析

张东明，刘海娜

(黄河交通学院，河南 焦作 454000)

0 引言

2015年5月提出《中国制造2025》以来，智能制造的概念一次次进入人们的视野，并被不断地补充和完善，各领域的制造业也都在不断地进行智能化升级改造，遍布全球的智能化工厂也都在设计与重建。智能制造具备自主状态感知、数据实时分析、系统自主决策、命令精准执行、平台自我优化等一系列特征，基于并引导大数据、云计算、可视化等创新型科技领域发展。其中可视化表达是智能制造系统与操控者之间进行人机交互的窗口，可视化表达是否友好直接影响智能制造系统的运行及操控的效果，因此可视化技术也逐渐被人们重视并发展成一个独立的学科，如何让系统拥有高质量的可视化表达质量也逐渐成为一个重要的课题。为此，本文依托河南省智能制造技术与装备工程技术研究中心和焦作市物料输送设备关键件制造工艺与装备工程技术中心对工程模型在智能制造可视化中的应用进行了分析研究。

1 可视化模型的要求分析

作为智能制造系统中的重要元素，可视化模型必须具备高度的准确性，杜绝因模型误差带来的操控失真感或丧失指令执行的精准性；作为主要的人机交互窗口，可视化模型必须具备较好的可欣赏性，增强系统的操控感和交互性；受服务器硬件发展的限制，可视化模型必须要足够的轻量化，才能为智能制造的分析和运算节省更多的资源空间，使智能制造平台系统的运行更加流畅。

2 可视化模型的发展瓶颈

工程设计模型是一种精确的边界描述(B-rep)模型，它通常会含有大量的几何信息，随着这些几何信息的不断更新和完善，单纯地想要通过提高计算机的物理性能达到直接使用工程模型进行系统仿真、可视化呈现的目的基本上是不可能的，必须将工程模型进行轻量化，以达到系统仿真模型的快速交互、即时响应、实时渲染。3dmax具有强大的设计功能，可以完成复杂模型的建立；具备多种数据接口，可以完成不同工程模型的转换并实现多种模型的呈现和兼容；具有良好的操作界面并具备强大的图形处理引擎，可以完成质量较高的可视化模型设计制作；可以通过自身工具插件进行模型轻量，配合场景开发引擎中的多模切换、视差处理等技术手段，轻松完成可视表达中的模型呈现，成为目前应用于可视化模型制作的主要工具之一。相比于3dmax制作的模型，工程模型图像处理功能就显得不足，往往无法表达出最佳的视角效果。但工程模型结构更加接近实物、数据更加精准，几乎可以完整还原工程装备的所有信息，并可以将实物不能反馈的数据信息打包整理，存入平台系统数据，使可视化的数据的呈现更加精准。但由于工程模型包含的信息量过大，在进行可视化开发的过程中无法直接使用，系统往往要分配较大的资源去处理工程模型的加载、渲染、信息匹配等展现方式，在这个过程中有可能侵占系统的运算资源，致使智能制造系统出现不良反应，达不到智能制造可视化设计的初衷。

在目前智能制造的可视化建模过程中，往往由3dmax设计人员对比参照实物或者工程图纸进行模型重建，不仅浪费了大量的时间和精力，且建模精度低、误差大。由于重建模型的人员往往不是机械设计专业，其知识系统与专业的装备设计人员之间可能出现不对等，因专业间差异导致的模型精度差的情况不可避免。因此在智能制造可视化中，想要得到专业精准的可视化模型，就必须从工程模型出发，通过工程模型细分层次、拓扑转换，将复杂完整的工程模型整体分解为多个层次的二级模型，针对单个模型文件使用多种模型轻量技术，并结合计算机分布加载、场景切换等技术，完成智能制造可视化中的多种模型制作。而基于工程模型开发完成可视化模型正是工程模型在智能制造中的应用，是工程模型在设备运维阶段应用的开始，拓展了工程模型的应用领域，使工程模型真正进入一个全生命周期时代。

智能制造本身就是一个多学科融合的系统，那么对于可视化模型的制作也是一个多学科融合的工作。在可视化模型中包含设备、建筑、绿化场景等多种模型，分别对应着机械设计、土木工程、游戏设计等多种高校培养专业。这些专业在高校中分属于不同的院系，想在学校完成此类复合型人才的培养，难度较大。只有通过在行业中的不断融合碰撞、沟通学习，才能逐渐培养出高质量的可视化建模人员。

3 工程模型在可视化模型转换中的应用方法分析

根据系统设计的内容不同，模型展示内容往往有很大差别，因此每种场景对模型的要求也不相同。在对生产工程整体呈现时，模型需要表现设备的位置、上下游链接关系、设备的大致轮廓等内容，配合系统UI设计出智能图表，更好地表达数据统计内容，增强可视系统的饱满度。该场景中要求呈现更多的系统模型，而受到摄像机高度的影响，模型又不能够看得非常清楚，只能看到整体外观，结合计算机性能限制，可以在此处选用低精度模型(下文简称低模)进行呈现。而当场景切换时，需要呈现具体设备的运行参数和运行状态时，对设备的外观结构和色彩表达的准确性有了较高要求。这时系统通过辅助UI图标配合呈现模型可视内容，增强了系统数据的可读性和交互性。该场景对模型要求就相对较高，必须制作出能够完全表达出外观结构及局部细节的中精度模型(下文简称中模)。当场景进入设备爆炸视图，进行设备结构详细分析时，操作者主要通过可视模型完成对设备结构和零部件的信息读取。这时就需要制作出与设备零部件结构、材质、色彩完全一样的高精度模型(下文简称高模)，以帮助操控者更加直观快速地理解设备实体。工程模型转化为可视化模型的具体方法如下：

(1) 确定场景功能。在可视化模型制作前，首先要求智能制造系统设计师完成模型功能应用场景设计，针对不同场景的具体要求，利用工程模型制作对应的可视化模型。

(2) 删除场景中不可见工程模型。对于在场景中不需要展示的模型，可以通过工程模型建模软件进行快速的模型特征删除。针对模型的细节也要进行精度调整，在不影响模型表达的前提下，将模型圆角调整为直角，减小模型多边形数量，减轻后期模型轻量化难度。而由精度误差导致的小尺寸凹凸及圆角可以通过后期的图形视差来呈现。当然对于场景要求的模型细节应该予以保留，对于场景中不可见的隐藏零部件，在软件中应进行删除。在可视化中不需要分解的部件模型，可以在工程软件中进行零件压缩，将功能要求中的最小部件压缩合并成为零件模型文件，同时这也是工程模型交付的基本条件。

(3) 数据导入并进行数据编码。工程模型保存成.fbx数据格式导入3dmax。原有材质信息应该一起打包转换，这样使得后道工序的设计师能够更加快速准确地获取模型的材质和外观参数，降低模型制作中的误差，缩短模型制作时间。在3dmax中对导入的工程模型进行分类编码，方便在3dmax中分层分组地快速选择和贴图。在整个系统模型制作中，模型应该有统一规范的编码，方便系统对模型的读取。

(4) 模型修整及轻量化。对于模型中有栏杆类模型的，应该在贴图前进行模型替换，利用平面素模加栏杆贴图的方式代替栏杆类模型。对于有大量圆形管道或者圆弧面的模型，应该通过3dmax的插件工具进行模型轻量化，降低圆弧细分段数，利用贴图视觉效果获取高质量弧面视觉效果。

(5) 模型贴图。利用Photoshop软件制作模型贴图、凹凸贴图、法线贴图等，将制作好的位图及凹凸贴图按通道贴到制备的模型中，可获取可视化高精度模型。为保证可视效果的真实性，贴图素材可以利用厂家设备照片进行制作。在3dmax中对每一个部件模型进行贴图，然后再进行模型的组装，从而获得所需要的高精度、高质量模型。

(6) 高模拓扑低模。利用制作得到的高精度模型来制备中模和低模所需要的单面贴图。通过3dmax进行模型拓扑或重建，获得中模和低精度模型素模，以保证设备结构的主要结构和尺寸。将高精度制作得到的贴图以及凹凸贴图贴到低模上进行渲染，以获得高精度模型的视觉效果。此类模型是通过视差及光影表现来完成高精度模型中的常用造型效果，使用过程中应该注意灯光和视角的设计，不同的灯光效果和视角效果会出现视觉差异。在系统呈现时，通过模型的切换，完成在不同视角下的模型呈现。

利用工程模型制作多种可视化模型，在系统呈现时通过加载手段进行多模型切换，大大降低了计算机在进行模型加载和渲染时的负荷，从而在良好的呈现效果和计算机硬件升级中寻求一个平衡点。

4 工程模型开发应用的意义

工程模型在装备设计和制造领域有着广泛的应用，它凭借着三维设计的优势，工程模型几乎已经打通了智能设计、智能制造、智能装配等机械工程加工领域的全生命周期。随着中国制造2025的提出，下游智能制造的不断升级，机械工程装备的运维管理必将成为中国智能制造的又一重要课题。机械工程装备的可视化是智能制造展示的窗口，如何做好可视化展示，构建良好的人机交互平台也将是机械装备领域要探究的课题，它同时也是机械装备应用领域对工程模型进行全生命周期开发中补充和完善的重要环节。