Инновации крайне важны для успешной работы компаний на современном мировом рынке. Конкурентное преимущество может быть достигнуто за счет эффективного применения новых технологий и процессов для решения задач, возникающих в текущей практике проектирования.
Прототипирование и оценка являются неотъемлемыми этапами текущего процесса создания продукта. Хотя методы компьютерного моделирования и анализа в настоящее время используются на разных этапах, создание уникальных физических прототипов делает текущий типичный процесс очень дорогостоящим и трудоемким. Необходимы новые технологии, которые могут помочь промышленности быстрее и эффективнее принимать решения. За последние два десятилетия технология VR вышла на новый уровень развития. VR изменила взгляд ученых и инженеров на компьютеры для математического моделирования, визуализации данных и принятия решений.
Технология VR сочетает в себе несколько человеко-компьютерных интерфейсов для обеспечения различных ощущений (визуальных, тактильных, слуховых и т.д.), которые дают пользователю ощущение присутствия в виртуальном мире.
Это позволяет пользователям погрузиться в атмосферу, созданную компьютером, и взаимодействовать с помощью естественных движений человека. Конечная цель заключается в обеспечении невидимого интерфейса, который позволяет пользователю взаимодействовать с виртуальной средой так же, как он это делает в реальном мире. Это делает VR идеальным инструментом для моделирования задач, требующих частого и интуитивного ручного взаимодействия, таких как создание прототипов методов сборки.
Само понимание виртуальной сборки как :
использование компьютерных инструментов для принятия или помощь в принятии связанных со сборкой инженерных решений посредством анализа, прогнозных моделей, визуализации и представления данных без физической реализации продукта или вспомогательных процессов.
Ким и Вэнс в 2003 году описали виртуальную сборку как:
способность собирать CAD-модели деталей с помощью трехмерного иммерсивного пользовательского интерфейса и естественного движения человека".
Это определение включало в себя необходимость погружного интерфейса и естественного взаимодействия как важнейшей части виртуальной сборки.
Почему виртуальная сборка?
Планирование процесса сборки является важным шагом в разработке продукта. В этом процессе формализуются детали сборочных операций, которые описывают, как будут складываться различные детали.
Установлено, что сборочные процессы часто составляют большую часть стоимости продукта. Таким образом, очень важно разработать соответствующий монтажный план на ранней стадии проектирования. Хороший план сборки учитывает такие факторы, как минимальное время сборки, низкая стоимость, эргономичность и безопасность оператора.
Хорошо продуманный процесс сборки может повысить эффективность производства и качество продукции, снизить затраты и сократить время вывода продукции на рынок. Сегодня специалисты по планированию сборки обычно используют традиционные подходы, при которых трехмерные (3D) CAD-модели собираемых деталей проверяются на двухмерных (2D) компьютерных экранах с целью оценки геометрии детали и определения последовательности сборки для нового изделия.
Компьютерное планирование сборки (CAAP) - это активная область исследований, направленная на разработку автоматизированных методов создания подходящих сборочных последовательностей, основанных, прежде всего, на интеллектуальной идентификации и группировке геометрических элементов. Эти методы основаны на подробной информации о геометрии изделия, но не учитывают экспертных знаний монтажника, которые могут повлиять на процесс проектирования. Эти знания, основанные на предыдущем опыте, трудно обобщить и формализовать, и они могут быть достаточно обширными.
Предложено использовать иммерсивную виртуальную реальность для планирования последовательности сборки. Функциональность системы была продемонстрирована на примере передового электромеханического продукта в промышленной среде.
Недостатком компьютерных методов планирования сборки является то, что по мере увеличения количества деталей в сборке, возможные последовательности сборки возрастают экспоненциально, что затрудняет определение критериев выбора наиболее подходящей последовательности сборки для данного изделия.
Современные CAD-системы также используются при проектировании монтажных процессов. Системы требуют от пользователя определения информации об ограничениях для сопрягаемых деталей путем ручного выбора сопрягаемых поверхностей, осей и кромок для сборки деталей. Таким образом, эти интерфейсы не отражают взаимодействия человека со сложными частями.
Технология виртуальной реальности играет важную роль в моделировании таких сложных 3D взаимодействия человека и компьютера, предоставляя пользователям различные виды ощущений (визуальные, слуховые и тактильные), создавая повышенное ощущение присутствия в компьютерной среде. Моделирование виртуальной сборки позволяет дизайнерам импортировать концепции в виртуальную среду на ранних стадиях проектирования и проводить оценку сборки/демонтажа, что станет возможным только намного позже, когда будут созданы первые прототипы. Используя виртуальные приложения для создания прототипов, изменения дизайна могут быть легко включены в концептуальную стадию проектирования, оптимизируя таким образом процесс проектирования для сборки (DFA).
Виртуальный монтаж
Для проведения имитационного моделирования виртуальных сборок необходимо преодолеть несколько технических проблем: точное обнаружение столкновений, обнаружение и управление ограничениями между частями, реалистичное физическое моделирование, передача данных между системами CAD и VR, интуитивное управление объектами (включение обратной связи по усилию).
Моделирование виртуальной сборки при обнаружении столкновений представляет собой гораздо более сложную задачу, чем моделирование виртуальных сред, поскольку требует частого взаимодействия человека и моделирования в реальном времени с использованием сложных моделей. Монтажные задачи в реальных условиях требуют обширного взаимодействия с окружающими объектами, включая захват деталей, реалистичное манипулирование ими и, наконец, их установку в нужное положение и ориентацию.
Таким образом, для успешного моделирования такого сложного интерактивного процесса виртуальной среде необходимо не только моделировать визуальный реализм, но и моделировать реалистичное поведение части виртуальных объектов.
Например, графическое изображение объектов не должно накладываться и должно вести себя реалистично при воздействии внешних сил. Первым шагом в этом направлении является осуществление точного обнаружения столкновений между деталями .
Взаимодействие между компонентами. Обнаружение ограничений и управление ими.
В связи с проблемами, связанными с физическим моделированием (нестабильность, сложность достижения скорости интерактивного обновления, точность и т.д.), было предложено несколько подходов, использующих геометрические ограничения для виртуальной сборки.
Подходы, основанные на моделировании с ограничениями, используют геометрические ограничения между частями (обычно предопределенные и импортированные, или определенные на лету) для определения взаимосвязи между компонентами сборки.
Методы численного решения ограничений преобразуют ограничения в систему алгебраических уравнений. Эти уравнения затем решаются с помощью итеративных методов. Для обработки потенциально экспоненциального числа возможных решений требуются хорошие начальные значения. Хотя решающие устройства, использующие этот метод, способны работать с большими нелинейными системами, большинство из них имеют трудности при работе с перегруженными и недостаточно загруженными экземплярами и являются дорогостоящими в вычислениях, что делает их непригодными для интерактивных приложений, таких как виртуальная сборка.
Конструктивные подходы к ограничениям основаны на том, что в принципе большинство конфигураций инженерных чертежей могут быть решены на чертежной доске с использованием стандартных методов вытяжки. Хотя со сложными ограничениями легко справляться, исчерпывающие требования к вычислениям (поиск и согласование) этих методов делают их непригодными для реальных приложений.
Графико-конструктивные подходы основаны на анализе графика ограничений. На основе проведенного анализа формируется комплекс конструктивных шагов. Затем выполните следующие действия, чтобы расположить детали относительно друг друга. Графические конструктивные подходы являются быстрыми, методичными и обеспечивают средства для разработки надежных алгоритмов.
