全文摘要
在航空航天、汽车交通、轨道交通、船舶、核工业等领域，存在一些体量大、制造周期长、结构和工艺复杂、实物验证费用高昂的产品。为了提前排除安装问题和设计缺陷，严谨的仿真与验证是至关重要的。工艺验证在产品的整个生命周期中扮演着关键角色。
在这个过程中，大量的试装样件生产是必不可少的，这意味着需要投入大量的时间和经费。然而，利用VR虚拟现实技术，通过沉浸式立体大屏、高精度动作捕捉和三维交互控制手柄，我们可以在虚拟环境中进行虚拟工艺仿真和试装工作。这种方法大幅减少了实际样件的制作数量，同时帮助排查装配过程中可能涉及的人机工程问题。
采用VR技术不仅使得设计方案能够以数字化方式快速完成迭代和优化，还显著缩短了研发周期，降低了经费预算，减少了损耗风险，并提升了产品的竞争力。
一、工艺制造的痛点
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制作周期长：实物样件制作需要一定的时间，通常要数日至数月。 -
制作成本高：实物样件的制作需要大量的材料和人工成本。 -
时效性差：无法快速反映设计方案的最新状态。 -
安全隐患：当新品验证或操作不当时，会发生不可预估的安全风险。
因此，虚拟现实将发挥特有的优势，即在虚拟环境下，快速进行样件的虚拟装配验证，当方案修改迭代时，可大量减少实物样件的制造，大量节省时间与人员的投入，同时避免了验证过程中的安全隐患。
二、工艺制造的核心需求
缩短研发周期：可以快速进行样件的装配验证，无需等待实物样件的制作。产品研发和迭代的速度可得到显著提升，从而满足设计方案快速迭代后的装配验证需求。
降低成本：可以在虚拟模拟阶段进行工艺验证和优化，减少实物样件的制作数量。节省大量的材料与人工成本，提高企业的整体竞争力。
实时更新：设计师可以快速调整设计方案，并实时查看效果。大幅提高设计效率，避免了因实物样件制作周期长而导致的无法快速响应方案变化的问题。
降低安全隐患：有效避免新品验证或新手操作不当导致的不可预估的安全风险。同时，验证结束后，可将结果输出，对员工进行培训，提高其操作技能和安全意识。
更具人性化设计：将操作人员舒适性纳入到工艺装配考虑因素中，提前进行操作人员装配可行性、舒适性、疲劳性分析，优化工器具与结构设计。
三、工艺制造VR解决方案
为了解决传统验证方式存在的问题，本文提出了一种基于VR虚拟现实技术的工艺仿真验证系统。该系统由软硬件搭配集成。
主要包含以下几部分：
立体显示屏：提供沉浸式立体评审环境，模型以1:1比例呈现在眼前，可进行模型结构干涉情况的查看与评审，可支撑多人参观汇报展示。
光学空间定位系统：提供高精度的定位追踪能力，在虚拟装配过程中提供人体追踪与样件追踪，提供真实的装配体验；主要包含：定位摄像头、全身动作捕捉套件等。
头戴式显示设备：提供接近人体真实视野的第一人称主视角评审能力；
虚拟显示评审软件（TechViz + 3DE / DELMIA ）：通过光学动作捕捉系统以及沉浸式现实设备定位和显示，在VR虚拟现实环境下，对设计方案进行数字样机评审、工艺装配等虚拟评审与仿真验证。
四、方案技术优势
与传统的验证方式相比，基于此技术路线进行工艺仿真验证具有以下优势：
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支持数据快速迭代：业务原有工程软件打开模型后，虚拟现实评审软件可将该模型直接以VR方式呈现到立体显示屏或头戴式显示设备中，并提供1:1比例沉浸立体式的体验与评审。无需进行数据的另存、加载、打开等操作。且在原工程软件中模型的修改，均可即时同步到VR视图中，节省了大量的数据准备工作。 -
兼容多种业务软件：虚拟现实评审软件支持与当前制造业领域常用工程软件结合使用，例如：3DE、DELMIA、CATIA、UG NX、Creo、SolidWorks、VRED、DELTAGEN等，均支持直接将工程数据以VR方式呈现，无需数据转换操作。 -
逼真的装配体验：基于虚拟现实评审软件，均可在以上软件模型装配中，体验到真实的装配过程，可观看到自身的肢体动作，其他协同参与人员的动作姿态，以及装配样件的状态与操作感受。 -
兼容多种可视化环境协同验证：除基础的立体大屏和头戴式显示设备外，此系统可支持多种不同的可视化环境，进行本地、异地的协同验证，例如：投影、LED方式的CAVE、Powerwall，立体电视、VR头显、ZSpace等环境。
五、方案应用场景
设计方案装配验证：使用虚拟样件或虚实联动的半实物样件，进行装配可行性、操作方便性、操作空间验证。无需大量生产实物样件，快速完成工艺验证。
人机工程分析：通过模拟真实的装配任务，主观体验装配舒适性与可行性。结合人机分析软件，评审装配过程中人体的疲劳度与安全性。
装配作业指导：将经过装配验证的可行性工艺流程方案，进行记录，输出第一人称视角、第三人称视角的装配过程文件，如图片、视频等，用于指导制造部门的安装与维修。
六、方案业务价值
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提高研发效率：通过在虚拟环境中进行工艺装配验证，企业可以快速检验和优化设计方案，缩短研发周期。在实际制造之前，企业可以在虚拟环境中发现问题并进行调整，降低因实物样件制作和实际装配过程中出现的问题导致的研发成本。 -
降低装配风险：在虚拟现实环境中进行装配验证，可以模拟各种复杂情况和操作失误，帮助企业提前发现潜在的安全隐患。通过预先规划装配顺序和路径，避免在实际装配过程中发生意外，确保生产安全。 -
节省成本和资源：虚拟现实技术可以减少实物样件的制作数量，降低材料和人工成本。同时，通过在线培训和虚拟装配模拟，企业可以节省实际操作中的培训成本和时间。 -
提高产品质量：在虚拟环境中进行装配验证，可以实时监测产品质量，快速发现和解决潜在缺陷。从而提高产品质量和稳定性，降低售后风险，提升客户满意度。 -
优化生产流程：通过虚拟现实技术，企业可以模拟和优化生产线布局、物流运输等生产环节，提高生产效率。 -
促进协同创新：虚拟现实技术可以为企业内部以及与合作伙伴之间提供共享的虚拟空间，便于开展协同设计、研发和生产。通过实时交流和共享信息，提高创新效率，缩短产品上市周期。 -
提升员工技能：通过虚拟现实技术进行培训，员工可以在安全、高效的环境中掌握复杂的装配技能，提高工作效率。同时，虚拟现实技术还可以帮助企业评估员工培训效果，制定更加有效的培训计划。
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