基于VEGA的装配型生产线三维仿真系统.pdf

第 39卷 第 4期 2006 年 8 月 武汉大学学报 工学版 Engineering Journal of Wuhan University Vol. 39 No. 4 Aug. 2006 收稿日期 20060220 作者简介 陈锦昌 1956, 男, 广东南海人, 教授, 主要从事工程图学、 计算机图形学方面的研究. 基金项目 广东省广州市天河区科技局科技攻关项目051G029 资助. 文章编号 167188442006 0406603 基于 Vega 的装配型生产线三维仿真系统 陈锦昌, 许有源, 姜立军, 李哲林 华南理工大学机械工程学院, 广州 510640 摘要 根据实际生产线多样的布局方式及其运作特点, 基于 Vega 的装配型生产线三维仿真系统采用面向对象 技术研究了生产线的布局以及生产线运作过程的动态三维仿真. 基于 Vega 三维虚拟平台, 系统实现了由二维图 形数据动态布局三维生产线、 生产线上产品加工路径的动态选择和产品间的动态碰撞检测等功能. 本研究的三 维仿真系统可为企业生产线布局及决策提供支持. 关键词 计算机应用; 三维仿真 ; Vega ; 生产线 中图分类号 T P 391. 9 文献标志码A 3D simulation system of assembly production line based on Vega CHEN Jinchang, XU Youyuan, JIANG Lijun, LI Zhelin College of M echanical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China Abstract Because of the various layouts and operational characteristics of production line, a 3D simula tion system of layout and operational process of production line is researched with objectoriented tech nology. 3D production line positioned by 2D graphics data, dynamic selection of products processed path and dynamic collision detection among products make up of the system. The 3D simulation of this research can provide some help of the production line layout of enterprises. Key words computer application; 3D simulation; Vega; production line 生产线布局与其生产过程除具有复杂性、 随机 性、 非线性外, 还具有不可预测性、 动态性和投资风 险性. 因此, 在设计中难以评估其系统设计、 运行、 生产节拍等, 从而做出确实有效的设计与决策. 由 于竞争日益激烈, 传统的生产线布局设计与决策方 法成本高, 速度慢, 难以满足企业的需求. 虚拟现实 与仿真技术为生产线的工艺布置提供强有力的支 持工具, 使得生产线设计在虚拟环境下逼真地再现 生产线布置、 运行过程、 智能控制过程, 因此虚拟仿 真技术已成为制造技术领域的研究热点 [ 1] . 目前国内的生产线三维仿真研究主要涉及的 方面为单线型生产线 生产线上无分叉 , 在这样的 仿真生产线中没有涉及到产品路径的动态选择; 并 且这些研究基本都没有对生产线上产品间碰撞检 测进行判断. 课题进行了多线型生产线 生产线上 存在一些分叉 的三维仿真研究, 解决了多线型生 产线上产品加工路径的动态选择以及生产线上产 品间的碰撞检测问题. 为了简化生产线的设计问题, 调度理论的研究 中通常要使用一些假设. 最常用的有以下几条 1 机器从不发生故障, 而且人力资源总能够 满足生产要求. 2 任何时点上每一台机器最多只能加工一 个作业. 3 任何时点上任何作业只能在一台机器上 加工. 第 4 期陈锦昌等 基于 Vega 的装配型生产线三维仿真系统 4 所有机器准备时间为零, 即所有作业能立 即进入加工. 5 不允许加塞, 一旦一个操作开始, 就不能 停止, 直到完成. 6 加工时间与加工次序无关. 7 任何地点的加工时间和技术上的约束都 事先确定并且已知, 交货期亦然. 满足这些假设的问题一般称为基本问题, 而还 有一些问题不能满足这些假设, 或者还需要额外的 条件, 称作非基本问题 [ 2] . 本研究通过 Vega 三维虚拟平台, 结合 Vc 6. 0考虑了上面的假设, 开发了具有二维图形数 据动态布局三维生产线、 生产线上产品加工路径的 动态选择和产品间动态碰撞检测判断功能的生产 线的三维仿真系统. 1 系统开发工具 1. 1 Vega软件平台 Vega 是模拟虚拟现实和实时仿真的应用软 件, 它把先进的仿真功能和易用的工具结合到一 起. 软件先进的模拟技术和丰富的接口, 使得其能 够提供复杂的虚拟模型原型. 利用这些原型 如复 制对象、 设置和提取对象坐标, 等等 就能很方便的 实现一些生产线仿真系统所需的复杂的功能. Vega 这些先进技术与易用的接口都是由 c 语 言实现, 所以对 Vega 进行开发最好的语言是 c/ c , 本仿真系统是基于 windows 操作系统的, 所 以选用 VC 6. 0 作为开发工具. 1. 2 VC 6. 0 简介 VC 6. 0 是微软公司推出的一款功能强大 的开发工具, 其主要技术特点是可视化编程和面向 对象的编程技术. VC 6. 0 中 Microsoft 基本类 库 MFC 是将 Windows API 函数封装成了庞大 的类库, MFC 编程方法充分利用了面向对象技术 的优点, 它使得我们编程时极少需要关心对象方法 的实现细节, 同时类库中的各种对象的强大功能足 以完成程序中的绝大部分所需功能, 这使得应用程 序所需要编写的代码大为减少, 有力地保证了程序 良好的可调试性. 2 系统的总体框架 生产线三维仿真系统的基础是三维模型. 三维 模型用来组成整个加工场景以及动态仿真需求的 生产线和产品模型, 从而三维模型模块是系统的主 要模块之一. 因为 Vega 平台中无法实现模型的放大与缩 小功能, 从而无法实现在三维场景中进行拖拽式的 生产线布局, 本系统通过二维图形数据动态布局三 维生产线, 所以二维绘图模块是系统的主要模块 之一. 生产线仿真系统就需要模拟生产线的整个工 作过程, 这就需要程序来驱动三维模型, 所以程序 驱动模块也是系统的主要模块之一. 综上, 本系统具有的模块总体框架如图1 所示. 图 1 系统总体框架图 2. 1 二维绘图模块 二维绘图模块主要是由设计人员设计出的前 期生产线平面图组成, 其作用是用于提供动态布局 三维生产线的坐标数据. 二维绘图模块除了具有如 选择、 删除、 撤销、 重做等基本的功能之外, 还具有 生产线与符合本系统假设的一系列特性. 1 生产线以直线型为主, 所以在二维绘图模 块中都以直线表示, 并且相交直线间的角度都假设 成直角. 最简单的情况就是水平线与铅垂线, 这也 正是本模块所采用的生产线型式. 2 由于系统对二维绘图数据的存储需求, 生 产线相交处都以四条线段来表示, 并以箭头表示生 产线上产品运行的方向. 3 生产线本身的连续性使得后画的生产线 线段起点必须是前面已画任何一条生产线线段的 起点或终点. 4 系统中产品在生产线相交处需选择路径, 所以在设计二维平面图时需对各条线段赋予cost 67 武汉大学学报 工学版2006 参数. 5 生产线上的加工点位置由小圆来表示, 且 加工点的坐标必须属于表示生产线的线段. 在生产 线上确定加工点的坐标后, 还需指定产品加工点的 加工时间. 包含上述假设与特性的二维绘图模块典型情 形如图 2 所示. 由于生产线的形状结构如同数据结构中图的 形式, 所以画出二维图形之后, 通过二维绘图模块 将二维图形的数据 生产线各线段两端点坐标、 cost 参数、 线段的端点编号等 以图的数据结构形 式存储起来, 以便驱动模块使用. 加工点坐标及加 工时间等则储存成数组的形式. 图 2 二维绘图模块典型情形 2. 2 模型模块 系统的模型分为静态模型与动态模型. 静态模 型就是那些不需由驱动模块驱动的, 如房屋等. 动 态模块就是那些在系统运行之前都无法确定其数 量及其位置, 需由驱动模块生成的模块, 如生产线 与产品等. 静态模型与动态模型的原型由三维软件建立. 生产线只需建立一个单元模块, 利用 Vega 中对象 复制的功能, 将复制出的单元模块按照二维图形模 块给出的整条生产线坐标数据布局. 产品则可以以 一定的时间间隔 按照生产线的加工能力来定 来 复制模型并将其放置生产线上流动运行, 达到实现 生产线仿真的目的[ 3]. 2. 3 驱动模块 作为生产线三维仿真系统, 则模型的运动是最 基本的功能, 如产品在生产线的流动运行和观察者 在场景中的运动等. 生产线上的产品不是一直保持运动状态, 其 也存在静止的状态. 产品在以下两种情况下会出 现停止状态, 一是当产品运行到加工点被加工 时, 一是当产品前面有其他的产品堵住了生产线 时; 当产品被加工完毕或者生产线重新流畅了, 则产品又需要重新运行, 所以驱动模块中包含模 型制动模块. 由于生产线上各道工序的加工时间是不一致 的, 为了整条生产线的协调运转, 加工时间长的工 序就有必要安排多个加工点, 这样就形成了多线型 生产线. 多线型生产线就涉及到了产品加工路径的 动态选择. 生产线三维仿真场景中必定涉及产品的碰撞 检测. 虽然 Vega 本身带有的相交矢量功能是用于 碰撞检测, 但是此功能并不适合本系统. 首先此功 能只能用于 player 对象上, 而 player 对象本系统 并不采用, 其次在生产线上产品的碰撞是具有方向 性的, 而相交矢量实现这点比较困难. 所以驱动模 块中还包含产品碰撞检测模块. 综上, 系统的驱动模块是由模型运动、 模型制 动、 路径动态选择和碰撞检测等四大功能组成, 如 图 3 所示[ 4]. 图 3 程序驱动模块的组成 3 生产线三维仿真的实现 本系统的简单应用实例如图 4 和图 5 所示. 设 计人员在图 4 的二维绘图模块中设计出生产线的 平面布局图, 图中包含了路径的端点坐标、 cost 参 数、 加工点的坐标以及加工时间等等. 图 5 则是取 得了二维绘图模块中所保存的数据, 经由程序驱动 模块对生产线进行的三维仿真. 4 结 论 本系统实现了生产线的二维动态布局, 产品 的移动、 制动、 路径选择和碰撞检测等驱动模块 的功能, 从而实现了生产线的三维仿真. 通过对 生产线的三维仿真, 可以更直观地分析与预测生 下转第 142页 68 武汉大学学报 工学版2006 算法有质的飞越, 在运行效率上较后者要快. 此外, 布尔运算法相对另外两种算法更易被各种三维造 型软件所适用, 因此也具有更为灵活的发展空间. 表 1 三种算法的效率比较 算法生成时间/ s 传统算法109 布尔运算法38 块结构迭代法3 注 测试在相同配置的 PC 上进行 3 阶 Sierpinski 海绵模型的 生成; 测试所用的 CPU 主频为 Intel Pentium IV 2. 40GHz; 所用时 间已包括渲染时间在内. 参考文献 [1] 周作领, 吴敏, 赵燕芳, 一类广义 Sierpinski 海绵的 Hausdorff 测度[ J] , 数学年刊, 2001, 22A 57 64. [2] 孙博文. 分形算法与程序设计 Visual Basic 实现 [ M], 北京 科学出版社, 2004 6, 391341. 上接第 68 页 图 4 生产线平面布局图 图 5 生产线仿真实例 产线的生产能力, 发现系统瓶颈, 可预见生产线在 不同调度策略下的性能, 从而为系统运行选择较好 的调度方案. 本研究可为企业生产线布局及决策提 供支持. 参考文献 [ 1] 邹湘军. 虚拟环境下的生产线三维动态仿真及其建 模[ J] . 组合机床与自动化加工技术, 20044 2931. [2] 林 鹏. 车间调度下流水线制造系统的仿真研究 [ J] . 机械设计与制造, 200210 30 31. [3] 王兆其. 面向对象碰撞检测方法及其在分布式虚拟 环境中的应用[ J] . 计算机学报, 199811 990994. [4] 吕金霞. 制造车间生产线并发多任务过程仿真的研 究[ J] . 微机发展, 200312 2628. 142