Самолеты, поезда, машины раньше проектировали с помощью кульманов. Сегодня же в арсенале КБ и машиностроительных заводов – САПР, 3D-принтеры, 3D-сканеры и виртуальная реальность. И VR с каждым годом все активнее внедряется на российских машиностроительных предприятиях.
Зачем VR машиностроению
Виртуальная реальность применяется на всем жизненном цикле изделия: начиная с ранних этапов проектирования для выявления ошибок, проведения макетных комиссий и проверки эргономики и заканчивая организацией производственного процесса, отработкой процессов обслуживания, ремонта и модернизации.
- Оценка эргономических характеристик изделия – это возможность оказаться на рабочем месте оператора внутри будущего изделия, проверить эксплуатационные характеристики, ремонтопригодность, исполнение тактико-технических требований.
- На производстве технология VR может применяться для имитации установки нового оборудования, а сэкономленное время может быть потрачено на улучшение производственной линии. Одновременно с проектированием цехов возможно параллельное обучение операторов, которые в дальнейшем будут там работать. Таким образом, при открытии обновленного участка сотрудники смогут сразу взяться за работу и не тратить время на обучение. Сэкономленное время может пригодиться и при настройке заводских линий. Скорость производства, качество выпускаемой продукции играют ведущую роль в успехе предприятия, поэтому так важно экономить время на параллельных процессах.
- При помощи VR можно имитировать внештатные ситуации. Зачастую воспроизводить подобные случаи в реальной жизни либо опасно, либо слишком дорого, потому персонал знает только в теории, как выйти из сложной или аварийной ситуации. С применением технологии виртуальной реальности персонал может быть готов справиться с любой проблемой.
Виртуальная реальность помогает эффективно тратить рабочее время (рис. 1). Процессы проектирования и обсуждения могут идти параллельно. При обучении рабочих не нужно тратить время на создание прототипов и предоставлять дорогостоящую технику для подготовки специалистов. За счет таких методов уменьшаются денежные затраты и повышается производительность.
Рис. 1. Коллективная работа в виртуальной реальности
- Демонстрация будущего продукта заказчикам еще до производства: клиент может в натуральную величину увидеть и даже «побывать» в будущей машине, выбрать любую цветовую гамму и комплектацию.
Примеры
CNES, французский национальный космический центр, за счет использования средств виртуальной реальности сэкономил около 12 месяцев при разработке проекта ракетного ускорителя Callisto. Ускоритель проектировался в САПР, а в VR проводился подробный разбор летательного аппарата и вспомогательных элементов для запуска. Это позволило обсуждать проект удаленно, проанализировать, какие инструменты необходимы для сборки, просчитать размер здания, процесс транспортировки на место старта и протестировать всю систему в целом. Этот проект показал возможность одновременного решения различных задач.
Компания NVidia, производитель 3D-видеокарт, заявляет, что проекты, интегрированные с VR, снижают проблемы дизайна на 60–65% и помогают избежать перерасхода времени и лишних затрат. По статистике компании виртуальная реальность сокращает время разработки продукта в три раза и уменьшает стоимость производства на 25–40%. Производитель видеокарт утверждает, что компания Hensel Phelps использует рабочие станции, оснащенные NVIDIA Quadro, и шлемы VR для тестирования эргономики и обсуждения проектов. Например, персонал может проверить доступ к строительным системам, минимизировать количество шагов в определенных местах, обсудить проекты, что экономит время.
Применив VR, Ford сократил количество травм на производстве на 70% и снизил эргономические проблемы на 90%. При помощи эргономической лаборатории в компании стремятся улучшить и сделать безопасной монтажную линию и рабочее пространство оператора. Для анализа используется более 52 датчиков, которые располагаются на теле человека. Они считывают движения и передают координаты в базу данных. Эргономист, получив значения, может отыграть определенные сценарии и повысить безопасность работы сотрудников. Кроме того, используя VR, компания прорабатывает дизайн будущих автомобилей (рис. 2) и проводит совещания.
Рис. 2. Создание скетча будущего авто в VR (фото с сайта media.ford.com)
Safran Nacelles, производитель мотогондол для авиадвигателей, меньше чем за год заработала 300 тыс. евро за счет инвестиции в систему VR. Французская компания стала разрабатывать новые гондолы всего за 42 месяца, ранее этот процесс длился 60 месяцев. Safran Nacelles также смогла закончить проект на восемь месяцев раньше, а длительность проекта предполагалась около 18 месяцев. Таким образом, экономия составила 40% бюджета.
Автомобильная компания SEAT за счет использования виртуальной реальности уменьшила продолжительность производства и количество макетов. За время разработки нового автомобиля анализируется до 3 млн деталей. Благодаря технологиям просмотра в 3D, где модель представлена в реальном масштабе, сократилось время анализа конструкции и количество физических прототипов. Такой подход позволил сократить время производства в целом.
Макеты: натуральный и электронный
В процессе развития машиностроительной индустрии всегда возникали задачи, для решения которых требовалось создавать макеты интерьеров и экстерьеров, двигателей, сборок или отдельных деталей, а также изделия целиком, в полной детализации, вплоть до винтика. Главная цель − увидеть своими глазами будущее изделие в натуральную величину, иметь возможность его потрогать. Продемонстрировать заказчику, произвести оценку дизайна внешней формы и внутреннего пространства, согласовать компоновку изделия и его характеристики, оценить порядок работ, эргономику и его пользовательские качества − это лишь малая часть задач, которую решает создание макета. На этапе, когда проектирование изделия уже закончено или близится к финишу, создается его макет из целевых материалов, полностью воссоздается весь процесс производства, чтобы отработать организацию линии цеха, исключить ошибки проектирования и провести краш-тесты.
В настоящее время практически все большие производства переходят на PLM (Product Lifecycle Management). Уже довольно давно для проектирования изделия применяются CAD-пакеты, во многих случаях работа ведется с 3D-моделью изделий (рис. 3). Трехмерная геометрическая модель − ключевой элемент подхода виртуального прототипирования. Без нее виртуальное прототипирование невозможно. Описанную модель обычно называют цифровым прототипом или цифровым макетом.
Рис. 3. 3D-модель самолета-амфибии BOREY, выполненная в «Компас-3D»
Виртуальное прототипирование снижает временные и трудовые затраты на решение такой задачи. VR-технологии позволяют увидеть и пощупать будущие изделия, как будто они реальные, произвести с ними действия и сделать оценку как с настоящим макетом. При этом процесс работы с виртуальным прототипом может идти параллельно проектированию изделия, когда на каждом этапе можно увидеть текущее состояние разработки, продемонстрировать и оценить ее.
Системы виртуальной реальности существуют достаточно давно в виде громоздких шлемов и проекционных систем. Например, «пещеры» виртуальной реальности (VR-cave), которые стоили баснословных денег и были доступны только крупным компаниям, таким как Boeing, Lockheed Martin и т. п. Долгое время именно такие «VR-пещеры» и большие проекционные стереоэкраны (CAD-Wall) были типичной системой VR для решения индустриальных задач, поскольку они позволяли находиться в виртуальном пространстве нескольким пользователям. Правда, взаимодействовать с виртуальной сценой мог только один из них.
Постепенно эти технологии дошли до России. В 2006 г. на факультете психологии МГУ появилась первая комната виртуальной реальности. Процесс шел медленно, поскольку помимо высокой цены заказчик сталкивался с проблемой поиска подходящего помещения, соответствующего техническим требованиям и требованиям пожарной безопасности. С появлением на рынке пользовательских шлемов виртуальной реальности Oculus Rift и HTC VIVE в 2016 г. технология стала не только доступнее (рис. 4), но и привела к снижению цен на профессиональные проекционные системы. В настоящее время разрабатываются все новые модели VR-гарнитур: улучшается разрешение экрана, шлемы становятся полностью автономными, избавляясь от неудобных проводов. Теперь VR − это не только и не столько инструмент бизнеса и военных, сколько средство развлечения для растущего числа пользователей. Этому немало поспособствовали разработчики игровых движков-рендеров трехмерных сцен.
Сложности визуализации
Современные игровые рендеры, используемые в разработке VR-проектов, рассчитаны в первую очередь на индустрию развлечений, а в промышленности могут быть пригодны только для создания симуляторов и некоторых тренажеров. Причем это требует значительных доработок в части поддержки специфических форматов, функционала и оборудования, которые в игровой индустрии не распространены.
Сложность работы с CAD-моделью заключается в том, что в большинстве случаев она представляет собой параметрическое описание изделия. Для трехмерной визуализации на ПК с помощью игрового 3D-рендера для модели нужно создать ее полигональное представление, состоящее из треугольной сетки видимой поверхности. Современные игровые 3D-движки не обладают возможностями такой трансформации моделей, поскольку для этого требуется достаточно сложный алгоритм аппроксимации, реализуемый САПР-ядрами. Для такого процесса необходимо использовать сторонние программы, так называемые программы-конверторы, которые преобразуют одни форматы трехмерного представления моделей в другие. Кроме преобразования (тесселяции) нужно еще уметь читать данный формат и получать его истинную иерархию, имена и метаданные. Большинство конверторов предоставляют инструментарий для создания сетки и сохраняют иерархию и имена, но не сохраняют при этом метаданные из исходного формата.
Игровые движки разрабатывались для потребностей индустрии развлечений и не предназначены для работы с большими данными – огромным количеством полигонов и объектов, без ручной оптимизации 3D-моделей.
Для задач виртуального прототипирования необходима возможность работать с САПР-моделями напрямую – для получения доступа к иерархии, именам, метаданным, а также динамически изменять детализацию трехмерного представления и вносить изменения в исходный файл. Кроме того, у игровых рендеров практически отсутствует поддержка кластерных проекционных систем (VR-cave и CAD-Wall), где требуются такие технологии, как варп, блендинг, построение фраструмов, синхронизация видеосигнала на кластере, поддержка профессиональных систем трекинга и экранов различной изогнутой формы, например купола или панорамы.
Для поддержки функций, необходимых для виртуального прототипирования и промышленных задач, требуется совершенно другие архитектура движка и бизнес-модель. Архитектура игровых движков не создана для интеграции с САПР ядрами и не оптимизирована для визуализации на лету большого количества полигонов и объектов. В ней также отсутствуют удобные инструменты для работы с метаданными CAD. Бизнес-модель создателей игровых движков нацелена на получение выручки от разработчиков, программистов, которые лицензируют рендер для создания игр и приложений. Им невыгодно, чтобы можно было реализовать один раз универсальное решение и продавать без отчислений за лицензирование игрового движка. В игровых механиках не нужна полная синхронизация данных игровых персонажей во время коллективной работы. Все это усложняет создание универсального приложения на базе игрового движка без его последующей независимой поддержки и разработки. Разработчики игровых рендеров не стремятся развиваться в сторону промышленного применения, где рынок меньше, а потребности могут заметно отличаться от заказчика к заказчику.
Не так много компаний предлагают продукты, способные решать задачи виртуального прототипирования. Среди зарубежных производителей можно выделить парижские компании TechViz и IC.IDO, а также американских разработчиков Worldviz. Эти производители работают на рынке более десяти лет, предлагая профессиональные и довольно дорогостоящие решения. При этом чем дольше устоявшаяся компания на рынке, тем она менее подвижна в отношении кастомизации продуктов под конкретные задачи заказчика. Им сложно быстро следовать трендам, менять бизнес-модель вслед с появлением недорогих и массовых шлемов VR, а также менять ядро своего продукта под новые технологии и подходы в разработке. Свой продукт они создавали в тот период, когда оборудование VR было очень дорогим, а главное, поскольку каждый проект был уникальным, не было типового оборудования VR. Реализация аппаратно-программного комплекса VR занимала много времени, и бизнес-модель строили с учетом того, что продукты сложны в освоении, требуют времени на разворачивание и настройку.
В России решения для виртуального прототипирования развиты пока слабо. В числе редких положительных примеров – наша компания. В этом году мы выбрали геометрическое ядро C3D для развития своих инструментов виртуального прототипирования, которое позволяет использовать готовые CAD-компоненты: модуль обмена данными C3D Converter для импорта CAD-данных и геометрическое ядро C3D Modeler для трехмерного моделирования. А это означает расширение набора поддерживаемых CAD-форматов, в частности формата JT, наиболее востребованного в авиационной промышленности и двигателестроении.
Рис. 4. Базовый комплект для работы в виртуальной реальности: ноутбук, шлем, ПО, манипулятор
Отдельно стоит отметить, что виртуальное прототипирование предполагает и визуализацию симуляции поведения изделий, т. е. добавление физики, если говорить в терминах игровых движков. Наше ПО предоставляет поддержку кинематических и физических свойств объектов, визуализацию инженерных расчетов, а также интеграцию с системами математического моделирования и создание систем автоматического управления, например, такого как российский продукт SimInTech. Это позволяет визуализировать 3D-объекты любой сложности в виртуальной реальности с учетом реальной физики этих объектов и реальных управляющих алгоритмов.
Заключение
Область виртуальной реальности стремительно развивается, и многие эксперты признают, что будущее в сфере технологий именно за форматом VR, что предполагает расширение зоны его использования, в том числе на производстве. VR-технологии уже не первый год применяются крупными корпорациями и со временем начинают оправдывать вложенные в них средства. Таким образом, VR в целом положительно влияет на общий производственный процесс, демонстрируя прогресс в различных показателях эффективности.
