谷學(xué)靜，張彥鵬，郭宇承，劉海望

（1. 華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 唐山市數(shù)字媒體工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000；3. 華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；4. 華北理工大學(xué)輕工學(xué)院 電氣信息學(xué)院，河北 唐山 063000）

連鑄工藝是鋼鐵企業(yè)十分重要的生產(chǎn)工藝，該工藝過程是將成分合格的鋼水連續(xù)鑄成鋼坯。連鑄工藝在縮短生產(chǎn)時(shí)間、節(jié)約能源以及提高鋼坯質(zhì)量等方面具有顯著的優(yōu)勢。2017 年全世界采用連鑄工藝生產(chǎn)的鋼坯已占到總產(chǎn)鋼量的 90%[1]。高校培養(yǎng)的連鑄技術(shù)人才不僅需要理論知識，更需要對連鑄生產(chǎn)過程的實(shí)際認(rèn)識。然而連鑄生產(chǎn)的實(shí)踐教學(xué)往往受到時(shí)間、經(jīng)費(fèi)、安全等[2]因素的影響。本文以連鑄車間為對象，將連鑄生產(chǎn)過程與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，通過 3ds Max 軟件、Unity3D 引擎搭建連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)，以滿足連鑄生產(chǎn)實(shí)踐教學(xué)的需求[3]。

1 連鑄仿真系統(tǒng)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過搭建高度逼真的三維立體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以虛代實(shí)、人機(jī)交互的用戶體驗(yàn)。連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)以某鋼鐵企業(yè)的連鑄車間為對象，結(jié)合實(shí)際教學(xué)以及培訓(xùn)過程中的關(guān)鍵問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一個(gè)自主性高且具有沉浸感[4]、交互性、想象性的學(xué)習(xí)平臺，有助于提高學(xué)習(xí)者對于連鑄工藝的認(rèn)知水平，加快學(xué)習(xí)者對操作技能的掌握。

1.1 內(nèi)容分析

連鑄生產(chǎn)工藝的實(shí)踐教學(xué)遵循循序漸進(jìn)的原則，將連鑄生產(chǎn)虛擬仿真教學(xué)過程分為認(rèn)知篇、實(shí)踐篇、診斷篇、仿真篇等4 個(gè)篇章。

認(rèn)知篇：通過三維模型動(dòng)畫展示以及音頻講解和用戶界面（UI），使學(xué)習(xí)者能夠清晰、直觀地認(rèn)識連鑄的生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程。

實(shí)踐篇：通過對連鑄生產(chǎn)操作的虛擬化設(shè)計(jì)，以虛實(shí)結(jié)合的控制形式實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)過程的規(guī)范操作實(shí)踐訓(xùn)練。

診斷篇：通過問答的方式，隨機(jī)考查學(xué)習(xí)者對連鑄生產(chǎn)中常見問題的診斷和處理能力。

仿真篇：利用Matlab 軟件對連鑄生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)置，使學(xué)習(xí)者深入了解各工藝參數(shù)對連鑄生產(chǎn)過程的影響。

1.2 開發(fā)過程

根據(jù)系統(tǒng)的功能和篇目，連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程分為以下5 個(gè)步驟：

（1）收集連鑄車間的各種素材，包括設(shè)備和場景圖片、設(shè)備運(yùn)行的視頻、車間布置圖紙資料等，通過對連鑄生產(chǎn)中的素材整理分析，對連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的環(huán)境模型和工藝仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）對連鑄車間環(huán)境以及主體設(shè)備和輔助設(shè)備等素材使用3ds Max 進(jìn)行三維建模，通過模型的搭建實(shí)現(xiàn)虛擬連鑄車間的三維仿真，利用3ds Max 的動(dòng)畫制作功能對連鑄生產(chǎn)過程進(jìn)行表達(dá)；

（3）將3ds Max 軟件中的資源導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 引擎中，通過Unity3D 對虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)，使用編程語言C#編寫相關(guān)運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行仿真和人機(jī)交互；

（4）使用Visual Studio 開發(fā)工具創(chuàng)建主控程序及Winform 控件，通過 Winform 控件實(shí)現(xiàn) Matlab 數(shù)學(xué)軟件與 Unity3D 引擎結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬場景中的數(shù)據(jù)仿真；

（5）添加外部控制系統(tǒng)，增加連鑄仿真系統(tǒng)的控制方式，調(diào)試優(yōu)化后對系統(tǒng)進(jìn)行集成發(fā)布。

系統(tǒng)的開發(fā)過程如圖1 所示。

2 虛擬連鑄車間環(huán)境的搭建

2.1 連鑄車間資源分析

虛擬連鑄車間環(huán)境主要是由虛擬場景的設(shè)計(jì)與建模實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)建虛擬環(huán)境的重點(diǎn)是連鑄設(shè)備的三維模型設(shè)計(jì)與制作。連鑄車間所用的設(shè)備通?？梢苑譃橹黧w設(shè)備及輔助設(shè)備[5]。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)過程

主體設(shè)備包括：鋼包回轉(zhuǎn)臺、中間罐及其運(yùn)載小車、結(jié)晶器及其振動(dòng)裝置、二次冷卻支導(dǎo)裝置、拉坯矯直設(shè)備、引錠桿、脫錠及引錠桿存放裝置、切割設(shè)備。

輔助設(shè)備包括：（1）出坯及精整設(shè)備——輥道、拉（推）鋼機(jī)、翻鋼機(jī)、火焰清理機(jī)；（2）工藝性設(shè)備——中間罐烘烤裝置、吹氬裝置、脫氣裝置、保護(hù)渣供給與結(jié)晶器潤滑裝置、電磁攪拌裝置；（3）自動(dòng)控制和測量儀表——過程控制計(jì)算機(jī)、測溫、測壓、側(cè)重、測長等儀表。

在保證視覺效果的前提下，使用建模技巧優(yōu)化場景效果是三維場景制作的重點(diǎn)之一。

2.2 三維場景的制作

在使用三維模型搭建虛擬場景時(shí)，需要按照實(shí)際場景和教學(xué)需求對虛擬場景中各個(gè)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，然后用3ds Max 軟件制作虛擬場景中的模型。

制作3ds Max 模型，需要在保證模型真實(shí)度的情況下對模型進(jìn)行優(yōu)化，主要是對場景中的模型的大小和形狀進(jìn)行處理，其難點(diǎn)在于減少模型的點(diǎn)面結(jié)構(gòu)。在模型制作過程中，可以使用多種方法（例如剔除不可見的面、以拉伸替代堆砌、合理切分模型等）對點(diǎn)面進(jìn)行精簡，然后通過材質(zhì)處理增強(qiáng)模型的逼真度。材質(zhì)處理主要是展UV 貼圖以及烘培。3ds Max 中的模型 UV 貼圖的處理需要使用 Photoshop 進(jìn)行細(xì)節(jié)勾畫；烘焙是指植入燈光效果后對場景進(jìn)行渲染。烘焙渲染既增加虛擬場景真實(shí)感，又減少了后期場景中的實(shí)時(shí)光照，從而達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)資源的效果。為了方便系統(tǒng)的搭建，建模的后期處理采用了組場景和動(dòng)畫制作同步進(jìn)行的方式完成連鑄場景的整體布局和設(shè)備模型動(dòng)畫的制作[6]。三維模型示例如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)中三維模型

3 Unity3D 虛擬仿真內(nèi)容的開發(fā)

將 3ds Max 中創(chuàng)建好的模型以 FBX 格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 中，使用Unity3D 引擎對連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)4 個(gè)篇目的內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)。認(rèn)知篇與診斷篇的開發(fā)方式比較相近，在開發(fā)過程中使用了大量的UI 元素；實(shí)踐篇的開發(fā)重點(diǎn)在于腳本的編寫，通過腳本邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漫游、虛擬操作以及連鑄生產(chǎn)過程的仿真；仿真篇的開發(fā)則需要將 Matlab 引入連鑄系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的仿真。本文僅描述實(shí)踐篇和仿真篇的開發(fā)過程。

3.1 實(shí)踐篇的開發(fā)過程

3.1.1 交互功能的開發(fā)

連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)交互功能的開發(fā)，主要包括控制場景中漫游功能和操作臺控制功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。虛擬漫游是指直接或間接控制虛擬攝像機(jī)觀察虛擬場景的信息。虛擬攝像機(jī)是跟隨目標(biāo)物體而移動(dòng)的，通過差值計(jì)算對攝像機(jī)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，相關(guān)代碼（以x軸為例）為：

tempXAngle = Mathf.LerpAngle (fromXAngle, toXAngle,deltaChangeValue);

當(dāng)操作者點(diǎn)擊場景中虛擬操作臺上的按鈕或旋鈕時(shí)，系統(tǒng)會反饋給操作者操作信號，并在反饋過程中改變按鈕或旋鈕的亮度、發(fā)出聲音效果。通過對交互過程進(jìn)行優(yōu)化，增加了虛擬操作過程的真實(shí)性，有助于學(xué)習(xí)者對仿真虛擬系統(tǒng)的操作。在交互時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)操作臺的信號給出虛擬連鑄生產(chǎn)的動(dòng)作指令，通過系統(tǒng)中模型在動(dòng)作指令下進(jìn)行生產(chǎn)過程的三維仿真。

3.1.2 連鑄生產(chǎn)過程的三維仿真開發(fā)

連鑄生產(chǎn)過程是一個(gè)多步驟操作的復(fù)雜生產(chǎn)過程，連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)涉及多道生產(chǎn)工序。按照連鑄生產(chǎn)工藝，鋼水首先經(jīng)冷卻裝置凝固為鑄坯，然后鑄坯經(jīng)定尺切割和精整操作，生成方便鋼鐵生產(chǎn)輸出和存放的鑄坯產(chǎn)品[7]。根據(jù)連鑄生產(chǎn)的操作實(shí)踐，本系統(tǒng)的實(shí)踐篇包括連鑄設(shè)備及操作工藝中的準(zhǔn)備工作操作、澆注操作、鑄坯切割和精整操作等。

以鑄坯切割工藝過程為例，火焰切割機(jī)定尺切割過程的仿真可以使用 Unity3D 設(shè)置動(dòng)畫效果實(shí)現(xiàn)[8]。但是，由于動(dòng)畫不滿足實(shí)踐操作實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，因此本過程采用了實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法，使用Unity3D 組件和代碼進(jìn)行開發(fā)。整個(gè)過程包括：使用粒子系統(tǒng)對火焰、水流、氣體的模擬；通過調(diào)整模型的 Transform 組件實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備的移動(dòng)[9]；使用 Unity 內(nèi)置的 NVIDIA PhysX 物理引擎檢測鑄坯的切割過程。

3.1.3 鑄坯的生成

為仿真鑄坯的實(shí)時(shí)生成過程，可以考慮以一定的速度增加模型的數(shù)量。但增加模型的數(shù)量會增加系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，并且在一定程度上對虛擬拉坯的速度有所限制，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和仿真。本系統(tǒng)對鑄坯生成的過程采用模型變換的方式進(jìn)行仿真，即通過幀調(diào)用的方法，首先增加鑄坯模型沿Z軸的尺寸系數(shù)，然后調(diào)整鑄坯的位置，保證鑄坯的生成位置不變，從而實(shí)現(xiàn)鑄坯從鑄機(jī)中連續(xù)被拉出來的仿真效果，避免了增加模型導(dǎo)致的負(fù)載增大的問題，并且可以根據(jù)培訓(xùn)需求調(diào)節(jié)虛擬拉坯的速度。

程序運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)用MonoBehaviour 類中的幀調(diào)用函數(shù) Update()，對鑄坯模型的生成進(jìn)行控制的相關(guān)代碼如下：

transform.localScale+ = new Vector3(0, 0, change *Time.deltaTime*c);

transform.Translate (Vector3.forward * change/2 *Time.deltaTime*c);

3.1.4 鑄坯的準(zhǔn)備

切割鑄坯的過程是在鑄坯的側(cè)面先切開一個(gè)小缺口，然后缺口逐漸擴(kuò)大直至鑄坯完全切斷。在仿真系統(tǒng)中，需要在虛擬切割前對鑄坯模型進(jìn)行細(xì)化，即在保證整體鑄坯橫向尺寸不變的情況下將鑄坯分為數(shù)量足夠多的條形子物體，通過條形子物體的逐個(gè)斷開實(shí)現(xiàn)鑄坯的切割過程。采用生成預(yù)制體（Prefab）的形式，先把整塊鑄坯在x軸上分解為91 條（piece），并將每一條用數(shù)組的形式進(jìn)行編碼，按順序可以從piece[0]到 piece[90]。

3.1.5 鑄坯的切割

設(shè)鑄坯沿Z軸正向拉出（Unity3D 場景中的世界坐標(biāo)系為左手坐標(biāo)系），虛擬連鑄生產(chǎn)中鑄坯的切割過程主要有2 種：（1）切割槍運(yùn)動(dòng)方向與鑄坯運(yùn)動(dòng)方向垂直進(jìn)行切割（見圖3）；（2）切割槍運(yùn)動(dòng)方向與鑄坯運(yùn)動(dòng)方向平行進(jìn)行切割（見圖4）。在圖3 所示鑄坯模型中，a段表示切割下的鑄坯長度，b段表示鑄坯的切口長度，c段表示切割后的鑄坯長度，S1 為坯頭位置，S2 為切下的鑄坯(a)的尾端，S3 為切割位置，S4 為切割后的鑄坯(c)的前端。

圖3 第一種切割過程

圖4 第二種切割過程

根據(jù)圖 3 對虛擬切割的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行求解，以確定切割過程中三維模型的變化。已知條件包括切割位置 S3 以及切口長度(b)，未切割鑄坯的位置以及大小。

虛擬切割是根據(jù)切割位置的變化，改變模型的大小以及位置來表現(xiàn)切割的效果。第一種切割情況進(jìn)行切割時(shí)：相關(guān)代碼如下：

以上兩種切割方法可以實(shí)現(xiàn)連鑄生產(chǎn)過程中對鑄坯切割的仿真。

3.2 仿真篇的開發(fā)過程

在連鑄生產(chǎn)過程中應(yīng)用到很多監(jiān)測設(shè)備和計(jì)算終端，通過對連鑄生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。在連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)中，仿真篇的作用是通過 Matlab 數(shù)據(jù)仿真[10]讓學(xué)習(xí)者能夠?qū)B鑄生產(chǎn)有深入的理解。仿真篇的開發(fā)難點(diǎn)在于 Matlab 與Unity3D 的信息傳輸。本系統(tǒng)使用 Winform 控件和UnityWebPlayer 插件實(shí)現(xiàn)了兩者之間的信息交流（見圖5）。其過程是：（1）在Visual Studio 中創(chuàng)建和編輯Winform（窗口應(yīng)用程序）；（2）Winform 中引用 Matlab相關(guān)動(dòng)態(tài)鏈接庫（.dll）并在腳本編寫時(shí)引用相應(yīng)的命名空間，實(shí)現(xiàn) C#代碼對 Matlab 函數(shù)的調(diào)用；（3）安裝UnityWebPlayer，并在 Unity3D 的開發(fā)程序中引入U(xiǎn)nityWebPlayer 的動(dòng)態(tài)鏈接庫。

圖 5 Winform 與Unity3D 通信過程

4 外部控制系統(tǒng)的添加

根據(jù)實(shí)際連鑄生產(chǎn)中通過控制臺控制連鑄生產(chǎn)和 PLC 對連鑄電氣系統(tǒng)的控制方式[11]，本系統(tǒng)開發(fā)了外部控制系統(tǒng)對仿真控制過程進(jìn)行優(yōu)化。通過外接真實(shí)的操作臺以及 PLC 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接箱的控制形式，實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真的人機(jī)交互[12]，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的控制仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)加入外部控制后的通信過程如圖 6所示。

圖6 系統(tǒng)的通信過程

5 結(jié)語

連鑄生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)過程包括內(nèi)容設(shè)計(jì)、虛擬場景的搭建和系統(tǒng)運(yùn)行的腳本編寫，以及在Visual Studio 開發(fā)工具中集成調(diào)試并發(fā)布。利用三維建模技術(shù)、Unity3D 引擎、Visual Studio 開發(fā)工具、Matlab 軟件等實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成與發(fā)布。該系統(tǒng)可以進(jìn)行連鑄生產(chǎn)的全過程模擬，為學(xué)習(xí)連鑄生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境、工藝知識和實(shí)操提供平臺支持。該系統(tǒng)的開發(fā)過程也可為其他虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。