虚拟场景的三维建模与可视化V1

山西省基础研究计划项目申报书项目类别: □自然科学基金□青年科技研究基金项目名称: 三维数字化综采仿真平台项目申报单位：（盖章）项目组织单位：（盖章）申请人：填报日期：山西省科学技术厅制基本信息项目组主要成员3报告正文研究的科学意义：要结合所报项目的核心内容，围绕研究背景、学术价值和应用前景进行撰写；基础研究须结合科学研究发展趋势来论述科学意义，应用基础研究须结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科学和技术问题来论述其应用前景。

国内外研究现状及分析：围绕主要研究内容和可能的突破点，论述国内外研究情况，依次论证项目的创新或研究特色。

十二五期间我国原煤产量可能超预期。

山西整合煤矿批复产能达到8.5亿吨，全国大型煤企在建和规划的产能达到8亿吨，两者将推动十二五我国原煤产量超预期，2015年我国原煤产量可能达到45亿吨。

山西整合煤矿开工建设拉动煤炭行业固定资产投资拐点回升。

山西省内规定整合煤矿50%于2010年底前动工建设，100%于2011年中前动工建设。

山西需求将拉动2011年煤炭行业固定资产投资拐点回升，我们预期2011年煤炭行业固定资产投资增长25%以上，增速同比提升5个百分点以上。

根据我们对山西整合煤矿产能和大矿在建、规划产能的预期，我们认为2011-2015年，每年分别有 2.5亿吨、2亿吨、3亿吨、3亿吨和 1.5亿吨原煤产量增长，2015年原煤产量达到45亿吨，超过市场预期的40亿吨，对煤机需求提供有力支撑。

我国煤炭开采机械化率还有很大提升空间。

机械化开采既可以提高回采率，提升煤矿生产效率，也可以降低煤矿安全隐患。

根据《煤炭工业发展“十二五”规划（征求意见稿）》，至2015年我国煤炭开采机械化率将至少达到75%，不排除有进一步超预期的可能性。

我们假设2011-2015年煤炭开采机械化率逐年递增，分别为59.5%、62.5%、67%、72%和75%。

煤炭行业固定资产投资中，改扩建的占比一直在 60%左右浮动，我们判断煤机设备需求中更新需求也会超越新建需求，占到 50%以上的份额。

更新需求是煤机设备需求中非常重要的组成部分。

据调研了解，煤机设备的使用年限在 5年左右，随着开采地质条件越来越复杂，对煤机设备的要求越来越高，使用年限也越来越短。

广义上的煤机，按照煤矿开采的顺序，主要分为勘探设备、综合采掘设备、提升设备、洗选设备、煤炭安全设备和其他设备，以及露天矿设备等。

而狭义上的煤机则是指煤炭综合采掘设备，包括掘进机、采煤机、刮板输送机及液压支架，合称“三机一架”。

本计划中主要涉及的是煤炭综合采掘设备。

成套化和服务化是煤机未来的发展方向。

而现在在现有的成套煤机综采装备制造能力基础上，将加大系统整合力度，力求从综采设备提供商向系统服务提供商和开采方案提供商转型。

而国际国内的主要的煤机设备制造厂商都是单一设备，而不是成套设备，所以对于综采成套化的三维建模和虚拟现实非常有必要，这样有助于提高采煤的效率，安全等各方面，山西作为一个煤机用量最大的省份，有必要综合各单一设备制造厂商，建立一个三维虚拟现实的实验室。

在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的综采成套没有建立，没有完整的设计理论依据，没有可以供分析和验证的数字化虚拟样机作为支撑，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统、运输单元、高端支架一体化综采等核心技术方面有较大差距。

在以往的综采设备的设计过程中，绝大部分都采用二维平面设计，为了赶工期，设计人员往往直接在老图纸上刮去尺寸和线条，手工画上线条，填写新尺寸，这样容易使产品结构等信息表达有误，引起设计部门与制造工艺部门不必要的信息反复，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带来困难。

而后续所有的分析，动态仿真等方面都是以三维实体模型为基础，使整个设计过程都是针对实体特征模型进行，摆脱了二维设计中的局限性。

另外还实现了动态交互的设计的设计功能，随时改变控制参数来满足自己的要求，具有很大的实用性于必要性。

●实现综采设备成套的数字化产品开发●实现综采设备成套的运动仿真、动态干涉检查、关键设备有限元分析以及优化●实现综采设备成套的零部件模块化、标准化、系列化，为后续形成综采设备配套标准形成理论依据●建立虚拟的数字化采煤场景，在不下井的状态也可以实际模拟采煤的整个设备运行项目研究的主要内容是煤炭综合采掘设备（简称综采设备）的三维建模和虚拟现实。

同时结合国际国内单一的设备提供商整合掘进机、采煤机、刮板输送机及液压支架。

同时根据三维虚拟现实特点研究“三机一架”中各个单独供应商之间的最佳搭配，为综采高效安全提供更好的理论依据，实现完整的综采数字化样机。

为顺利完成项目研究任务，项目承担单位主要进行了前期技术准备工作，对项目的可行性进行了调研，在认真研究调研国内外三维建模和虚拟现实经验的的基础上，结合综采设备厂家和煤矿实际情况进行设计，使整个项目更加科学合理，结合本单位实际情况，确立了适当的研究路线，提出了总体设计思路，并成功的付诸实施。

到目前为止，本项目已完成“三机一架”资料收集以及虚拟现实论证工作。

虚拟场景可以帮助煤矿建立一个完整的3D数字环境，并结合人机工程模块，将虚拟的人体模型放置到数字化环境当中，进行人机工效的评估，同时结合QUEST模块，进行人员流、物流以及生产线的分析、模拟，从而真实反映产品从零件到装配、到工位、到流水线、到工厂的生产过程，直观分析产品的可制造性、可达性、可拆卸性和可维护性，并生成相关的分析报告，为企业的决策提供支持。

DELMIA数字制造工艺--装配仿真工具(DPM Assembly) 是一个强大的进行装配工艺规划、装配可视化和仿真校验的3D工具。

作为装配设计工具，DPM Assembly 使得多级装配顺序、零件装配路径和装配工艺文档的处理变得非常便利。

设计和制造工程师能够使用DPM Assembly 来分析装配规划中遇到的各种问题，确定最好的装配工艺，确定产品维护过程中最优的拆卸和重组顺序。

仿真过程和数据可以记录下来，作为车间操作指令、产品维护操作指令和培训教材。

∙DPM Assembly具有简单易用的图形用户界面，可以在其中同时处理装配、工具、机器人和工人等多种任务。

程序步骤定义好后可以链接到模型中，当步骤改变后，模型会自动更新。

同时，DELMIA具有强大的分析功能，可以分析距离、重心、体积、面积等几何信息，也可以分析装配件之间的截面、间隙、碰撞分析。

主要特点：面向装配的设计（DFA）－基于3D的工艺规划，可以验证零部件的可装配性；面向维护的设计（DFM）- 从维修的角度来评估产品的设计；主要实现内容：产品和装配分析创建装配顺序装配优化装配分析碰撞检查在无缝集成的3D环境中，进行工艺设计、细化和验证装配工艺规划的验证碰撞分析碰撞分析/接触分析/间隙分析包括研究结果和成果两部分。

研究结果要与预期目标相吻合，要描述可能获取的实验结果（不是重复研究内容）。

研究成果包括：理论成果（论文、专著、科技奖励）；方法成果（论文、专利、科技奖励）；技术成果（仪器或装备原型、工艺、发明专利、科技奖励）；人才培养（相关的学位论文等）。

在协同环境中，通过调用数据库中存储的设计信息，进行综采设备装配仿真验证。

1、装配干涉的仿真。

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并示给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。

在三维环境中，检查过程非常直观，如图所示。

图. 装配干涉的仿真2、装配顺序的仿真。

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设图.装配顺序的仿真3、人机工程的仿真。

产品装配的过程，少不了人的参与，产品移动的过程也就是人动作的过程。

在产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。

将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，针对零件的装配，对工人以下工作特性进行分析，如图.所示。

可视性；是否看得见，看多大范围。

可达性；工人的身体或肢体是否能到达装配位置。

图.人机工程的仿真4、可视化装配与人员培训。

以上装配过程的三维数字化仿真文件（或制作成A VI文件），可以在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观了解装配全过程，实现可视化装配。

也可用于维护人员的上岗前培训。

5、虚拟数字化采煤工作面仿真。

在工厂三维工艺布局中，放入产品、工人，按照已经设计好的装配工艺流程进行产品、资源、流程及操作者之间溶为一体的三维动态仿真。

通过仿真功能使车间布局更加符合工艺布局原则：1）遵循工艺规程原则；2）最短路线原则；保证各个工位之间、各个设备之间，物料和人员流动的距离最短，采用最优的工艺流程，使物流过程合理，不发生交错和混乱。

从而做到物流畅通、物流时间少，费用低。

3）生产力均衡的原则；4）充分利用空间和场地的原则；5）方便运输的原则；6）安全和环保的原则；7）快速重组的原则；申请者承诺：我保证申请书内容的真实性。

如果获得计划资助，我将履行项目负责人职责，严格遵守科技厅的有关规定，切实保证研究工作时间，认真开展工作，按时报送有关材料。

若填报失实和违反规定，本人将承担全部责任。

签字：项目组主要成员承诺：我保证有关申报内容的真实性。

如果获得计划资助，我将严格遵守科技厅的有关规定，切实保证研究工作时间，认真开展工作，及时向项目负责人报送有关材料。

若个人信息失实，执行项目中违反规定，本人将承担相关责任。

申报单位及合作单位承诺：已按有关规定对申请人的资格和申请书内容进行了审核，同意申报。

申请项目如果获得计划资助，我单位保证对计划实施所需要的人力、物力和工作时间等条件给予保障，严格遵守和督促项目负责人和项目组成员以及本单位项目管理部门执行科技厅的有关规定，并及时报送有关材料。

申报单位公章合作单位公章1 合作单位公章2日期：日期：日期：申报须知一、项目申报单位必须按要求编报年度计划执行情况、下一年度经费预算和有关统计报表，交项目申报单位汇总后，及时上报科技厅，逾期不报，科技厅有权暂停拨款。

二、任务执行过程中，项目申报单位如需调整任务，应向项目组织单位提出变更内容及其理由的申请报告，经项目组织单位审核后报科技厅。

未经接到正式批准书以前，双方须按原申报书履行，否则后果由自行调整的一方负责。

三、项目申报单位因某种原因（如：与可行性研究内容有出入、挪用经费、技术措施或某些条件不落实）致使计划无法执行，而要求中止任务，应视不同情况，部分、全部退还所拨经费；如项目申报单位没有提出中止任务的要求，项目组织单位可根据调查情况有权提出中止任务的处理建议，报科技厅审核批准后执行。