基于OpenGL技术的三维车间布局研究

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　科技资讯　ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ２００７ ＮＯ．１３

ＳＣＩＥＮＣＥ　＆　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ工　程　技　术１　引言

在制造业快速发展的今天，车间布局在整

个制造系统中起着重要的作用。良好的车间

布局有着重要的意义，它可以使车间生产面积

得以充分利用；有利于合理确定设备与装置数

量，节省投资；有利于合理安排工艺，使加工流

畅；有利于减少生产耗费，生产资料的效能可

以得到充分的发挥［１］。另外，车间布局还要满

足一些特殊的要求：满足物流的要求；要能

在标准厂房中安放有一些特殊设备；或是改造

其他类型建筑，使其用于某种加工车间。

车间布局规划早已为众多的研究人员和

工程人员所关注，在这一领域，已得出许多

优秀的成果。目前，人们对于这方面的研究一

般从两种方法入手：一是利用各种算法，建立

数学模型；二是利用虚拟现实的方法对车间

进行虚拟仿真。数学模型可以简化实际中的

很多问题，对布局问题的解决具有普遍性，但

是，对三维布局中，操作工人、设备及工件等

信息，各种算法就显得无能为力了［２］。而虚

拟现实的方法具有直观性，能实现“所见即所

得”，通过虚拟仿真，可以在仿真系统运行的

过程中直观地看到物流情况；实现设备工作

模拟，检测设备之间的干涉等。因此，有许多

仿真软件被开发出来应用在布局设计中，如：

ＱＵＥＳＴ，Ｅ－Ｆａｃｔｏｒｙ，ＳＩＬＭＡ，ｅ－Ｍａｎｕ－

ｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ等［３］。本文将介绍一种三

维布局软件系统，它在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统平

台上，以ＶＣ＋＋６?０为开发工具，进行运用

ＯｐｅｎＧＬ技术进行编程设，通过三维建模工具

Ｐｒｏ／ｅ，ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等建立模型，连接后台数

据库，实现直观、快捷的车间模拟环境。

２　三维车间布设的设计方案

２．１　ＯｐｅｎＧＬ技术［４］

ＯｐｅｎＧＬ是ＳＧＩ公司推出的三维图形库，

它易于使用而且功能强大，广泛应用在建筑、

医学、产品设计、地球科学等领域。ＯｐｅｎＧＬ被

认为是高性能图形和交互式视景处理的标准。

ＯｐｅｎＧＬ提供直观的三维图形开发环境，

实际上是一种图形与硬件的接口，还包括图

形函数。开发者可以用这些函数来建立三维

模型和进行三维实时交互，不过直接利用

ＯｐｅｎＧＬ的绘图指令建立三维实体模型是非常

繁杂的一个过程。ＯｐｅｎＧＬ强有力的图形函

数不要求开发者把三维物体模型数据写成固

定数据格式，这样开发者可以利用其他不同

格式的数据源并获得许多软件的支持。这样

就极大地提高了三维图形软件开发的效率。

２．２　模型的建立与转化

实现车间布局的仿真，必须建立各种模

型，将模型导入系统中，才能虚拟出真实的

车间工作环境。由于ＯｐｅｎｇＧＬ库提供的基本

几何体构造比较困难，所以必须借助于其它建

模工具。我们可用Ｐｒｏ／Ｅ，ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等设计软件进行建模。因为Ｐｒｏ／Ｅ，ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等为专业的三维设计软件，可以非常直观、详细地表现出模型的几何特征，达到逼真的效果。当模型建立后，可以在Ｐｒｏ／Ｅ中直接保存为ｏｂｊ数据格式，ｏｂｊ文件是Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ公司为它的一套基于工作站的３Ｄ建模和动画软件“Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｖｉｓｕａｌｉｚｅｒ”开发的一种文件格式。它是一种标准的３Ｄ模型文件格式，很适合用于３Ｄ软件模型之间的互导。该数据格式是一种相对比较简单的格式，文本格式容易存取。这种数据格式相对比较完整，某种程度上成为一种图形传送的标准，很多图形软件都读取ｏｂｊ格式。ｏｂｊ格式对于模型信息能够较好的进行传递，引用材质库，可以保留模型的材质、颜色。将模型数据传送到ＯｐｅｎＧＬ中进行模型构造，形成ＯｐｅｎＧＬ的模型构造列表，作为ＯｐｅｎＧＬ的显示列表中进行模型的重构。２．３　模型导入在建好设备模型并转化成ｏｂｊ格式后，运用ＶＣ＋＋６?０编程。对设备设立坐标位置，根据坐标将设备导入布局系统。由于设备造型自身造型时坐标的偏差，在导入设备模型时，需要对设备进行小尺度调整，这一调整操作，可以在源程序中修改调整，也可以另编制信息窗口进行专门调整，（窗口如图１）　本窗口可包括设备外形特征，如长、宽、高，设备的Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标位置，以及设备相对于Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的转角。如此一来，对设备的调整可以大大简化，使操作非常方便。数据结构定义如下：ｓｔｒｕｃｔ｛ｆｌｏａｔ　ｆＰｏｓ＿ｘ；ｆｌｏａｔ　ｆＰｏｓ＿ｙ；ｆｌｏａｔ　ｆＰｏｓ＿ｚ；ｆｌｏａｔ　ｆＬｅｎｇｔｈ；ｆｌｏａｔ　ｆＷｉｄｔｈ；ｆｌｏａｔ　ｆＨｅｉｇｔｈ；ｆｌｏａｔｆＲｏｔａｔｅ＿ｘ；ｆｌｏａｔ　ｆＲｏｔａｔｅ＿ｙ；ｆｌｏａｔ　ｆＲｏｔａｔｅ＿ｚ；ｉｎｔ　ｎＴｅｘｔｕｒｅＩｄ；ＣＳｔｒｉｎｇ　ｆｉｌｅｎａｍｅ；ＣＳｔｒｉｎｇｏｂｊＮａｍｅ；ｂｏｏｌ　ｉｓｔｒｕｅ；｝Ｏｂｊｅｃｔ；２．４　布局仿真系统的要求及实现算法进行车间系统布局时，根据零部件的加工工艺、物流、特种设备安全距离、人机工程学等方面要求，运用数学方法，如遗传算法、退火算法、运筹学方法计算出设备最适当距离。在本布局系统中，我们可以实现检验设备干涉，如当两设备之间的距离小于最优距离时，通过编程处理，系统会自动报警。在布局系统中，我们可以随着零部件的加工工艺顺序，观察加工流程，检查加工节拍，观察加工物流。能结合工厂的加工仿真系统，进行工艺规划和物流规划。２．５　数据管理车间布局系统中有很多参数需要处理，需要建立数据库进行管理，便于储存和查询。我们在系统中连接后台数据库。在本系统中，我们应用ＳＱＬ数据库系统。数据库记录数据主要包括设备几何模型数据、位置数据、设备的管理数据、设备的加工参数、设备的外观图片等。可以随时从后台数据库中调阅设备各种参数。 ３　应用实例在某发动机厂的新建厂房中应用本系统，可以准确模拟出新厂房场景，实现车间“漫游”（如图２），从不同的角度查看设备布设情况。准确模拟出真实环境下的设备布置位置，检查避免设备与厂房之间的干涉，在系统中做出物流规划，根据系统动态模拟，规划工艺规程。这样，就可以大大减少实际布局的时间和工作量，非常具有实用性。４　结语基于ＯｐｅｎＧＬ技术的三维车间布局，为车间布局的研究提供了新的方向，这一系统是一个开放的系统，能够与其它仿真系统有接口。在此基础上，能够建立一个大的制造仿真系统，包括产品的设计、加工、工厂的现场管理等，实现仿真的集成，可以广泛应用于制造业。也可以为其它类型的设施规划时作参考。参考文献［１］　机械加工车间设备布局模型及其评价算法的研究，大连交通大学硕士论文．李经民２００５，８．［２］　郝理想．基于虚拟仿真的生产车间布局设计方法研究，合肥工业大学，硕士学位论文，２００６，４．［３］　胡震．发动机车间布局优化设计研究，硕士论文，合肥工业大学，２００５，５．［４］　（美）Ｅｄｗａｒｄ　Ａｎｇｅｌ著，李桂琼，张文祥译ＯｐｅｎＧＬ程序设计指南（第二版）北京清华．大学出版社，２００５．

基于ＯｐｅｎＧＬ技术的三维车间布局研究

杨再龙 马捷 邢小虎 黄建

（上海海事大学物流工程学院 上海 ２００１３５）

摘　要：针对车间布局的要求，开发出基于ＯｐｅｎＧＬ技术的三维车间布局系统，为车间布局研究提供形象、直观、开放的虚拟环境。讨论运用ＯｐｅｎＧＬ技术车间三维仿真的一系列问题。

关键词：车间布局 三维仿真 ＯｐｅｎＧＬ

中图分类号：ＴＰ３１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２００７）０５（ａ）－００４５－０１