激光加工设备数字孪生虚拟监控系统的设计与实现
这是一篇关于激光加工设备,数字孪生,可视化监控,快速物理仿真,Unity3D的论文, 主要内容为随着物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的快速发展,实现完全体的数字孪生已逐渐成为可能。数字孪生(Digital Twin)被认为是第四次工业革命通用目的技术和核心技术之一,是支撑万物互联的综合技术体系,是数字经济发展的基础,也是未来智能时代的信息基础设施。本文针对超净间内激光加工设备数字化水平低、可视化性能差、人员流动性大导致加工环境被污染等问题,设计实现了激光加工设备数字孪生虚拟监控系统,研究了激光加工设备工作过程中几何层面和物理层面的可视化监控和远程控制。本文主要研究内容如下:(1)设计了激光加工设备数字孪生虚拟监控系统的整体框架:制定系统设计的目标、原则和流程;对系统开发过程存在的关键问题进行分析,并对相应问题提出初步解决方案;为提升系统的稳定性和可靠性,对数字孪生系统进行模块化设计,保证部分功能出现故障后不影响其他模块运行;最后确定数字孪生系统的整体架构,进一步明确系统的设计逻辑。(2)实现了激光加工设备数据的可视化:介绍了多种激光加工设备,并对设备的数据源进行分析,提出使用PLC连接数据源的方法对设备数据进行采集;获取到的设备数据通过搭建MQTT通讯协议进行传输,对数据可视化的载体模型进行绘制,使用参数化简单曲面法对模型进行优化,降低系统运行时的性能开销;以导光板散射网点激光并行加工设备为例,对其进行数据采集、传输和虚拟模型的运动学分析,实现激光加工设备数字孪生虚拟监控系统几何层面的可视化。(3)使用深度学习技术实现了基于物理规则的激光加工工件表面温度监测:完整的数字孪生虚拟监控系统应包含几何层面和物理层面的仿真,而物理层面仿真通常需要大量模拟计算得出,此过程耗时较长,故提出使用深度学习技术对有限元仿真计算进行加速;通过使用有限元仿真软件对部分工况下工件表面瞬态温度场进行有限元求解,将求解数据和工况数据利用Open CV进行图像化处理,构建工况数据和结果数据的深度学习数据集;选用深度学习CGAN模型并利用数据集对其进行训练,训练过程调优模型;以纳秒激光加工系统为研究对象,使用训练好的CGAN模型对工件表面温度进行快速仿真。最后,对有限元仿真技术和深度学习模型在求解性能方面进行测试,结果显示深度学习模型相较于有限元仿真计算,在求解误差很小的情况下,极大的提高了温度云图生成速度。(4)完成了系统的搭建和测试:开发了部分数字孪生系统的重要功能,为实现激光减材制造的可视化,使用八叉树算法重构工件表面网格,实现低性能消耗下高精度材料去除可视化;使用UGUI组件搭建系统用户界面,集成(2)(3)中几何层面和物理层面的仿真;利用飞秒激光五轴加工平台对数字孪生虚拟监控系统进行实例测试,试验结果表明,本系统运行过程硬件资源占用较低、显示性能良好、实时监控性能优异,满足设计和使用要求。
基于Unity3D的应用关系架构可视化系统的设计与实现
这是一篇关于应用关系模型,三维拓扑,Unity3D的论文, 主要内容为经研究发现,随着广泛的应用关系在机房等场景中出现,同时这些不同场景中出现了许多管理问题,不同的业务和模块之间关联关系不清楚,为使得企业架构信息模块展示更加清晰化、标准化等,本文针对不同场景中出现不同的业务关系,提出设计一种应用关系的可视化架构系统,进行可视化展示。面向应用关系架构可视化系统能够高效的对企业中各个部门及其关联关系进行监管和可视化展示,针对这些应用关系不清晰等问题,三维可视化模型应运而生。本文为解决应用关系架构系统中出现错乱复杂的架构关系,各应用关系梳理不透明、不直观等问题;三维可视化有其独特的显示优势,将可视化理念融入应用关系架构管理过程中,建立起多层级可视化模型,涵盖了下至IT基础设施层上至系统应用、业务逻辑层,解析位置属性、节点种类、规则属性和关系属性,并以三维可视化形式呈现,使企业内部架构以及节点之间关联关系清晰直观。本文采用层级布局算法、环形分布算法、星型布局算法等不同的布局算法,针对架构系统节点数目和节点关系的不同特点,匹配相对应布局算法,使得多层级架构系统可视化更加灵活展示。通过实验结果表明,本文提出的方法能够简单明晰地展现架构系统,更加灵活匹配各种复杂业务关系。系统设计技术采用基于Java中SpringMVC框架技术,运用可视化技术设计与实现。使用Spring MVC框架与Unity3D的结合实现了系统的前后端分离,使系统具有良好的稳定性、实时性、可见性、高效性。
基于具身认知理论的化学虚拟实验系统设计与开发
这是一篇关于具身认知,虚拟实验,Unity3D,设计流程的论文, 主要内容为随着教育信息化的蓬勃发展,虚拟实验已经成为有效的实验教学手段。虚拟实验不仅能够使实验方式打破时空的限制,而且能够规避真实实验中产生的安全问题。为使虚拟实验发挥出更大的教学效益,更好的满足实验教学的要求,本文将具身认知理论应用于虚拟实验的设计与开发中。近年来具身认知理论作为认知心理学的重要研究领域受到越来越多学者的广泛关注,它强调人身体在认知过程中发挥着重要作用,以环境中具体身体构造和身体活动为基础。教育学与心理学界持续关注认知过程的发生与学习效率的提升等方面问题。基于此,本文从具身认知理论角度出发,依托虚拟现实技术,进行了基于具身认知理论的化学虚拟实验系统设计与开发研究。(1)本文首先对研究相关的国内外现状进行分析,界定关键理论及概念,梳理具身认知、以学为主教学设计过程模式等理论,进而提出具身认知发生所需要素,并将其对应于虚拟实验系统设计要素中,形成理论对实践的指导。(2)归纳总结虚拟实验系统设计原则,提出基于具身认知理论的化学虚拟实验系统的设计流程,并总结虚拟实验系统学习过程模式。系统以化学实验为学习内容,利用Unity3D、3ds max等软件开发一款基于具身认知理论的化学虚拟实验系统,学生可以利用该系统进行具身性的操作训练。(3)最后将系统进行修改、完善并投入使用。研究选取某校高二学生为实验对象,并通过实验与问卷调查的形式对使用效果进行反馈与总结。分析系统使用后的样本数据,得出该系统在实际应用中具有一定的积极作用。可以看出本文所提出基于具身认知理论的化学虚拟实验系统的设计流程有较好的实践意义。本研究将具身认知理论融入虚拟实验的设计与开发中,阐述了系统设计原则与开发流程框架,并提出了系统的学习过程模式。将开发出来的系统应用于实际中,丰富了具身认知与虚拟实验教育应用的理论层次,并提供实践参考价值。
基于Unity3D的仓储可视化编辑器的设计与实现
这是一篇关于Unity3D,B/S,架构,可视化编辑器,三维场景,仓储可视化的论文, 主要内容为近年来,随着仓储业的快速发展和仓库物资种类的不断增加,传统的人工管理远远不能满足现代仓库管理的需要。而基于虚拟现实的三维可视化管理系统因能够提供实时、直观和沉浸式的管理方式而越来越受到仓库管理人员的青睐。任何三维可视化系统的开发都需要一款无缝对接的编辑器。本文提出的仓储可视化编辑器可以帮助用户快速搭建真实三维场景。与大多数三维场景编辑器不同的是,它是一款B/S架构的在线编辑器。用户不需要复杂的安装,只需要通过浏览器即可搭建三维场景。本文通过深入研究,设计并实现了基于Unity3D的仓储可视化编辑器。主要的研究成果如下:首先,通过对编辑器的使用背景进行分析,得到编辑器的目标功能。通过对编辑器的各个用例场景进行分析,得到编辑器的功能列表。然后,根据编辑器的功能列表和已有的技术基础对编辑器进行设计和实现。在设计阶段,首先介绍了编辑器的架构设计和主界面设计。紧接着,完成了编辑器统一通信接口的设计,同时对编辑器的各个功能模块的设计进行详细介绍。另外,还完成了编辑器后台数据库的设计。在实现阶段,给出了各个模块的关键类图,并对核心代码进行分析,同时还给出了部分实现效果图。最后,对实现的仓储可视化编辑器进行测试。通过搭建真实的机柜仓库三维场景来对编辑器进行测试,在搭建机柜仓库三维场景的过程中,编辑器不仅操作方便、简单实用,而且各个功能模块运行良好,能够达到预期目标。
激光实验平台的数字孪生控制监测系统设计与实现
这是一篇关于数字孪生,激光实验平台,交互控制,运动监测,Unity3D的论文, 主要内容为激光实验平台是进行各类激光加工研究的重要科研设备。由于激光实验平台多为使用单位自行设计、搭建而成,成熟的整套商用实验系统解决方案并不多见,导致现有实验平台整体的数字化、智能化程度不高;又限制于实验平台自身空间结构紧凑且复杂的特点,不便于通过加装辅助装置的方式来提升平台系统的整体性能。数字孪生技术是在虚拟空间构建与物理实体进行实时数据交互的数字孪生模型,利用该模型同步映射物理实体的全生命周期状态。通过数字孪生模型可对实体设备运行情况进行直观有效的监测,同时能利用实时采集的运行数据实时仿真模拟并将结果反馈至实体设备,从而提升实体的各项性能。因此,利用数字孪生技术对激光实验平台这类传统设备进行技术升级改造,对提升平台的操作便利性、运行安全性以及运动监测直观性具有重要的现实意义。本文选择以激光实验平台为基础,针对平台运动执行机构设计数字孪生控制监测系统,完成实验平台与数字孪生模型之间的交互控制和可视化监测。该系统采用MQTT通讯协议搭建虚实之间数据中转网络,在Unity 3D引擎中设计虚拟控制面板,与物理空间中经过二次开发后的原实验平台控制软件Kinesis共同作为消息发布/订阅客户端。两客户端之间可实现虚实空间中数据信息的实时交互,使孪生模型映射实验平台的行为状态,提高对平台状态监测的便捷性;同时可根据实验平台实时数据对孪生模型进行碰撞检测分析,提升平台使用时的安全性。首先,需要明确数字孪生控制监测系统设计方案的目标及流程,进而分析系统功能需求,确定方案总体逻辑框架。同时针对本文孪生系统的各项功能及性能需求,确定系统开发环境、机算机硬件基础和实体设备硬件条件,完善系统整体设计方案。其次,针对数字孪生控制监测系统中的虚、实客户端进行功能性开发。选择激光实验平台中单台光学位移平台作为前期实验硬件基础,虚实两端引入MQTT组件后,与MQTT服务器构成通讯单元。数字孪生模型根据数据信息对实验平台进行实时映射,用户可通过二次开发后的控制软件Kinesis或虚拟控制面板完成对实验平台与孪生模型的同步交互控制。在实体设备端充分利用控制软件.dll文件进行程序底层代码的二次开发,通过引用设备运动控制功能类,确保控制指令可被实验平台准确识别。在虚拟引擎端和实体设备端分别根据不同尺度的运动基础单位和程序数值类型要求,选择了合适的数据类型以满足高精度数据传递需求,保证实验平台的运行精度。再次,根据数字孪生数据传输实时性要求和实验平台各类机构组件的外形几何特点,在孪生模型中选择引入AABB树碰撞检测算法,设计干涉包围盒可视化显示功能。在虚拟设备端,碰撞检测算法对有碰撞风险的实验平台机构行为进行干涉判断,检测结果将调动实验平台运动中止命令,并通过MQTT中设立的专用消息发布频道传递至实验平台,及时中止平台运动。最后,对数字孪生控制监测系统整体进行功能整合并进行性能测试。测试结果表明,数字孪生系统的数据传递延时性较低,跨软件间数据传递耗时小于30ms,运动数据能够准确传递并运行。同时系统的碰撞检测功能和多视角切换功能均可运行正常,人机交互界面各区块功能正常。数字孪生系统运行时对计算机性能占用率较低,具有良好的稳定性。
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