Simulace technologických procesů pomocí virtuální reality

Tags: BIM | PLM | Simulace | Virtuální realita

Seznámení se s novými postupy technologických operací v průmyslu a s exponovanou výrobou nebývá v praxi příliš snadné. Osvojení určité technologie na zařízeních vznikajících v průmyslové praxi globálně napříč odbornými týmy je o to složitější. Zobrazovací systémy vázané na principy virtuální reality mohou být v této oblasti výrazně nápomocny. Spojení rychlé komunikace s precizně prezentovanými daty může předejít v konstrukci výrobků a jejich užití řadě složitých situací.

Počátkem letošního roku se naskytla možnost strávit několik dní v prostředí tvůrčího týmu ve společnosti EBNER. Hlavním cílem projektu bylo připravit pro výuku našich mladých techniků představení technologických systémů pro zpracování lehkých neželezných kovů s využitím postupů virtuální reality. Po projektu Poutního kostela svatého Jana Nepomuckého na Zelené hoře to tak byla další ze zajímavých zkušeností využití virtuální reality ve výuce na odborné škole, tentokrát v úzké spolupráci se špičkovou průmyslovou praxí. Do projektu bylo postupně zapojeno několik studentů školy, kteří úzce spolupracovali s realizačním projektovým týmem.

Moderní výuka na moderních technologiích

Technologie virtuální reality je řešena na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou v úzké spolupráci s mezinárodní odbornou komunitou Autodesk Academia. Technologie, které jsou využívány ve výuce odborných předmětů, se objevují na stolech studentů prakticky již v uvedení prvních veřejných testovacích verzí. Jsou využívány v oblastech výuky, realizace ročníkových projektů a maturitních prací. Za velmi cennou devizu pak považujeme především výukové projekty, které vznikají na praktických tématech, případně v úzké spolupráci s průmyslovou praxí. Ty umožňují výrazně sblížit odbornou výuku s nejnovějšími technologiemi a know-how z jednotlivých oborů.

Zařízení pro průběžné tepelné zpracování neželezných kovů

Právě do této oblasti patří projekt, jehož snahou je ukázat na špičkových produktech možnosti koncepčního nasazení virtuální reality v oblasti odborné výuky projektování a designu s využitím PLM, případně BIM technologií. Potenciál takto názorně zpracovaných témat přímo ve spolupráci s průmyslovou praxí dává možnost rozvoje odborných znalostí na úrovni mezinárodní spolupráce. Základní myšlenkou projektu realizovaného ve spolupráci studentů a pedagogů z VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou a společnosti EBNER bylo připravit pro výuku technických předmětů názornou demonstraci tepelného zpracování neželezných kovů v elektrické peci. Jedná se ve strojírenské praxi o častý problém malosériové až hromadné výroby, kdy je nutné zpracovat kontinuálně velké množství výrobků s maximální efektivitou v krátkém čase a s nízkou energetickou náročností.

Názornost na prvním místě

Vysvětlit a demonstrovat řadu technických problémů na tradičních podkladech, často vycházejících z 2D dokumentace, není příliš snadné. Ilustrativnost a názornost jednotlivých postupů je při tom poddajná zachycení funkčnosti výrobku, která může být velmi komplikovaná. Tato hlediska nejen znesnadňují výuku na škole, ale mohou být také rozhodující pro efektivní řešení požadavků zadavatele, realizaci návrhového procesu, seznámení obsluhy s novým výrobním zařízením nebo postupem řešení závad. Technologie virtuální reality může v této oblasti být silným nástrojem umožňujícím ještě na úrovni digitálního prototypu vyřešit řadu problémů napříč světem a obory.

Tradiční výkresová dokumentace a podklad pro výuku v podobě, jak ji známe

Využití nejnovějších zobrazovacích systémů poskytuje ve spojení se systematicky řešenými projekty s úzkou vazbou na tvorbu 3D digitálních prototypů pomyslnou dimenzi navíc. Jedná se o přidanou hodnotu, která výrazně zjednodušuje objasnění určitých partií, kdy běžné postupy a názornost selhávají. V našem případě jsou technologické procesy skryty uvnitř výrobního zařízení a studentům v rámci odborné výuky je možné jen ilustrovat funkčnost zařízení jako takového. Navíc vzhledem k vysokým teplotám uvnitř pece není možné na jednotlivé jeho díly reálně nahlédnout například v případě odborné exkurze. Jedinou možností představit toto zařízení a jeho koncept je tradičně možné pouze na 2D výkresové dokumentaci.

Příprava 3D dat pro virtuální realitu

Prezentace v prostředí virtuální reality může být připravena jako struktura rastrových informací rendrovaných například pomocí cloudu, nebo jako akcelerovaná 3D grafika. Námi aplikované postupy virtuální reality a principy jejího zobrazování těží z grafické akcelerace a dynamické vizualizace pomocí akceleračního API standardu OpenGL, případně Direct X 3D. Pro zdárný výsledek, který nepřetíží vlastní grafický systém, je nutné citlivě optimalizovat množství zobrazovaných 3D polygonálních dat, která jsou primárním zdrojem pro grafický systém.

Technologie 3D navrhování v podobě dynamické vizualizace výrobního zařízení

Pro řešení názorného výukového modelu bylo zvoleno jedno z typických výrobních zařízení společnosti EBNER. Jednalo se konkrétně o konstrukční řešení elektrické pece pro zpracování hliníku vytvrzováním s podavači na vstupu a výstupu. Studentům byl nejprve v rámci výuky CAD technologií na škole představen klasický 2D/3D koncept dokumentace. Vzhledem k rozsahu primárního projektu a jeho objektové náročnosti bylo nutné s přihlédnutím k cílům užití optimalizovat strukturu 3D dat.

Technologie virtuální reality je velmi názorná a ilustrativní.

V případě virtuální reality je stěžejním hlediskem zdárného řešení akcelerovaný objem 3D polygonálních dat přenášených do zobrazovacích jednotek a kvalita textur. Porce dat je navíc dvojnásobná pro každou ze zobrazovacích 2K jednotek systému HTC Vive. Požadavky na grafický systém jsou navíc umocněny frekvencí 90 snímků za sekundu v dynamickém režimu renderování. Nevýhodou pro školu v této oblasti je nutnost investovat do odpovídající pracovní stanice vybavené grafickým akcelerátorem s podporou VR technologie a dynamické vizualizace. V našem CPU I7 a GPU NVIDIA 1080, případně 980 pro nižší nároky. Technologie HTC Vive je aktuálně vzhledem k podpoře technického softwaru a Open VR technologie velmi dobrou volbou. Výhodou jsou také poziční ovladače a podpora přímého skriptování v řadě odborných PLM a BIM aplikací.

Tým studentů z VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou prezentuje řešení virtuální technologie ohřevu.

Závěrem

Představení technologických procesů řešené ve spolupráci týmu složeného ze studentů a pedagogů VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou a odborníků ze společnosti EBNER ukazuje zajímavé možnosti využití této techniky nejen ve vzdělávání našich budoucích techniků. Projekt poskytuje velmi zajímavé zkušenosti a závěry s touto technologií, která je řadě uživatelů ještě svým způsobem vzdálená. Děkujeme našim studentům a společnosti EBNER za aktivní podporu při zpracování projektu. Další informace o projektu najdete na adrese www.spszr.cz.

Finální virtuální studie provozu pro výuku tepelného zpracování hliníku