一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，包括：用于模拟碳纤维生产线水浴牵伸过程的前台水浴牵伸三维虚拟对象；用于建立碳纤维生产线水浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系，并将计算结果传递到前台三维虚拟对象中进行动画显示的后台水浴牵伸数据模型；用于输入设备参数，及显示操作变量与过程指标的变化曲线的人机交互模块。该系统可对碳纤维生产线水浴牵伸过程进行模拟和再现，能够将碳纤维生产线水浴牵伸过程引入虚拟实验教学、岗前培训以及技术仿真中，不仅有效地控制了实验与培训成本，降低了在真实的水浴牵伸过程开展实验的风险，而且本系统可以根据实际需求自定义设备参数及特性，即具有扩展功能。
【专利说明】
一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，属于虚拟实验系统领 域。
【背景技术】
[0002] 随着社会和经济的迅猛发展，工业生产、社会生活各相关领域对于材料的性能要 求越来越高。作为世界材料史上一次重大的突破，这种新型高技术材料在航空航天、国防军 事、能源开发领域、建筑、交通运输、医疗器械、运动器材等领域都得到了广泛的应用和发 展。
[0003] 目前，各国都在加大投入碳纤维方面研究力量。但总体上讲，我国碳纤维产业现阶 段整体发展水平仍与国外存在较大差距。中国难以建立具有高品质、高产量碳纤维生产能 力的生产线。部分企业引进国外先进的碳纤维生产线，但由于员工操作水平低、国外技术保 密、过程控制技术差等原因，造成纺丝速度慢、产品高品率低、生产效率不达标。因此需要对 操作人员进行岗前培训，使操作人员加深对碳纤维生产线水浴牵伸过程的了解与认识。
[0004] 虚拟现实技术作为一种集多感知性、存在感、交互性、自主性于一体的模拟环境技 术，越来越多的现场操作人员和科研人员意识到了它的应用价值。将虚拟现实技术应用到 碳纤维生产线水浴牵伸过程中必然会加深操作人员对的碳纤维生产线水浴牵伸过程的直 观认识，增强可视化和交互性能，使得系统更加贴近人们在现实世界中的思维行为模式。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是如何形象地模拟碳纤维生产线水浴牵伸过程对象。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种碳纤维生产线水浴牵伸过 程虚拟对象系统，其特征在于，包括：
[0007] 用于模拟碳纤维生产线水浴牵伸过程的前台水浴牵伸三维虚拟对象；
[0008] 用于建立碳纤维生产线水浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系，并将 计算结果传递到前台三维虚拟对象中进行动画显示的后台水浴牵伸数据模型；
[0009] 用于输入设备参数，及显示操作变量与过程指标的变化曲线的人机交互模块。
[0010] 优选地，所述前台水浴牵伸三维虚拟对象包括原液贮槽、喷丝头、凝固液回收槽、 凝固液槽、水浴牵伸槽、导丝辊、牵伸辊、进液口、出液口、开关。
[0011] 优选地，所述前台水浴牵伸三维虚拟对象采用虚拟三维可视化运行器与三维场景 交互技术设计，具体设计步骤如下：
[0012] 步骤1-1:选取碳纤维水浴牵伸设备的基本截面进行草绘，利用几何构型的方式建 立碳纤维水浴牵伸设备各部件的外观属性；
[0013] 步骤1-2:综合已有的图像信息和图形信息，布置一个三维虚拟实验平台场景；根 据真实的碳纤维水浴牵伸生产过程设备的位置、大小、遮挡关系，制作原液贮槽、喷丝头、凝 固液槽、水浴牵伸槽、导丝辊、牵伸辊、进液口、出液口、开关的三维模型；
[0014] 步骤1-3:将后台水浴牵伸数据模型中的凝固浴浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度操 作变量传递到前台水浴牵伸三维虚拟对象中，根据凝固浴溶液浓度的不同，显示不同的凝 固浴颜色；
[0015] 步骤1-4:在虚拟三维水浴牵伸过程场景中制作控制水浴牵伸过程中导丝辊速度、 牵伸辊速度、凝固浴浓度的脚本;鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本;鼠标滚轮控制场景的 放大缩小、场景摄像机的上下移动脚本;参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚 本;文本框显示脚本；
[0016] 步骤1-5:将脚本附着于对应的三维碳纤维生产线水浴牵伸过程模型上，在场景中 添加摄像机、灯光、预置模型，并设置模型属性和父子关系；
[0017] 步骤1-6:打包发布为可供人机交互操作界面调用的组件。
[0018]优选地，所述步骤1-3中，当凝固浴溶液浓度为65%_70%，凝固浴颜色为蓝色；当 凝固浴溶液浓小于65%，凝固浴颜色为绿色；当凝固浴溶液浓大于70%，凝固浴颜色为紫 色。
[0019] 优选地，所述碳纤维生产线水浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系包 括:凝固浴溶液浓度、进水量、溶液出量与塑性过程时间之间的特性关系，以及导丝辊速度、 牵伸辊速度与牵伸率、塑性时间之间的特性关系。
[0020] 优选地，所述后台水浴牵伸数据模型的建立包括以下步骤：
[0021 ]步骤2-1:将凝固浴溶液浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度、进水量、溶液出量作为操 作变量;材质本身的材料杨氏模量、原丝直径、辊间距、塑性黏度作为输入参数;将塑性过程 时间、牵伸率作为过程指标；
[0022] 步骤2-2:通过人机交互模块输入参数，将输入参数以数据库存入再读取的方式传 递给后台水浴牵伸数据模型；
[0023] 步骤2-3:采用三阶高斯函数曲线对牵伸率与时间进行数据拟合得到碳纤维水浴 牵伸过程数据模型：
[0025] 其中，牵伸率为et，时间为1：，31、32、33、131、匕2、匕3、〇1、〇2、〇3为模型系数，米用最小二 乘法拟合数据得到；
[0026] 步骤2-4:将数据拟合得到的模型系数、牵伸率、塑性过程时间、凝固浴温度返回人 机交互模块进行结果显示。
[0027] 优选地，所述人机交互模块包括参数输入界面、数据传递组件、结果输出界面、实 时曲线显示界面。
[0028] 优选地，所述参数输入界面中，将材质本身的材料杨氏模量输入参数范围设定为 220~230GPa，原丝横直径输入参数范围设定为6~l〇Mi，辊间距入参数范围设定为0.8~ 1.2m，塑性黏度输入参数范围设定为0.8*10 8~0.9*108Pa. s，进水量输入参数范围设定为10 ~1500g/s，溶液出量参数范围设定为10~1500g/s。
[0029] 优选地，所述参数输入界面中，当输入参数变量超出其边界限定值时，数据监控界 面将弹出文本框警示，如果无警告，将该输入参数存入数据库中。
[0030] 优选地，所述数据传递组件中，将后台水浴牵伸数据模型产生的中间数据及牵伸 率存入数据库中，读取数据数据库中输出、输出数据，进行三维虚拟对象外观显示和参数输 出界面文字及数码字体显示。
[0031] 本发明提供了一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，采用虚拟现实技术 和数据建模技术模拟碳纤维水浴牵伸过程。通过三维引擎技术，搭建场景、实时交互、数据 通信等功能，具备逼真的凝固浴浓度、温度、牵伸辊速度显示效果;通过数据模型建立水浴 牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系，并将计算结果传递到虚拟对象中进行动画 显示，通过人机交互模块可以输入设备参数，及显示操作变量与过程指标的变化曲线。
[0032] 虚拟纤维水浴牵伸过程对象可对碳纤维生产线水浴牵伸过程进行模拟和再现，在 不同三维视角下，全方位地体验碳纤维生产线水浴牵伸过程的运行方式，加深操作人员对 实际过程与环境的认识。操作结束后，将各类实验数据分类存储，借以实现操作人员经验的 积累和知识的共孚。
[0033] 本发明提供的系统克服了现有技术的不足，虚拟碳纤维生产线水浴牵伸过程仿真 操作和演示练习平台，能够进行技能操作仿真和理论学习，同时提供的全新多媒体展示方 式使操作人员身临其境地体验碳纤维生产线水浴牵伸过程的真实环境，全面了解碳纤维水 浴牵伸过程的相关信息。同时该虚拟对象系统也可以用作碳纤维生产线水浴牵伸过程的教 学与控制技术科研实验，还有助于提升操作人员的培训效率、实验教学人员的教学效率和 科研人员的仿真真实性;不仅有效地控制了实验与培训成本，降低了在真实的水浴牵伸过 程开展实验的风险，而且本系统可以根据实际需求自定义设备参数及特性，即具有扩展功 能。
【附图说明】
[0034] 图1为碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统实现结构示意图；
[0035]图2为三维虚拟对象开发流程图；
[0036]图3为水浴牵伸过程示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0038] 如图1所示，本发明提供了一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，包括虚 拟碳纤维生产线水浴牵伸过程后台数据模型的建立和模拟;数据库的搭建和配置;前台三 维虚拟对象和场景的设计与实现;人机交互模块的创建和应用。
[0039] 其中前台水浴牵伸三维虚拟对象的实施方式如图2所示。虚拟实验对象包括原液 贮槽、喷丝头、凝固液回收槽、凝固液槽、水浴牵伸槽、导丝辊、牵伸辊、进液□、出液□、开关 等部件，采用虚拟三维可视化运行器与三维场景交互技术设计，实现步骤如下：
[0040] 步骤1:选取碳纤维水浴牵伸设备的基本截面进行草绘，在取得水浴牵伸设备的 长、宽、高数据的基础上，进行结构的拆分，利用几何构型的方式，借助3dsmax或maya三维模 型制作软件进行三维建模。
[0041] 步骤2:利用旋转、拉伸、车削等操作将基本的圆柱体，圆锥体、长方体、管状体制作 成初步成型的碳纤维水浴牵伸设备。
[0042] 步骤3:修改初步成型的碳纤维水浴牵伸设备模型各曲面弯曲程度，界面大小等。 尽量减少模型面数，并删除看不见的面和没有关联的点，提高贴图的利用率。
[0043]步骤4:在保证碳纤维水浴牵伸设备模型失真性小的情况下，对各转弯处进行平滑 和优化。
[0044] 步骤5:布置各水浴牵伸设备模型，最后利用阵列、倒角、拔模等操作完成整体制 作。
[0045] 步骤6:进行材质和贴图的制作，附着于水浴前身设备模型之上，完成渲染工作。
[0046] 步骤7:将制作完的水浴牵伸设备模型进行对应fbx格式文件的导出操作，导出到 下述三维交互引擎开发平台工程文件中。
[0047]步骤8:综合已有的图像信息和图形信息，利用unity3d平台，布置一个三维虚拟实 验平台场景。根据真实的碳纤维水浴牵伸生产过程设备的位置、大小、遮挡关系，摆放原液 贮槽、喷丝头、凝固液槽、水浴牵伸槽、导丝辊、牵伸辊、进液口、出液口、开关的三维模型。
[0048] 步骤9:将后台水浴牵伸数据模型中的凝固浴浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度操作 变量传递到前台水浴牵伸三维虚拟对象中，当凝固浴溶液浓度在65%_70%范围内，凝固浴 颜色为蓝色；当凝固浴溶液浓小于65%，凝固浴颜色为绿色；当凝固浴溶液浓大于70%，凝 固浴颜色为紫色。
[0049] 步骤10:在虚拟三维水浴牵伸过程实验场景中制作水浴牵伸过程控制牵伸辊速 度、凝固浴浓度的脚本；鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本；鼠标辊轮控制场景的放大缩 小、场景摄像机的上下移动脚本;参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚本;文本 框显示脚本。
[0050] 步骤11:确定水流的粒子类型，初始化粒子系统，设置粒子数量、颜色、大小、形状、 初始位置。结合水流的运动规律设置其的运动规律，制作粒子效果的更新和消亡的脚本。
[0051] 步骤12:将脚本附着于对应的三维碳纤维生产线水浴牵伸过程模型上，按照水浴 牵伸过程的工序串行、并行地将脚本融合在一起。在场景中添加摄像机、灯光、预置模型，并 设置模型属性和父子关系。
[0052]步骤13:设计交互属性可更新的执行脚本，打包发布为可供人机交互操作界面调 用的组件。
[0053]其中的后台水浴牵伸数据模型为凝固浴溶液浓度、进水量、溶液出量与塑性过程 时间之间的函数关系和导丝辊速度、牵伸辊速度与牵伸率、塑性过程时间之间的函数关系。 如图3所示，实现步骤如下：
[0054]步骤1:凝固浴溶液浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度、进水量、溶液出量作为操作变 量;材质本身的材料杨氏模量、原丝直径、辊间距、塑性黏度作为输入参数;将塑性过程时 间、牵伸率作为过程指标。
[0055] 步骤2:设导丝辑与牵伸辑间距为L，塑性过程时间为t塑，导丝辑速度为Va范围为 0.5~2.5m/s，牵伸辑速度为V。范围为1.5~15m/s，塑性过程时间按照如下模型得到： 0)
[0057]步骤3:设t为时刻，Tt为t时刻张力，合力转矩Tm，空载转矩To(设置为IN.m)，速度转 矩T速，辊轮角速度为co,其中合力转矩由所受合力F〇(设置为0.01N)与辊轮半径为r(设置为 0.1m)组成，速度转矩T速由转动惯量为J(设置为0.01kg ?m2)与原丝加速度
组成。其中《 由人机交互模块输入得到，张力Tt按照如下模型得到：
P)
[0059]步骤4:设牵伸率为et，原丝杨氏模量为E，原丝直径为D，塑性粘度为n，其中E、D、n 由人机交互模块输入得到，带入公式2,牵伸率与时间、原丝杨氏模量、原丝直径、塑性粘度 之间的特性关系如下：
(3)
[0061]步骤5:设凝固浴t时刻浓度为Ct，设凝固浴t时刻的上一时刻t-1时刻浓度为Ct-i， DMS0溶液扩散系数Ddmsq范围为1.89*10-6~5.79*10-6cm2/s，水溶液扩散系数D水范围为1.34* 10 一6~4.46*1〇-6〇112/8，出溶液流量为如，进水流量为〇?，水的密度为0水设置为1 8/〇113,〇15〇 溶液的密度为Pdmso设置为l.lg/cm3,在凝固浴中一根原丝发生扩散的面积S(其中原丝长度 L长0 ? 5m，故S = jtDL长)，在凝固浴中原丝的条数A范围为0 ? 4* 101()~1* 101()根，原液贮槽中溶液 质量为m原为1.22*107~1.23*10 7g，凝固初始浓度Ct=o为0.68。其中Q出、〇?由人机交互模块输 入得到，凝固浴浓度Ct按照如下模型计算而得：
(4)
[0063]步骤6:采用三阶高斯函数曲线拟合步骤4获得的牵伸率随时间变化数据，得到以 下数据模型：
(S)
[0065] 其中，牵伸率为￡t，时间为1：，31、32、33、131、匕243、(31、〇2、〇3为模型系数，采用最小二 乘法拟合数据得到。
[0066] 步骤7:通过人机交互模块输入参数，将输入参数以数据库存入再读取的方式传递 给后台水浴牵伸数据模型。
[0067] 步骤8:将产生的中间变量加速度、原丝张力记录在建立好的数据库中。
[0068] 步骤9:将完成的数据模型进行动态软件接口模型的转换，打包完成可由对应交互 界面软件制作框架可载入的接口模型。
[0069]人机交互模块包括参数输入界面、数据传递组件、结果输出界面、实时曲线显示界 面。实现步骤如下：
[0070]步骤1:将材质本身的材料杨氏模量输入参数范围设定为220-230GPa，原丝直径输 入参数范围设定为6-lOym，辑间距入参数范围设定为0.8-1.2m，塑性黏度输入参数范围设 定为0.8*108-0.9*10 8Pa.s，进水量输入参数范围设定为10~1500g/s，溶液出量参数范围设 定为10~1500g/s。当上述输入参数变量超出其边界限定值时，数据监控界面将弹出文本框 警示，如果无警告，将上述输入参数存入数据库中。
[0071 ]步骤2:结合实验要求，建立一个体系完整的Access数据库，在数据库基础上实现 Winform平台用户的登录和登出。用户可通过唯一ID号，作为进出虚拟实验室的通行证，学 生可以通过注册帐号完成这一行为，当实验完成后，相应的实验结果会保存在对应存储设 备中。
[0072]步骤3:读取数据库中输出、输出数据，进行三维虚拟对象外观显示和参数输出界 面文字及数码字体显示。
[0073]步骤4:读取数据库中的牵伸率、凝固浴浓度、时间，利用曲线显示工具进行二维曲 线显示，其中加入数据选点、滚动条、波形刷新的功能。
【主权项】
1. 一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于，包括： 用于模拟碳纤维生产线水浴牵伸过程的前台水浴牵伸三维虚拟对象； 用于建立碳纤维生产线水浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系，并将计算 结果传递到前台三维虚拟对象中进行动画显示的后台水浴牵伸数据模型； 用于输入设备参数，及显示操作变量与过程指标的变化曲线的人机交互模块。2. 如权利要求1所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述前台水浴牵伸三维虚拟对象包括原液贮槽、喷丝头、凝固液回收槽、凝固液槽、水浴牵伸 槽、导丝辊、牵伸辊、进液口、出液口、开关。3. 如权利要求1或2所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在 于：所述前台水浴牵伸三维虚拟对象采用虚拟三维可视化运行器与三维场景交互技术设 计，具体设计步骤如下： 步骤1-1:选取碳纤维水浴牵伸设备的基本截面进行草绘，利用几何构型的方式建立碳 纤维水浴牵伸设备各部件的外观属性； 步骤1-2:综合已有的图像信息和图形信息，布置一个三维虚拟实验平台场景;根据真 实的碳纤维水浴牵伸生产过程设备的位置、大小、遮挡关系，制作原液贮槽、喷丝头、凝固液 槽、水浴牵伸槽、导丝辊、牵伸辊、进液口、出液口、开关的三维模型； 步骤1-3:将后台水浴牵伸数据模型中的凝固浴浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度操作变 量传递到前台水浴牵伸三维虚拟对象中，根据凝固浴溶液浓度的不同，显示不同的凝固浴 颜色； 步骤1-4:在虚拟三维水浴牵伸过程场景中制作控制水浴牵伸过程中导丝辊速度、牵伸 辊速度、凝固浴浓度的脚本；鼠标左键控制场景摄像机旋转脚本；鼠标滚轮控制场景的放大 缩小、场景摄像机的上下移动脚本;参数传递控制三维模型位置、方向、删除、添加脚本;文 本框显示脚本； 步骤1-5:将脚本附着于对应的三维碳纤维生产线水浴牵伸过程模型上，在场景中添加 摄像机、灯光、预置模型，并设置模型属性和父子关系； 步骤1-6:打包发布为可供人机交互操作界面调用的组件。4. 如权利要求3所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述步骤1-3中，当凝固浴溶液浓度为65%-70%，凝固浴颜色为蓝色；当凝固浴溶液浓小于 65%，凝固浴颜色为绿色；当凝固浴溶液浓大于70%，凝固浴颜色为紫色。5. 如权利要求1所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述碳纤维生产线水浴牵伸过程操作变量与过程指标之间的特性关系包括:凝固浴溶液浓 度、进水量、溶液出量与塑性过程时间之间的特性关系，以及导丝辊速度、牵伸辊速度与牵 伸率、塑性时间之间的特性关系。6. 如权利要求1所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述后台水浴牵伸数据模型的建立包括以下步骤： 步骤2-1:将凝固浴溶液浓度、导丝辊速度、牵伸辊速度、进水量、溶液出量作为操作变 量;材质本身的材料杨氏模量、原丝直径、辊间距、塑性黏度作为输入参数;将塑性过程时 间、牵伸率作为过程指标； 步骤2-2:通过人机交互模块输入参数，将输入参数以数据库存入再读取的方式传递给 后台水浴牵伸数据模型； 步骤2-3:采用三阶高斯函数曲线对牵伸率与时间进行数据拟合得到碳纤维水浴牵伸 过程数据模型： 其中，牵伸率为et，时间为t，ai、a2、a3、bi、b2、b3、ci、C2、C3为模型系数，采用最小二乘法拟 合数据得到； 步骤2-4:将数据拟合得到的模型系数、牵伸率、塑性过程时间、凝固浴温度返回人机交 互模块进行结果显示。7. 如权利要求1所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述人机交互模块包括参数输入界面、数据传递组件、结果输出界面、实时曲线显示界面。8. 如权利要求7所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述参数输入界面中，将材质本身的材料杨氏模量输入参数范围设定为220~230GPa，原丝横 直径输入参数范围设定为6~IOym，辊间距入参数范围设定为0.8~1.2m，塑性黏度输入参 数范围设定为0.8*10 8~0.9*108Pa.s，进水量输入参数范围设定为10~1500g/s，溶液出量 参数范围设定为10~1500g/s。9. 如权利要求8所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于:所 述参数输入界面中，当输入参数变量超出其边界限定值时，数据监控界面将弹出文本框警 示，如果无警告，将该输入参数存入数据库中。10. 如权利要求7所述的一种碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象系统，其特征在于： 所述数据传递组件中，将后台水浴牵伸数据模型产生的中间数据及牵伸率存入数据库中， 读取数据数据库中输出、输出数据，进行三维虚拟对象外观显示和参数输出界面文字及数 码字体显示。
【文档编号】G06T17/00GK105894572SQ201610192193
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】韩芳, 赵然, 孔维健, 王直杰, 齐洁, 丁永生, 史瑞麟
【申请人】东华大学