虚拟拆装（通用6篇）
虚拟拆装 篇1
船舶柴油机具有装置较大、结构复杂、各元件配合精密及造价昂贵等特点,在柴油机拆装时,受训人员通常采用分工协作来完成整个拆装过程,操作完成后,拆装数据无法整合,受训人员不能了解整个过程,因此不能很好地考评操作人员的实际掌握程度。利用虚拟现实技术建立对柴油机的虚拟拆装,不仅可以借助计算机生成逼真的实物替代品,而且可以加入实时的人机交互操作。目前,国内外众多高校和研究机构开展拆装过程仿真研究[1,2,3,4,5,6,7],尤其是在教育领域中的应用研究。本文主要对基于虚拟现实技术在船舶柴油机拆装方面进行的研究,涉及到主要零部件的实体建模,拆装平台的搭建,虚拟场景和装配关系的建立,虚拟拆装过程人机交互等方面的探讨与研究。
1 虚拟拆装开发环境
利用VC的视窗程序与第三方软件VRP-SDK的组合方法,实现虚拟拆装的人机交互平台。通过对现有仿真引擎的分析对比,建立适合于船舶上的虚拟系统的一体化平台VRM,该平台通过Microsoft Visual C++ 6.0,Microsoft DirectX 9.0,SDK、VRP开发工具包(VRP-SDK),声音引擎(FMOD-SDK)搭建实现。
1.1三维建模工具简介
目前有三维建模软件很多,如:Autodesk 3ds Max,它的主要建模手段是多边形网格(polygon mesh),并且拥有一个庞大的插件和扩展程序市场;Autodesk Maya,具有非常著名的全能建模工具,强大的角色动画与特效制作能力,具有极强的协作开发能力和可扩展系统;Multigen Creator,具有其独特的Open Flight 数据格式,使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易,但Creator在构造复杂高精度模型上有先天劣势。
本文选用3ds Max作为建模工具,首先它操作方便,易学易用,特殊渲染效果,具有可视化的交互动画建立方法。Autodesk 3ds Max是游戏开发、电视、电影和数字出版行业的首选工具,目前统治着视频游戏工业领域。
1.2仿真工具的选择
商业引擎中有Doom 3、Unreal Enginge 3、Vega Prime和VRP等。Unreal Enginge 3引擎是一套为DirctX9/10和Xbox 360平台准备的完整游戏开发构架,提供大量的核心技术阵列,支持高端开发团队的基础项目建设,但其价格太高;Vega Prime是一款复杂的仿真引擎,其模块化的设计,大大提高了开发效率,并且拥有一些特定的功能模块,可以满足特定的仿真要求,但其存在渲染场景文件的图形精度不好,其建模工具Creator在模型的表现上没有3ds Max强大;VRP是专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发的专业机构,提供有虚拟现实编辑器、物理模拟系统、三维网络平台、工业仿真平台和VRP-SDK应用程序开发包,以及多通道环幕立体投影解决方案等,能满足不同层次的客户需求。
本文采用VRP渲染引擎,因为VRP操作简便,运行速度快,VRP跟3ds Max无缝接合,支持直接从MAX里面把模型导出来,在MAX里面的渲染也能完好的延续到VRP里面,并且相比国外软件而言,有价格上的优势。
1.3柴油机虚拟拆装平台架构
首先用3ds Max建立柴油机主要零部件的三维模型,并根据各种材质进行渲染;然后通过VRP仿真平台,进行脚本编辑,碰撞检测后,可实现在计算机上对柴油机进行拆装过程的训练。其总体设计流程见图1。
2 柴油机虚拟拆装三维场景的设计与建构
2.1设计思路
根据实际情况,对船舶柴油机的零部件进行有针对性的建模,再通过进一步的处理和渲染,最后导入到渲染引擎中,其总体设计流程见图2。
2.2柴油机主要零部件三维实体建模
用3ds Max软件绘制图形,通过贴图等方法对实体图形进行处理,以实现柴油机主要零部件的不同材质。图3为建模后的柴油机气缸盖的三维模型图,图4是通过将所有已建模完成柴油机零部件三维模型组合形成的虚拟柴油机三维模型图。
3 柴油机虚拟拆装仿真过程的设计与实现
3.1柴油机拆装过程的设计
采用Microsoft Visual C++ 6.0和VRP-SDK等API建立了适于船舶虚拟拆装的通用平台,实现过程如图5所示,主要函数如下。
LoadVrpFile()是加载VRP场景函数;ExecuteVrpScript()函数是是应用程序向VRP场景对象发送脚本的接口,各种不同的脚本经过程序处理,数字转换为字符,最后串接为一个字符串,然后使用这个函数将脚本以命令的方式发送到VRP渲染场景对象中,VRP场景对象会得到用户发送的脚本并加以解释执行;GetVrpMsgDesc()函数是获取VRP场景对象信息的函数。在柴油机拆装场景中鼠标跟踪是最常出现的消息,在被图形化的渲染场景中,用户只需要在这个三维场景中的物体或是点击二维面板就可以实现丰富的交互操作。vrp_msg_id是场景发生事件的消息ID,p1是相关三维物体的名称。生成的平台界面见图6。
3.2柴油机拆装仿真过程的实现
柴油机拆装实现过程见图7。
通过对VRP-SDK软件工具包和拆装平台的分析,设计了柴油机拆装在虚拟现实场景中的实现过程,这里只分析柴油机的虚拟拆卸过程的实现。具体的设计及实现过程如图8。
再进行过程交互操作。先拆卸气缸盖,当鼠标移入场景,按下鼠标左击时,就会通过射线算法检测到鼠标处所对应的模型,通过VRP脚本与引擎间的通信,就会在平台“各部件说明”位置给出提示信息,包括选定物体的名称、用途和拆装时的注意事项等内容。当有鼠标右击事件消息时,会弹出相应的对话框窗口,询问操作人员所选合适的工具进行拆除或是组装的操作过程。如果选择:“是”,将执行相应的拆装动画;“否”,返回渲染场景,不做任何处理。操作过程还有声音提醒,这个功能主要是实现一些解说作用。声音效果占有很好的优势,像试车和热磨合的操作,在虚拟现实平台下无法实现的,或是实现起来比较困难,因无法看到整个磨合的过程,此时就可以用声音的方式给出提示。实时的语音特效是对渲染场景中仅采用文本的方式不足的补充。其拆装流程框图及部分源代码如图9。
图9拆装流程图
4 结束语
船舶柴油机在海事主管部门的评估中,占有重要的地位。目前,没有针对船舶柴油机的虚拟拆装训练及评估系统,本文通过大量的理论学习和实践的结合,利用MFC和VRP-SDK及FOMD组建了船舶虚拟拆装的过程。
在分析现有平台的基础上,运用VC、VRP-SDK、FMOD和数据库系统搭建了拆装平台系统,并将语言系统引入拆装过程中,根据操作给出相应的提示。
参考文献
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[8]中视典数字科技.VRP-SDK-VC开发教程[M].北京:中视典数字科技,2008.
虚拟拆装 篇2
MDA09053 解冲
今天一早我们就到了理工楼车间，进行激动人心的汽车构造实验。这次不同于以往的拆装实验只是把机床上的一部分拆卸下来，这次要拆装的是一整辆桑塔纳轿车。我觉得汽车构造非常的重要，是以后学习工作的基础，经过很长一段时间的理论学习之后，进行汽车拆装的实习可以加强我们对汽车构造的更深一步的了解，让很多的疑问得到解决，以及书上的一些抽象的知识具体化，让我们更深入的学习了这些知识。
在老师的带领下熟悉了车间，然后老师给我们演示了各种设备的操作和用途。我们按照老师所讲的步骤一步一步地拆分汽车，并把它们按类别分好，按顺序摆放好，以方便我们安装。首先，我们把汽车用起重设备放了下来，了解了一下挂档的控制杆，然后又把汽车整个吊了上去，经过我思考，费了这么大力气把汽车给放下来就是为了看看挂档的装置，老师还真是一丝不苟….把汽车吊上去之后，我们同学们迅速分工在老师的指导下把汽车的轮子给写了下来，观察刹车装置，一个同学一踩刹车，刹车片外贴，是传统的摩擦式的刹车装置。大家了解了刹车装置之后，在几个同学的配合下，我们用一个巨大的吊钩把发动机整个给勾了出来，发动机后面拖着一个巨大的锥形的变速箱，本来以为汽车的结构非常复杂，会有很多很多东西在里面，但是把发动机给勾出来之后，发现整个车也就没什么东西了。看来这个就是今天的任务了。
因为之前有拆装过汽车的发动机，所以今天的重点是变速箱和差速器的拆装。我们一群人七手八脚的把变速箱给拆开后，里面有大大小小的变速齿轮，一个拨叉和三个轴的上下移动精密的调节着个个齿轮的配合关系，之前学的理论知识活生生的展现在眼前，因为之前的理论都是书本纸张上的东西，所以一见事物还有点不大习惯，不过在老师的讲解下，总算弄懂了个个零件的功能和齿轮的配合关系以及传动比的大小调节方式。突然发自内心的感叹，汽车在几个世纪前就出现了，当时科技那么落后的条件下人类居然就能制造出这么精密的机构，不得不佩服人类的创造智慧啊。
最让我有感触的那个连轴套，通过它的左右移动，吧齿轮练成一体进行传动的那一瞬间，让我觉得特别巧妙。
经过一上午的劳作，我们把汽车整个都拆散了休息了一中午，准备下午把汽车给装起来。
下午我们一早就来了，就开始装配汽车，把轴，齿轮一根根一个个的插回去，我们插错了，或者又不会的时候会回头问老师，老师一般的回应是和蔼的笑一笑，然后说再好好想想… … 在一次次失败的试验后我们终于吧变速箱给装好了，心 里有种成就感，估计老师当时要是直接帮我们弄好了这种成就感也就不会那么强烈了吧。
最让我印象深刻的就要说那个差速器了，这个可是我亲手装起来的，我们吧差速器打开，里面的结构其实并不复杂，四个齿轮，大致成一个球面，两两成九十度啮合。两个齿轮是连在轴上的，有两个齿轮可以在一个圆面上自由活动，那两个自由活动的齿轮掉出来之后，我负责把他们装回去，因为齿轮上面有两个孔，上面有两个垫圈，装那两个齿轮的时候既要保证啮合关系，又要保证垫圈不掉出来，又要保证装第二个齿轮的时候第一个齿轮不掉出来，而且还要保证两个齿轮成180度，总之是在无数次失败之后总结出了安装的技巧，最后终于把它给装回去了，并且即使再弄出来我还是可以很快的装回去。心里特别得意。
最后的工作就是吧发动机，变速箱和差速器轮子重新组装起来装回到汽车内部，在众人的努力下也很快就完成了。
下课了，心情很舒畅，虽然累得筋疲力尽，但是还是很有收获，明白了团队的力量是伟大的，把书本上的知识重新在实践中温习了一遍而且还有很一些新的认知。
虚拟拆装 篇3
液压技术因其大力提升工程质量、无级调速等优点广泛应用与现代工业生产的各个领域。本文采用VB软件调用SOLIDWORKS软件的EDRAWING API, 实现了液压工业影片、虚拟元件的动态拆装和元件工作动画的调用, 对工程设计和维护人员快速掌握液压元件原理和工作过程提供了平台。液压元件虚拟拆装平台主要包括VB人机界面、虚拟元件库和虚拟平台整合三方面技术。
2 VB人机界面设计
液压元件包含动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件四大类, 每大类又包含众多小类, 人机界面的设计便于用户选择所需要的元件, 并进行自动拆装、手动拆装、工作原理、工业影片等功能的选择, 这里选择VB软件进行人机界面设计。Visual Basic 6.0是Microsoft公司提供的一种Windows程序开发工具之一。它是一种可视化的Windows开发语言, 采用驱动编程和交互式开发。主要的界面包括登陆界面、元件调用界面和拆装界面, 核心的拆装界面如图1所示:
3 虚拟元件库设计
Solid Works是一款采用Parasolid图形核心, 基于Widows平台、面向产品级的三维CAD/CAM软件。这里主要采用其建模、装配和机构仿真模块。
3.1虚拟元件建模与装配
为保证与工业现场的一致性, 采用SOLIDWORKS软件建模和装配模块, 按照实际的图纸尺寸构建虚拟元件, 保存为EASM文件, 以叶片泵为例, 如图2所示:
3.2虚拟元件机构仿真
采用爆炸视图方式, 生成拆装演示运动算例。采用SOLIDWORKS软件的机构仿真功能, 表现元件各组成部分相互之间的运动和力学关系, 生成运动算例, 保存为影片格式。以液压缸为例, 如图3所示:
4 虚拟平台整合
借助VB软件的对象与链接技术, 调用EDRAWING API和Media Player.dll实现虚拟元件动态拆装和媒体文件播放。整个拆装平台的运行效果如图4所示:
5 结束语
液压元件虚拟拆装平台以VB软件为基础, 采用嵌入与链接技术, 综合运用了SOLIDWORKS软件的建模、装配、机构仿真和EDRAWING浏览器功能以及媒体播放器的动画播放功能, 实现了液压元件结构和工作过程的动态大信息量的综合展示, 为后续机电液一体化虚拟系统平台的研究奠定了基础。
参考文献
[1]殷国富, 尹湘云, 胡晓兵.SolidWorks二次开发实例精解[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[2]曾祥光, 张玲玲.基于VB的SolidWorks二次开发[J].制造业信息化, 2006, 3.
拆装实习报告 篇4
实习报告
目录
一、实习内容和要求……………………………………………………………
二、实习情况总结………………………………………………………………
一、实习内容和要求
实习内容：
1)发动机的分解：结合剖视图和挂图巩固所学发动机各机构、各系统的组成及相互关系和工作情况。熟悉发动机的安装情况，各零部件总成从发动机上的拆装顺序。（含柴油机拆装、转子发动机的拆装）。
2)曲柄连杆机构的拆装：熟悉机构中各零件的拆、装及装配要点。3)配气机构的拆装：熟悉机构中各零件的拆、装及装配要点。
4)燃料系主要部件的拆装：至少含三种类型化油器的拆装，汽油泵、滤清器、消音器、喷油器、喷油泵、调速器等的拆装及装配要点。
5)冷却系、润滑系的拆装：结合挂图进行主要零部件的拆装，注意装配要点。发动机的整体装配：进行各零部件的清洗，掌握发动机组装顺序，结合装配进一步熟悉各零部件的相互关系，以及发动机组装时的注意事项。
实习要求：
1、掌握柴油机各总成、各零部件的结构及其相互之间的关系，拆装方法和步骤及注意事项。
2、验证和巩固课堂教学所学的理论知识，进一步熟悉各机构工作过程及调整方法和步骤。
3、懂得并能正确地使用常用机、工、量具和专用工具。
4、熟悉和掌握安全操作常识，零部件拆装后的正确放置，分类及清洗方法，培养文明生产的良好习惯。
1、安全注意事项：
（1）注意人身和机件的安全，不了解的先了解后动手，特别注意车间内运动设备运动时的人身安全。
（2）未经许可，不准搬动机件和乱动电器按扭开关。（3）注意防火，防腐蚀。
（4）认真接受实习前的安全教育。
2、操作注意事项：
（1）注意机、工、量、具的正确使用。
（2）严格按技术规范、操作工艺要求进行拆装。
（3）在拆装机件时，应弄清是否可拆部位，不能强行拆卸，拆下的零件应按一定顺序放置。
（4）装配时应先将零部件用规定的清洗液清洗干净、吹干并按规定对需加润滑油零件加注润滑油。
（5）保证实习场地的清洁整齐。
在实习教学中，应以学生为主体，充分调动学生的主动性、积极性。实习过程中记好笔记，实习完成后认真写出实习报告。进行实习考核。实习过程中严格遵守有关规章制度、遵守实习纪律，安全第一。
二、实习情况总结
一）、拆卸：按以下顺序依次拆卸。
1、油路及其相关元件
第一步，放完油箱及油管中的柴油，然后关闭油箱下面的油管阀门。第二步，依次卸载油管螺母、油管、滤油器、油箱和水箱，并将其放到指定的地点。注意：油路元件务必做好保洁工作，不能让其受到污染！
2、电启动装置 第一步，断开电源。
第二步，依次卸载电源、启动开关和电动机，并将其放到指定的地点。注意：放置电源时务必确保电源正负极断开！
3、进、排气装置
依次卸载排气筒、空气滤清器，并将其放到指定的位置。注意：排气筒、空气滤清器都较重，拆卸时应注意安全！
4、气门室罩、汽缸盖及其相关元件、喷油器
第一步，待气门室罩卸载后，依次拆卸摇臂、推杆。第二步，卸载喷油器。第三步，卸载汽缸盖。
注意：卸载汽缸盖螺母须用扭力扳手！
5、飞轮和线圈
第一步，用工具将飞轮外大螺母的止动垫圈打平。
第二步，将飞轮转用扳手套在其螺母上，用锤子敲打扳手，卸载螺母。第 3
三步，用飞轮拉力器将飞轮拉出，并卸下线圈。
注意：飞轮较重，卸载困难，应用其专用工具卸载，且应特别注意安全！
6、齿轮盖及齿轮组、调速器、凸轮轴及挺柱 第一步，卸载齿轮盖边缘螺母，并取下齿轮盖。第二步，依次卸载各齿轮、调速器、凸轮轴及挺柱。
注意：调速器上有六颗钢球及相关元件，确保其不掉落丢失；先取下凸轮轴，然后再取出挺柱！
7、活塞和曲轴
第一步，转动曲轴，让活塞连杆螺栓处于易于拆卸的位置，然后用扭力扳手卸载螺栓。
第二步，待两颗活塞连杆螺栓都拆卸后，分别取下连杆盖、轴瓦。第三步，转动曲轴，以方便用铜棒敲打连杆大端，取出活塞，接着取出曲轴。注意：用铜棒敲打连杆大端时，应避免敲打在连杆大端安装轴瓦处！
8、机油缸及其设备
第一步，应拧开放油螺塞放尽机油。
第二步，放倒发动机，拆下油底壳以及其它相关设备。
注意：拆下油底壳后，应注意观察机油泵的安装位置、曲轴的支承形式等。二）、清洗与润滑
1、取适量清洗液于清洗器中，按照先油管及油路元件，后精密或小元件，最后大元件的顺序依次清洗。
2、清洗壳体。
3、用吹风逐次吹干各元件上的油污，之后将其放到指定的地点。
4、待清洗液干后，用适当的润滑液润滑需要润滑的地方（包括机体）。
注意：清洗各零部件，清洗时注意观察各零部件具体结构，然后按拆卸时的顺序将零部件堆放整齐，准备安装。某些零件棱角尖锐，应注意安全，应将清洗后的元件放置在清洁的地方，并确保其不受污染 四冲程柴油机工作原理
柴油机的工作是由进气、压缩、燃烧膨胀和排气这四个过程来完成的，这四个过程构成了一个工作循环。活塞走四个过程才能完成一个工作循环。
一.进气冲程
第一冲程——进气，它的任务是使气缸内充满新鲜空气。当曲轴旋转肘，连杆使活塞由上止点向下止点移动，同时，利用与曲轴相联的传动机构使进气阀打开，外面空气充入气缸。
二.压缩冲程
第二冲程——压缩。压缩时活塞从下止点间上止点运动，这个冲程的功用有二，一是提高空气的温度，为燃料自行发火作准备：二是为气体膨胀作功创造条件。三.燃烧膨胀冲程
第三冲程——燃烧膨胀。在这个冲程开始时，大部分喷入燃烧室内的燃料都燃烧了。燃烧时放出大量的热量，因此气体的压力和温度便急剧升高，活塞在高温高压气体作用下向下运动，并通过连秆使曲轴转动，对外作功。所以这一冲程又叫作功或工作冲程。
随着活塞的下行，气缸的容积增大，气体的压力下降，工作冲程在活塞行至下止点，排气阀打开时结束。四.排气冲程
第四冲程——排气。排气冲程的功用是把膨胀后的废气排出去，以便充填新鲜空气，为下一个循环的进气作准备。
当工作冲程活塞运动到下止点附近时，排气阀开起，活塞在曲轴和连杆的带动下，由下止点向上止点运动，并把废气排出气缸外排气冲程结束之后，又开始了进气冲程，于是整个工作循环就依照上述过程重复进行。由于这种柴油机的工作循环由四个活塞冲程即曲轴旋转两转完成的，故称四冲程柴油机。
由于进、排气阀都是早开晚关的；所以在排气冲程之末和进气冲程之初，活塞处于上止点附近时，有一段时间进、排
气阀同时开起，这段时间用曲轴转角来表示，称为气阀重迭角 12柴油机拆装心得
首先，我非常感谢系里及其教研室的各位老师提供给我们这么一个难得的机会——柴油机的拆装实习，在平时的教学中我们很少接触到实物，虽然这次难度不高，但是也算是从理论走向实际的一步了，因此这次的拆装实习对我们来说来之不易。从柴油机的拆卸、装配、测绘、建模的过程中，我了解了柴油机的工作原理、工作过程及测绘、建模的知识。我们是以小组为单位进行拆装实习，我们组被分到箱体部分的测绘与建模工作。我们在组长的指导与带领之下顺利地完成了各项工作。
在拆卸与装配过程中，我深刻地意识到了团队的作用，必须协调一致才能完成拆卸工作，而且对拆卸的零件必须有序排放，以便装配。虽然拆卸过程很苦很累，难免还会粘到柴油，但是我们的组员都积极地投入到拆装实习中，将学到的理论知识充分应用于实践中，达到了学以致用的目的。
在测绘与建模过程中，先画出草图，再将测绘的尺寸标注在草图上，我画的是法兰盘，主要完成法兰盘的二维图及其三维图。法兰上有孔眼，螺栓孔及其各种凹凸的形状，看似简单，但去做的时候也遇到了很多问题，因此任何问题只有自己动手去做，才可获知难易。通过本次的拆装实习，我受益匪浅，具体有以下收获：
1.安全第一，任何时候，不管我们干什么，都要注意安全。本次发动机的拆装实习中，发动机本身很重，因此在工作中始终安全第一。
2.对待工作要有科学严谨的态度。就本次实习来说，要按部就班地按照的拆装顺序，拆有拆的顺序，装有装的顺序，拆装的方法也不同，都包含一定的科学道理。不遵循就不能完成任务。
3.扎实的专业知识是学习的坚实基础。本次拆装实习中，如果预先明白柴油机，那么在拆卸的过程中将会很容易理解柴油机各部分的结构，从而提高学习效率。
4.动手能力的重要性。柴油机的拆装与装配时刻需要用扳手等不同的工具，因此动手能力显得尤为重要，通过动手操作，可以激发学习兴趣、培养合作意识、促进思维的创新、解决实际问题，因此更应该加强动手能力的培养。
5.团队合作的重要性。由于柴油机本身的一些特点，因此在对柴油机拆装过程中，经常会需要几个人协同拆卸，而且团队合作往往能激发出团体不可思议的潜力，集体协作干出的成果往往能超过成员个人业绩的总和。这次实习虽然短暂，但也给我留下了不少感悟和眼界，通过拆装实习能把理论和实践紧密结合起来，也加深了了解内燃机的组成。各部分的结构及
虚拟拆装 篇5
关键词：虚拟拆装,自由度,几何约束,物理信息,定位
0引言
虚拟拆装作为民航维修培训中的一个重要环节,对民航维修人员熟悉维修工作,提高拆装效率具有重要意义。目前,虚拟拆装研究[1,2,3]中的零部件信息、拆装关系仍以几何信息为主, 其实质是基于几何模型的虚拟拆装。然而拆装体的拆装性能不仅取决于零部件的几何形状,而且与拆装过程中零部件间的物理作用息息相关。在虚拟环境中,由于从物理学的角度仿真拆装体的拆装过程,能更全面的体现拆装体的各类信息。因此,将以几何信息为主的虚拟拆装发展为包括几何、物理、行为等多方面属性的虚拟拆装也引起人们的更多的关注。
北京航空航天大学王飞,杨湘龙等研究了虚拟现实仿真技术及在飞机拆装中的应用[4],利用VRML(虚拟现实建模语言)进行三维环境构型的基础上,以Java语言设计仿真器并在三维环境下实时驱动对象进行运动,这种方法侧重于表达零部件的几何外观信息,未考虑零部件间拆装约束关系和工程设计等非几何信息。2010年浙江大学工程及计算机图形学研究所开发的基于语义识别[5]的“面向产品设计的虚拟装配系统”,通过虚拟现实交互方式建立产品的装配模型,对产品装配过程进行模拟,检测装配过程中的干涉,能够进行实时的碰撞干涉检查,但这种方法在民航维修领域的应用仍存在不足,可靠性有待提高。
基于此,针对已有虚拟拆装方法的不全面和低效率,本文提出对拆装方法进行创新,提出了改进的虚拟拆装方法,将几何约束与物理信息相结合进行拆装求解,不断修正拆装体的自由度信息,解决了拆装体的信息完备性问题,能够实现虚拟维修过程中零部件拆装过程的精确定位,提高了民航维修培训人员的维修效率。
1拆装约束关系
对于一个飞机拆装体来说,组成拆装体的所有零部件之间的位置不是任意的,而是按照一定的结构组合起来的。因此,所有的零部件之间都必须要进行定位,定位零部件所使用的功能是配合。拆装体中的拆卸装配实际上就是在零部件之间加入必要的约束关系,以此来定义零部件位置和方向。这些约束关系包括对齐、重合、平行、相切、同轴、距离、角度等等[6]。配合的功能实际上就是限制物体在空间的6个自由度的某一个或几个。
飞机拆装体中零部件间的拆装约束反映了零部件间的配合性质和配合量,反映了拆装体中零部件之间的相互位置关系,描述的是一个零部件在另一个零部件内部、外部、上面、下面等定性关系和相互之间的距离、角度等定量关系,是拆装体中零部件间必须满足的最基本的关系。拆装约束本质上可以归结为几何元素点、线、面之间的相互关系[7]。
2改进的虚拟拆装方法
拆装约束体现了飞机零部件之间的相互依赖和相互关联关系,是零部件能否成功拆装的最重要的信息来源和依据,对它的有效管理将大大提高飞机的维修效率,而拆装约束求解是拆装约束管理的核心。
2.1改进的自由度约束求解法
传统的基于自由度分析法,可以实现针对于几何约束的零部件拆装的完整求解;但对拆装过程中产生的拆装工艺、工程语义、零部件管理等信息未能提供动态、有效的存取和管理机制。针对于此,在虚拟拆装过程中,零部件对象的属性信息需要更完全。它不仅包括几何形状,还包括零部件的质心、质量、转动惯量、表面摩擦系数等物理属性。
自由度包括平移自由度[8]和旋转自由度,分类如表1所示。
约束求解是建立在自由度分析的基础上的,在三维拆装过程中每一个零部件的自由度DOF(degree of freedom),分为三个平移自由度TDOF(translation DOF)和三个旋转自由度RDOF(rotation DOF),每一种约束对零部件的限制成为约束度DOC(degree of constraint)分为平移约束度(TDOC)和旋转约束度(RDOC)。在自由度分析中,要对每一个自由度进行检查,判断其是否受到约束。
自由度分析的目的是找出所有几何体的位置和方向,使所有的约束得到满足。拆装的过程实际上就是使拆装零部件逐步满足约束的过程,而约束满足的过程也就是限制零部件自由度的过程。
当约束作用于零部件时,零部件的自由度就减少。开始时零部件具有全部自由度,随着新约束的作用,零部件的自由度减少直到其不再有自由度或者本层次操作的所有约束已经全部满足。零部件在不完全自由度的运动规律下,应该满足已经存在的约束。
在虚拟环境下的零部件拆装过程中,零部件可能会同时受到多个拆装几何约束的作用[9]。每个有效约束都会限制零部件在某些空间的运动可行性,在这些约束的综合作用下,零部件的自由度应该是这些几何约束单独作用下运动自由度的交集。设一个零部件所作用的约束集合C={ci,0≤i≤n},n为约束的个数,约束集C对应的自由度为:
其中:∑表示自由度规约计算,Ti为平移方向矢量,Ri为旋转方向矢量。
这一过程也称为运动自由度的归约或约束归约。归约的结果为零部件在多个拆装几何约束作用下的等价运动自由度[10]。
在传统的自由度分析法的基础上,将零部件的几何约束和物理信息,通过属性机制建立几何约束与物理信息的映射关系。基于物理属性的虚拟拆装主要采用运动副约束的形式来表达零部件间的拆装关系。
由于零部件的运动自由度与运动副约束[9]具有直接的对应关系,因此借助于运动自由度,可以建立拆装几何约束与运动副约束的关联,以便实现从几何约束到运动副约束的映射。常见运动副约束与运动自由度的对应关系,如表2所示。
飞机零部件拆装过程中,由于零部件往往受到多个拆装几何约束的作用,因此应首先对零部件间的拆装几何约束关系逐一进行运动自由度分析;接着,通过求与多个运动自由度对应的可自由运动空间的交来得到零部件的旋转自由度R与平移自由度T;然后,根据运动自由度与运动副约束[11]的对应关系来确定零部件间的运动副约束。
记Tr1,r2表示零件r1与r2零件间的平移自由度,Rr1,r2表示零件r1与零件r2间的旋转自由度。图1中零件r1与零件r2间的拆装几何约束关系为: a1-a2面贴合;b1-b2面贴合;c1-c2面对齐。详见图1。
按顺序依次施加约束,则从拆装几何约束到运动副约束的映射过程为:
(1) a1-a2面贴合⇒Tr1,r2=T1,Rr1,r2=R1⇒r1,r2间的运动副约束为平面副;
(2) a1-a2面贴合+b1-b2面贴合⇒Tr1,r2=T2,Rr1,r2=R4⇒r1,r2间的运动副约束为移动副约束;
(3) a1-a2面贴合+b1-b2面贴合+c1-c2面对齐⇒Tr1,r2=T6,Rr1,r2=R4⇒r1,r2间的运动副约束为固定联接约束。
确定运动副约束的类型后,运动副约束参数就可以相应地从拆装几何约束的参数信息中得到。例如,拆装几何约束“面面贴合”经过约束映射后即可得到平面副约束,而平面副的参数可从拆装几何约束信息(几何面的位置和法向)中提取。
然后,根据运动副约束来建立相应的约束方程。例如零件ri与rj通过球面副联接,即要求零件ri与rj在球面副球心处始终保持重合,xi(t)+ci(t)=xj(t)+cj(t)。其中,xi(t)为t时刻零件ri的质心位置矢量,ci(t)为t时刻零件ri质心到球面副球心的矢量,xj(t)为t时刻零件rj的质心位置矢量,cj(t)为t时刻零件rj质心到球面副球心的矢量。则与球面副约束对应的微分方程为:
其中,ω(t)为角速度,
2.2自由运动的定位求解
拆装操作的目的是确定零部件的空间位置,限制零部件的自由度[12]。定位求解的作用就是根据给定的定位条件,进行自由度分析,并进行定位求解,得到变换矩阵,对零部件进行变换,实现零部件的精确定位。根据零部件的约束状态,限制其在剩余自由度范围内旋转、平移实体以满足新的约束。
零部件在拆装体中总是占据一定的空间位置,这一空间位置是通过零部件的空间位姿信息来描述的。一个零部件的空间位姿信息由两部分组成:一部分是位置信息(Position),描述零部件的空间位置;另一部分是姿态信息(Orientation)描述零部件的方向。零部件在拆装体中的空间位置和姿态用零部件坐标相对于拆装坐标的位姿矩阵表示[13]。
一般用4×4阶矩阵来表达零部件的空间位姿信息,表示如下:
式中,Xv、Yv、Zv分别为零部件坐标系3个坐标轴的方向矢量,描述零部件方向(即姿态)则Xs、Ys、Zs为坐标原点,描述零部件的位置。
零部件从当前空间位姿P,运动到目标空间位姿Pa。实际上,相当于原位姿P发生了一个矩阵变换过程,到达目标位姿Pa,即:
其中,A为零部件的位姿变换矩阵。
飞机的零部件在三维空间的位姿发生改变的过程,相当于对零部件的空间位姿矩阵进行一个矩阵变换的过程。零部件的运动包括平动和转动,零部件平动是通过零部件空间位置的改变来体现的,零部件的转动是通过零部件方向的改变来体现的。
三维拆装空间中,拆装元件的位姿和运动的描述是模拟飞机零部件拆装过程的关键,通过采用位姿矩阵和运动矩阵,可有效描述拆装空间中的任意运动。
(1) 设对零部件进行平移变换过程的输入变换矩阵为:
则在约束限制下对零部件进行平移调整的实际输出净变换矩阵为:
假设:
tI=(xI,yI,zI)——对零部件进行平移调整的输入参数;
tO=(xO,yO,zO)——对零部件进行平移调整的输出参数。
则可计算得出输入和输出的关系如下:
其中,ti(i=1,2,3)为零部件的可移动方向量。
求得输出矩阵TO 后,与原位姿矩阵相乘,得到最终零部件空间位姿矩阵。
(2) 当旋转自由度的旋转轴方向和零部件坐标轴不平行时,旋转量的分解是与绕坐标轴的旋转顺序有关的,因此引入“广义坐标系”[13]的概念,以自由度的允许平移方向或者旋转轴作为一个坐标来建立坐标系,此时零部件特征坐标系和建立的“广义坐标系”具有固定变换。
约束的自由度归约的定性分析根据特征坐标系分析,而定量分析根据广义坐标系求解。计算流程如下:
首先设转动的输入量为RI=(rn,θ),其中,rn为旋转量所绕的方向量,θ为旋转角度。
① 当RI=R4时,R=0;
② 当RI=R3时,p=(xp,yp,zp)为转动轴上的定点,零部件旋转后的转动的输出为R=TRIT-1,其中:
③ 当RI=R2时,转动轴为定轴l=(ri,p),p=(xp,yp,zp)为该转动轴上的某个点,零部件旋转之后的输出为R=TROT-1。
其中,
若β为rn与r1的夹角,则:
④ 当RI=R1时,不限制定轴转动,零部件的转动输出为R=RO=(r1,α);
⑤ 当RI=R0时,R=RI=R0。
求解后,得到的净变换矩阵与原位姿矩阵相乘得到最终位姿矩阵。
3仿真验证
根据改进方法,在OSG平台下,对飞机零部件的拆装过程进行了仿真。以其中的组件1号高频(high frequency,HF)的拆装过程为例。
拆装的场景图如图2所示。
拆装过程中,零部件的平移和旋转定位的仿真图,如图3和图4所示。
通过对HF1组件的平移和旋转定位仿真,说明基于自由度约束的改进方法能够有效地完成零部件的拆装;同时,拆装过程的精确性也得到了保证。另一方面,也结合了拆装体的质量、质心等物理属性,使得拆装过程更具完备性。
4结语
本文对于虚拟拆装的精确性和完整性问题,提出了一种改进的拆装方法。在飞机零部件拆装过程中,结合拆装体的几何约束和物理属性的基于自由度约束方法,不仅保证了虚拟拆装过程更快速更高效完成,还充分考虑了拆装体的物理约束关系,使得拆装更具有全面性;同时,又提出了在拆装约束下零部件空间位姿的调整算法,实现了零部件的平移定位和旋转定位。并且,基于OSG平台,对飞机零部件的拆装过程进行了仿真,验证了该方法的有效性。
虚拟拆装 篇6
虚拟现实技术是一种利用计算机生成的模拟环境仿真系统, 该系统通过三维动态视景和交互式的实体行为仿真使用户沉浸在模拟环境中。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。
二、虚拟现实技术在教学、培训中的应用
(1) 科学研究
目前, 许多科研机构及高校都在积极的研究虚拟现实技术, 并将其实际应用到教学中去。如北京航天航空大学将其应用在分布式飞行模拟方面;浙江大学将其应用在建筑的虚拟规划、虚拟设计;哈尔滨工业大学将其应用在人机交互方面。
(2) 虚拟实训基地
在虚拟现实的环境中, 有虚拟的设备、部件及场地, 可以建立虚拟的实训基地。虚拟的设备、部件甚至场地都可以随时更新, 使教学、训练内容及时跟上技术的发展。
虚拟现实技术具有交互性和沉浸性的特点, 学生可以在虚拟的环境中扮演一个角色, 完全投入到自主学习的环境中, 大大提高学生的技能水平。例如军事作战技能、外科手术技能、体育技能、汽车驾驶技能、电器维修技能等各种职业技能的训练。
三、课程实施需要的硬件介绍
目前, 虚拟现实的硬件设备一般为三类:
(1) 三维视觉显示设备, 如大型显示器或投影设备、头戴式立体显示器及3D展示系统等。
(2) 三维声音系统 (非传统立体声) 。
(3) 交互设备, 如位置追踪仪、数据手套、3D输入设备 (三维鼠标) 、动作捕捉设备、眼动仪、力反馈设备等。
HTC公司在2016年4月1日, 上市了其虚拟现实硬件设备:“HTC Vive”。该设备主要有三大部分组成:
(1) 头戴式立体显示器 (以下称“头显”)
该设备的头显采用一块最高刷新率达到90Hz的OLED屏幕, 双眼合并分辨率达到2160 x 1200, 可以实现110°的视场。在头显上有32个定位感应器, 用来追踪定位头部的动作。另外, 头显上自带摄像头, 可以让操作者在不摘下头显的情况下在任何区域自由移动。
(2) 激光基站
该设备有2个需提供独立电源的激光基站, 基站需要以对角线的形式分别放置在房间的两个角落, 可以实现360°的精密动作捕捉。该设备理论上可支持空间达25平米。
(3) 控制器
该设备有2个可充电并且安装很多定位感应器的无线控制器。控制器上共有5个功能按键, 分别是菜单键, 启动键, 触摸压力板, 侧按键和扳机。
四、课程实施的软件应具备的功能
(1) 沉浸式的模拟环境
学生在穿戴好硬件设备后, 将进入一个完全仿真的车间中, 该车间应具备真是维修车间的各种设备, 如举升机、吊机、发动机拆解支架及各类工具。
(2) 1:1比例的仿真车辆
该车辆上所有的总成、部件、零件都是按照实车以1:1的比例建模制作的。并且该车辆可以放在举升机上举升。
(3) 所有总成、部件都可拆解
仿真车辆与实车一样, 所有的部件、总成都可以从车上拆下, 并且可拆解成零件。拆解过程分为无需工具和需要工具两种类型。无需工具的拆解过程为方便学生学习零部件的结构, 学生可通过手中的交互控制器随意的把某总成、部件从车上取下并分解。需要工具的拆解过程必须使用对应的工具并严格按照操作工艺进行拆解。
(4) 安全提醒
当学生有不当操作或危险操作时, 系统可通过控制器的震动或视线变红等方式提醒和警告。
(5) 零部件的放大
可实现零部件的放大, 让学生能更直观、精确的观察零部件的结构与工作过程。
(6) 帮助系统
系统应设有帮助系统, 如拆装工艺顺序、工艺标准、零部件的名称及工作原理等, 方便学生在无人知道的情况下进行自我学习。
(7) 考核系统
能设定整车或各总成的拆装考核, 并且可根据学生的程度设定考核难度。
五、虚拟现实技术教学系统的优势
(1) 成本低, 效率高
在现实环境中以40人的班为例进行发动机拆装实习, 如果2人一组, 教学效果比较好, 但需要20台发动机;以5人一组, 需要8台发动机, 但教学效果比较差。如果是设计到整车的项目, 就只能教师演示, 学生的学校热情和教学效果都会非常不理想。另外, 在设备的拆装过程中, 必然会发生设备和工具的损耗, 当几个班轮流完成实习的时候, 拆装设备和工具就会有很到的损坏, 成本较高。
如果采用虚拟现实技术进行拆装实习, 虽然硬件与软件的一次性采购价格较高, 但在使用过程中基本无损耗, 并且可以随意的更换拆装设备的型号。
(2) 安全性高
在现实环境中进行实践教学往往会涉及到很多安全问题。例如举升机故障、大型总成的跌落和倾覆、具有腐蚀性和毒性液体的喷洒、工具脱手等。
但使用虚拟现实技术, 虚拟环境中的设备完全不存在安全问题。并且, 当学生出现危险操作时, 系统可及时的通过震动或视线变红等方式提醒、警告学生, 更直观的提高了学生安全操作的意识。
(3) 便利性和灵活性
虚拟现实技术具有较高的安全性, 并且可实现帮助系统。学生可在无人指导的情况下进行自学。因此, 学校的实训中心在平时只需1个值班教师, 就可让学生随时进入系统学习, 让学校和学生的时间安排更灵活, 大大提高了学生的学习热情和钻研精神。
虚拟现实技术可以为学生提供生动、逼真的学习场景, 让学生亲自去感受、体验。例如机械设备的结构及维修、宇宙天体、外科手术、飞机驾驶、化合物分子结构等等。亲身感受与体验比空洞的说教更具有说服力, 主动交互与被动灌输有本质的差别, 它营造了“自主学习”的环境, 由传统的“以教促学”的学习方式变为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。
参考文献
[1]孔庆东.发动机故障诊断虚拟培训系统的开发[D].吉林:吉林大学交通学院, 2015.
[2]王腼.基于VR展示与交互的教学系统设计与实现[D].上海:上海交通大学软件学院, 2012.