船舶電機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的研究

盧森微，歐 鎮(zhèn)，高德基

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

維修理論

船舶電機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的研究

盧森微，歐 鎮(zhèn)，高德基

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

虛擬維修是一種嶄新的維修模式，具有較多優(yōu)點(diǎn)。文章闡述了船舶電機(jī)虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并以船舶電機(jī)的虛擬拆卸、保養(yǎng)、維修為例，采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件——virtools實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的虛擬拆卸、保養(yǎng)、維修功能。通過分析虛擬維修系統(tǒng)表明，它對(duì)開發(fā)更高級(jí)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供一定的參考價(jià)值。

虛擬維修；船舶電機(jī)；虛擬拆卸

電機(jī)是船舶設(shè)備的重要組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于船舶的整體性能有很大影響[1]。所以，在船舶電機(jī)整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，都需要對(duì)其進(jìn)行不斷的維護(hù)、保養(yǎng)和維修，及時(shí)順利的維修和維護(hù)是保證船舶電機(jī)正常、安全運(yùn)行的重要條件之一[2-3]。傳統(tǒng)的維修方法一方面由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多、造價(jià)高等因素的限制；另一方面由于訓(xùn)練過程中大量的工具、零件和材料的消耗，訓(xùn)練人員更不能集合實(shí)際設(shè)備進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練[4]。

虛擬維修作為一門新型維修技術(shù)，主要采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相集合，建立一個(gè)逼真的集視、聽、觸覺一體化的集成，這個(gè)集成是對(duì)一個(gè)真實(shí)空間或假想空間的模擬，用戶可以借助人機(jī)交互設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備維修操作過程的模擬，可以有效解決傳統(tǒng)維修出現(xiàn)的問題，提高維修效率，為船舶電機(jī)的維修訓(xùn)練開辟一條新途徑[5]。

1 船舶電機(jī)虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于眾多研究者對(duì)虛擬維修的理解不同，所提出的虛擬維修系統(tǒng)組成框架也不盡相同，但是基本設(shè)計(jì)原理是相同的[6]，即在設(shè)計(jì)設(shè)備的虛擬維修系統(tǒng)之前，必須對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的故障和故障表示方法、維修知識(shí)有一個(gè)深刻的了解，才能正確的對(duì)虛擬維修過程進(jìn)行仿真，提高設(shè)備的維修能力。本文開發(fā)的船舶電機(jī)虛擬維修系統(tǒng)主要包括三維虛擬場(chǎng)景建立、交互控制、故障診斷、人機(jī)交互設(shè)備、數(shù)據(jù)庫建立、維修過程仿真等幾部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 虛擬維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1)虛擬場(chǎng)景建立。構(gòu)建虛擬環(huán)境是整個(gè)虛擬維修系統(tǒng)建立的基礎(chǔ),本文根據(jù)維修對(duì)象、維修工具的CAD圖紙、照片、視頻等獲取相關(guān)對(duì)象的尺寸、形狀參數(shù)，應(yīng)用三維建模軟件3DMAX建立電機(jī)、維修工具等對(duì)象的三維模型。為了提高在維修仿真過程中零部件顯示的真實(shí)性，還必須在三維建模軟件3DMAX中賦予零部件材質(zhì)，以便逼真的模擬整個(gè)維修環(huán)境，給用戶身臨其境的感覺。電機(jī)的三維模型如圖2。

圖2 電機(jī)三維模型

2)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是將預(yù)先分析和總結(jié)的電機(jī)模型數(shù)據(jù)和模型屬性、維修知識(shí)和方法庫、拆裝順序、故障類型數(shù)據(jù)、檢修規(guī)程等數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，為后期拆裝操作、維修操作等交互工作提供基礎(chǔ)。

3)交互控制。交互控制是實(shí)現(xiàn)虛擬維修的重要環(huán)節(jié)，是人與虛擬環(huán)境中的維修對(duì)象實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的一種方式。本文主要調(diào)用virtools軟件中的BB模塊建立腳本程序?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)控制，再使用鼠標(biāo)和鍵盤與虛擬維修場(chǎng)景進(jìn)行交互。用鍵盤控制整個(gè)虛擬環(huán)境的漫游鏡頭，用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的虛擬拆裝、故障檢測(cè)和故障維修等操作的模擬[7]。

4)過程仿真。根據(jù)維修規(guī)程要求和步驟在虛擬環(huán)境里使用鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)虛擬拆裝、虛擬維修、故障檢測(cè)、維修對(duì)象結(jié)構(gòu)等過程演示。

5)故障診斷。故障診斷系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可方便快捷的查詢、瀏覽、添加和刪除設(shè)備的故障案例、維修標(biāo)準(zhǔn)等信息，可進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)診斷。故檢修人員使用本虛擬維修系統(tǒng)能快速查找和分析故障，根據(jù)屏幕提示的信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的維修性指導(dǎo)，提高維修質(zhì)量和效率。

2 電機(jī)虛擬拆卸維修保養(yǎng)的實(shí)現(xiàn)

2.1電機(jī)虛擬拆卸實(shí)現(xiàn)

虛擬拆卸是虛擬維修過程中必不可少的部分，下面就闡述船舶電機(jī)虛擬拆卸過程的實(shí)現(xiàn)。

首先，把船舶電機(jī)和維修工具的三維模型導(dǎo)入具備簡(jiǎn)單易學(xué)、與其他軟件兼容性好、編寫腳本程序簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)的軟件——virtools平臺(tái)下，建立場(chǎng)景中使用鼠標(biāo)就可以完成漫游功能的互動(dòng)腳本程序，以便維修人員可以方便游覽場(chǎng)景、直觀了解電機(jī)外觀以及維修工具，如圖3為漫游的某一視角場(chǎng)景。

圖3 某一視角場(chǎng)景

根據(jù)上面的虛擬場(chǎng)景，在建立一系列二維幀、電機(jī)零部件和各維修工具拆卸電機(jī)互動(dòng)的腳本程序之后，可以得出如圖4的電機(jī)拆卸的界面。

圖4 電機(jī)虛擬拆卸界面

根據(jù)界面上的提示利用鼠標(biāo)即可完成電機(jī)的虛擬拆卸，圖5為螺絲刀拆接線盒的界面，圖6為萬用表測(cè)量電阻繞組之間的阻值的界面。

圖5 拆接線盒

圖6 測(cè)量繞組阻值

本文的船舶電機(jī)虛擬拆卸是在3DMAX中建立電機(jī)和各種工具模型的基礎(chǔ)上，再把建立的三維模型導(dǎo)入 virtools平臺(tái)下進(jìn)行簡(jiǎn)單的腳本編程完成的，使得維修人員可以直觀的了解船舶電機(jī)的結(jié)構(gòu)和屬性、各維修工具的使用。

2.2電機(jī)虛擬保養(yǎng)實(shí)現(xiàn)

虛擬維修系統(tǒng)中，虛擬保養(yǎng)也是重要組成部分。本文的電機(jī)虛擬維修保養(yǎng)系統(tǒng)是在完成虛擬拆卸的過程中完成的，也是在virtools平臺(tái)下，利用鼠標(biāo)和鍵盤來完成維修保養(yǎng)。本文主要以對(duì)船舶電機(jī)的轉(zhuǎn)子、軸承、繞組和定子等項(xiàng)目，如圖7所示為電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承的維修保養(yǎng)界面。

圖7 轉(zhuǎn)子和軸承維修保養(yǎng)

2.3電機(jī)虛擬維修實(shí)現(xiàn)

船舶電機(jī)的虛擬維修要比拆卸和保養(yǎng)復(fù)雜，即故障多，且有不可預(yù)知。必須對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的故障和故障表示方法、維修知識(shí)有一個(gè)深刻的了解，才能正確的對(duì)虛擬維修過程進(jìn)行仿真，提高電機(jī)的維修能力。本文就以電機(jī)定子三相繞組間和對(duì)地短路為例，用兆歐表測(cè)量三相絕緣電阻和對(duì)地絕緣電阻，來判斷是否短路，從而發(fā)生報(bào)警，以便完成繞組短路的虛擬維修，如圖8絕緣繞組測(cè)量界面。

圖8 繞組絕緣測(cè)量

本文開發(fā)的船舶電機(jī)虛擬維修保養(yǎng)維護(hù)系統(tǒng)，可以使維修人員在極為逼真的虛擬環(huán)境下了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)、熟悉拆卸、保養(yǎng)和維修流程，到達(dá)直觀、真實(shí)的效果，為電機(jī)的維修起到一定保障作用。

3 結(jié)束語

通過本文開發(fā)的虛擬維修系統(tǒng)，不僅克服了傳統(tǒng)維修只能播放維修視頻動(dòng)畫，不能互動(dòng)等缺點(diǎn)以外，還具有維修成本低，危險(xiǎn)性小，維修效率高，機(jī)械磨損小，維修訓(xùn)練方便等優(yōu)點(diǎn)，也為下一步的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的研究提供參考價(jià)值。

[1]王憲成,李勃,李莉.基于Virtools 4.0的某型船艇柴油機(jī)虛擬維修關(guān)鍵技術(shù)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,24(2):27-31.

[2]蘇濤.船舶動(dòng)力裝置關(guān)鍵部件虛擬維修技術(shù)研究[D].湖北武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[3]朱文革,李世其,尹文生.海軍艦船裝備的虛擬維修[J].中國(guó)修船，2004(5):37-40.

[4]袁先徳,羅運(yùn)同,王建,等.某型艦用柴油機(jī)虛擬維修技術(shù)研究[J].中國(guó)修船，2011(6)：45-47.

[5]周韶澤，兆文忠，張軍，等.動(dòng)車組虛擬維修仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2011,37(17):214-216.

[6]冉躍龍，閆英敏，呂秀平.虛擬維修技術(shù)綜述[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(20)：25-29.

[7] Sankar Jayaram, Uma Jayaram,Yong Wang, Hrishikesh Tirumali, Kevin Lyons, Peter Hart. A Virtual Assembly Design Environment[J]. IEEE Computer Graphics and Applications,1999,(12):44-50.

Virtual maintenance is a new maintenance way with many advantages.In this surway,the design of virtual maintenance system of the ship motor is expounded.Taking virtual disassembly and maintenance of the ship motor as an example,virtual reality software-virtools are adopted to realize the motor's disassembly and maintenance.Through the analysis of the virtual maintenance system,the system proves to be reference for developing more advanced virtual maintenance training system.

virtual maintenance;ship motor;virtual disassembly

盧森微(1989-)，男，貴州貴陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)、船舶自動(dòng)化。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.017

2013-10-08