3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺建立研究

李恩挺　孟永彪

摘要：該文通過在3D技術(shù)的基礎(chǔ)之上結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)Virtools軟件，開發(fā)了3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺。提出了一種結(jié)合3D建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立3D交互式實驗平臺的思路。以Auto CAD和3ds max進行建模，通過3ds max和Virtools的協(xié)作，在Virtools中進行相關(guān)場景和交互式拆裝實驗平臺的實現(xiàn)。通過研究開發(fā)，發(fā)現(xiàn)該思路簡單、易行，最后的成果可操作性好，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：3D建模；Virtools；交互式；實驗平臺

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-3044（2014）31-7528-04

1 概述

傳統(tǒng)化工設(shè)備的拆裝維修培訓(xùn)和實驗課，主要是通過對二維圖紙的分析、車間的實訓(xùn)和一些拆裝演示視頻進行。其可視性差、培訓(xùn)周期較長、動手操作性低，不能很好的調(diào)動學(xué)員的積極參與，達不到拆裝實驗課的教學(xué)目的。一種可視性好、周期短、可操作性好的實驗平臺的建立，對化工設(shè)備拆裝人員的培訓(xùn)和石化設(shè)備相關(guān)專業(yè)的實訓(xùn)課程，就顯得尤為重要和必要。本研究以3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺的建立為重點研究對象，以在研究中一些問題的發(fā)現(xiàn)和研究解決為主線，論述3D技術(shù)和交互式技術(shù)在化工設(shè)備拆裝實訓(xùn)課程中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實在計算機中構(gòu)造一個形象逼真的模型，人與之進行交互，產(chǎn)生與真實世界相同的反饋信息，使人們獲得與真實世界相同的感受 [1] 。3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺就是利用現(xiàn)在流行的3D建模技術(shù)和虛擬交互式技術(shù)和好的結(jié)合在一起，研究創(chuàng)建一個可視化好、周期短、學(xué)員可以親自動手操作的實驗平臺。3D建摸軟件比較多，如AUTOCAD、UG、3ds Max等，可選用的也比較多。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)軟件本來不多，且具用3D和交互式開發(fā)功能更是鳳毛麟角。根據(jù)開發(fā)的要求我們在交互式開發(fā)軟件方面選取法國的達索公司的Virtools作為3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺后期交互式開發(fā)工具。

Virtools是一種用來開發(fā)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的專業(yè)軟件，是被業(yè)公認(rèn)的最好的交互式、虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件，是一種可以進行3D交互式虛擬技術(shù)開發(fā)的軟件。但是Virtool軟件中不可進行相關(guān)的3D建模，Virtools的三維模型的導(dǎo)入現(xiàn)在需通過一個插件Max to Virtools把3Ds Max的模型導(dǎo)入Virtools中。使用CAD、3ds和3ds Max等設(shè)計數(shù)據(jù)，能夠逼真的精細結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，這種方法可以達到較高水平的細節(jié)程度（“真三維”實體）[2] 。利用AutoCAD和3Ds max的無縫導(dǎo)入，故可以用AutoCAD進行U型管式換熱器的3D建模。

2 技術(shù)路線

先通過Auto CAD進行3D建模然后導(dǎo)入3Ds Max，再通過輔助插件Max to Virtools把在3dsMax中的模型導(dǎo)入Virtools中，進行后續(xù)的相關(guān)虛擬交互式功能實現(xiàn)。交互式功能的實現(xiàn)是通過在五個不同的模塊中實現(xiàn)的：操作說明模塊、裝配演示模塊、虛擬裝配模塊（交互操作）、拆裝簡介模塊和制作說面模塊。這五個不同的操作模塊中各項功能實現(xiàn)后，經(jīng)調(diào)試成功后，就進入產(chǎn)品的發(fā)布階段。其具體技術(shù)路線如圖1所示。

2.1 U型管式換熱器3D模型建立

U型管式換熱器包括：鞍座、筒體、U型管束、管板、墊圈、緊固件螺栓螺母墊片等。在CAD的三維模式下利用其拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等操作對各部件進行建模。根據(jù)具體實際情況在實際的拆裝維修和認(rèn)識實驗中：鞍座和筒體是焊接連接，是不可拆卸的，故再把筒體和鞍座作布爾運算的合集，同時將相關(guān)同類3D模型進行布爾運算以滿足后期的需要。將建立好的模型按其實際位置裝配成一個整體的U型管式換熱器，最后將3D模型導(dǎo)入Vitrools中。

4 產(chǎn)品的發(fā)布

3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺在各部分功能實現(xiàn)的情況下建立成功了，下面就是要做最后的產(chǎn)品發(fā)布。Virtools的發(fā)布包括了兩種情況：一種是在Virtools環(huán)境下的，另一種是在沒有安裝Virtools下的。將整個3D交互式U型管換熱器拆裝實驗平臺以“*.CMO”文件保存則必須要求在安裝Virtools下才能使用。另一種則是利用Virtools Make Exe插件直接將相關(guān)的Virtools文件生成“*.exe”文件，可以在沒有安裝Virtools的環(huán)境下，進行單機安裝使用，也可以發(fā)布到網(wǎng)上，只要用戶安裝了相關(guān)的播放插件都可以進行虛擬拆裝實驗。本次采用生成“*.exe”文件的方式發(fā)布，如圖7所示為裝配演示界面的裝配演示過程截圖。

5 結(jié)束語

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，他在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，在化工機械行業(yè)中也有許多的應(yīng)用，如各種的虛擬加工制造廠、甚至是虛擬化工廠。虛擬實驗室較于傳統(tǒng)實驗室有許多的優(yōu)點，對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化工機械中的應(yīng)用，正在不斷的探索和研究之中。該文所才有的Virtools技術(shù)隊虛擬實驗平臺的開發(fā)和研究，提出了結(jié)合3D建模技術(shù)和Vitools的方法是一種是十分好的進行建立交互式虛擬實驗平臺的思路。采用結(jié)合3D建模技術(shù)和Vitools的方法，建立虛擬實驗平臺，時間快、效果好、構(gòu)造的平臺易于學(xué)習(xí)。使接受培訓(xùn)的學(xué)員有到了車間、工廠的感覺。虛擬實驗平臺的建立不是一個實驗操作平臺的建立、也不是一成不變的，作者下一步再根據(jù)其在實際使用中的問題和建議進行更好的完善和改進，也準(zhǔn)備進行多平臺協(xié)作虛擬實驗平臺的研究。

參考文獻：

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