基于虛擬現(xiàn)實(shí)的起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)的有關(guān)問題，從實(shí)驗(yàn)的角度，闡述了具體的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)文章的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；起重機(jī)械；仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.153

0 前言

隨著城市化的進(jìn)展，工程數(shù)量顯著增加，起重機(jī)械的應(yīng)用頻率隨之提高。起重機(jī)械的性能，在很大程度上決定著工程施工效率，且對(duì)工程成本等影響較大，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估十分重要。鑒于起重機(jī)械龐大的體積，實(shí)際展開性能評(píng)估難度較大，在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使性能評(píng)估，能夠在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行，對(duì)于評(píng)估效率以及準(zhǔn)確度的提高，具有重要價(jià)值。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱VR技術(shù)，是信息化時(shí)代下的產(chǎn)物，目前已經(jīng)被應(yīng)用到了各領(lǐng)域當(dāng)中，并取得了顯著成果[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所能夠提供的服務(wù)較多，不僅具有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)功能，同時(shí)還能夠支持系統(tǒng)仿真以及通信等的實(shí)現(xiàn)，人機(jī)交互水平高。通過對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用，用戶能夠與虛擬世界間的聯(lián)系逐漸增強(qiáng)，用戶甚至能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，體驗(yàn)效果極佳。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)主要應(yīng)用到航空航天以及工程建模等領(lǐng)域。起重機(jī)械作為工作機(jī)械的一種，其設(shè)計(jì)以及性能評(píng)估，同樣可以采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以該技術(shù)為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于傳統(tǒng)起重機(jī)械性能評(píng)估所面臨的難度大的問題的解決，具有重要價(jià)值[2]。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)需做好如下準(zhǔn)備[3]：（1）準(zhǔn)備起重機(jī)械，作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原型。在實(shí)際工程中，起重機(jī)械的類型包括很多種，為確保仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有更加廣泛的適應(yīng)性以及使用性，應(yīng)選擇應(yīng)用范圍較廣的起重機(jī)械作為原型展開設(shè)計(jì)。考慮上述問題，將平頭塔吊作為了平臺(tái)設(shè)計(jì)原型。（2）建立平頭塔吊三維模型：平頭塔吊三維模型的建立，應(yīng)同時(shí)考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行原理，以及機(jī)械具體使用場(chǎng)景兩方面問題，應(yīng)確保模型能夠與機(jī)械有關(guān)原理相符，同時(shí)，還需模擬工程施工的實(shí)際情況，完成三維建模過程。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的選擇：選擇unity 3D作為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，采用Solidworks完成起重機(jī)械駕駛室的設(shè)計(jì)，將其導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件當(dāng)中，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2.2 三模模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合

應(yīng)將三維模型，導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件當(dāng)中，具體方法如下[4]：（1）塔吊分解：將平頭塔吊的各組成部分進(jìn)行解構(gòu)，提高塔吊的簡(jiǎn)化性水平?？紤]塔吊各部分的功能，以及虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的要求，將塔吊分解成為了駕駛室、塔身以及載重等不同部分。（2）數(shù)據(jù)采集：分別采集塔吊不同部分的有關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集可以通過對(duì)獲取塔吊設(shè)計(jì)最初的CAD圖紙的參考來實(shí)現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)整理與建模：整理出有效數(shù)據(jù)，展開建模。采用Solidworks軟件，完成駕駛室的建模，同時(shí)，采用其他軟件，完成對(duì)塔身等部分的建模。（4）格式轉(zhuǎn)換：采用3DS MAX軟件，對(duì)三維模型的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件所支持的格式，并將其導(dǎo)入到Unity3D當(dāng)中。

2.3 作業(yè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

（1）駕駛室設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)駕駛室大體的結(jié)構(gòu)框架。分別設(shè)計(jì)駕駛室內(nèi)的物品，包括操作臺(tái)等，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證設(shè)計(jì)成果的理論功能與其顯示功能相符的情況下，盡可能的將設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔化。操作臺(tái)功能較多，因此設(shè)計(jì)較為困難，應(yīng)將其作為重點(diǎn)加以考慮。計(jì)算駕駛室內(nèi)各個(gè)部門的長(zhǎng)度寬度等參數(shù)，提高其精確度。設(shè)計(jì)駕駛室窗戶。安裝零件，駕駛室設(shè)計(jì)完成。（2）塔身與塔臂設(shè)計(jì)：可以采用Pro/E軟件，對(duì)塔身與塔臂進(jìn)行設(shè)計(jì)。在起重機(jī)械中，塔身與塔臂的結(jié)夠相對(duì)復(fù)雜，采用Solidworks軟件無法完成設(shè)計(jì)。Pro/E軟件具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠確保復(fù)雜設(shè)計(jì)有效完成。需注意的是，Pro/E軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的格式不匹配，設(shè)計(jì)完成的塔身與塔臂的模型，無法直接導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，因此需采用3DS MAX進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使所建立好的模型，能夠完整的導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)當(dāng)中，避免失真等問題的發(fā)生。

2.4 仿真場(chǎng)景

（1）將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，對(duì)起重機(jī)械的實(shí)際工作場(chǎng)景進(jìn)行模擬以及布局。（2）采用JavaScript、C#，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的引擎腳本進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保軟件的功能能夠有效實(shí)現(xiàn)。

3 討論與展望

采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計(jì)起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)效率高，仿真效果好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械性能的評(píng)估，能夠有效節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)成本的降低，具有積極意義。需要注意的是，與仿真實(shí)驗(yàn)相比，真實(shí)作業(yè)過程中，起重機(jī)械所面臨的風(fēng)險(xiǎn)必定較大，因此，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，必須充分考慮到起重機(jī)械在實(shí)際工程中應(yīng)用所需面臨的風(fēng)險(xiǎn)，以最大程度提高仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)水平。

在未來，應(yīng)將以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用到機(jī)械性能評(píng)估過程中，在研究中，不斷縮小誤差，促使起重機(jī)械整體使用性能得到進(jìn)一步的提升。

4 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的起重機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的執(zhí)行難度大的問題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)重視，提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用水平，為起重機(jī)械性能的提升，以及工程施工的順利開展提供保證。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：董川東（1990-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械工程、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真。