基于Virtools牙輪鉆機(jī)可視化仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

李 偉

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也稱人工環(huán)境，是一項(xiàng)綜合集成技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)生成與現(xiàn)實(shí)環(huán)境真實(shí)逼真的虛擬環(huán)境，用戶可以在此環(huán)境中，基于聲音、視覺(jué)等效果，達(dá)到身臨其境的效果。Virtools是一款非常優(yōu)秀的、并大量應(yīng)用于游戲領(lǐng)域的三維交互軟件。它將3D的模型、2D圖形、音效等虛擬視景元素整合在一起。Virtools的圖形化編程語(yǔ)言，只需拖動(dòng)Building Block行為模塊即可構(gòu)建優(yōu)秀的三維交互系統(tǒng)。

本論文是基于Virtools平臺(tái)完成可視化仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。通過(guò)應(yīng)用可視化仿真平臺(tái)模擬牙輪鉆機(jī)的裝配與工作過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的視覺(jué)效果和安裝進(jìn)行評(píng)估和預(yù)演，有效降低設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)，減少安裝過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，節(jié)省時(shí)間和人力；同時(shí)，可較真是的展現(xiàn)產(chǎn)品的工作環(huán)境和工作過(guò)程，對(duì)于產(chǎn)品在投標(biāo)報(bào)價(jià)、產(chǎn)品展示及產(chǎn)品宣傳方面，起到非常重要的作用。

1 模型建立

在Virtools仿真平臺(tái)中，模型構(gòu)建過(guò)程主要有三個(gè)部分：創(chuàng)建模型、導(dǎo)入模型與控制模型。其中，導(dǎo)入模型時(shí)，應(yīng)對(duì)所創(chuàng)建的三維模型進(jìn)行紋理貼圖、燈光設(shè)置以及材質(zhì)顏色設(shè)置等處理，使模型及環(huán)境更接近真實(shí)；而控制模型是通過(guò)Virtools自帶的各種行為模塊(BB模塊)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、碰撞檢測(cè)等操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的各種控制。

Virtools 5.0軟件采用模塊化的編程語(yǔ)言編寫(xiě)交互控制程序，在需要交互控制的模型上建立腳本(Script)，并在腳本流程圖中添加所需的BB模塊進(jìn)行連接，就可以實(shí)現(xiàn)模型的各種操作，如平移、旋轉(zhuǎn)等。

在牙輪鉆機(jī)可視化平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)，首先，應(yīng)用專業(yè)三維建模軟件NX，建立牙輪鉆機(jī)三維模型，并將牙輪鉆機(jī)的三維模型導(dǎo)入3D-MAX中，進(jìn)行紋理貼圖、燈光設(shè)置以及材質(zhì)顏色設(shè)置等，然后將所有模型集成導(dǎo)入Virtools平臺(tái)。

本文通過(guò)將Virtools中行為模塊添加到具體的牙輪鉆機(jī)三維模型上，然后在腳本(Script)中編輯不同的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)牙輪鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)建一個(gè)逼真的可視化仿真平臺(tái)。

2 牙輪鉆機(jī)可視化仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

牙輪鉆機(jī)可視化仿真平臺(tái)主要功能是實(shí)現(xiàn)牙輪鉆機(jī)的虛擬裝配和虛擬運(yùn)動(dòng)仿真。該平臺(tái)主要包括操作說(shuō)明、功能介紹和虛擬演示模塊。其中虛擬演示模塊中包括虛擬裝配與虛擬運(yùn)動(dòng)仿真功能模塊。

2.1 虛擬裝配仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

牙輪鉆機(jī)虛擬裝配仿真系統(tǒng)主要是完成對(duì)牙輪鉆機(jī)各部件按照一定的順序進(jìn)行重組或者分解。重點(diǎn)涉及到的是各部件陣列的建立、牙輪鉆機(jī)各部件初始坐標(biāo)以及分解后坐標(biāo)的獲取、如何進(jìn)行恢復(fù)初始狀態(tài)。其流程圖如圖1所示。

圖1 虛擬裝配流程圖

首先，使用Virtools的BB模塊編程實(shí)現(xiàn)牙輪鉆機(jī)各部件的坐標(biāo)變換。在Virtools中建立“牙輪鉆機(jī)”陣列，存儲(chǔ)牙輪鉆機(jī)各部件的初始坐標(biāo)和分解坐標(biāo)位置；然后，獲取牙輪鉆機(jī)各部件的初始坐標(biāo)位置并復(fù)制裝配參考對(duì)象，通過(guò)貝塞爾曲線函數(shù)將牙輪鉆機(jī)各裝配部件從分解坐標(biāo)位置漸進(jìn)移動(dòng)到初始坐標(biāo)位置，并發(fā)送消息。

實(shí)際零部件裝配過(guò)程中，零部件的相對(duì)位置是通過(guò)裝配人員判斷其是否到達(dá)實(shí)際安裝位置。同時(shí)，由于牙輪鉆機(jī)的各部件是不能互相穿越的。所以，應(yīng)該為牙輪鉆機(jī)各部件添加碰撞檢測(cè)功能，這樣，零部件就無(wú)法互相穿越。因此，在腳本設(shè)計(jì)中加入Collision行為模塊，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能。其碰撞檢測(cè)腳本如圖2所示。

圖2 碰撞檢測(cè)腳本

2.2 虛擬運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

牙輪鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真是對(duì)牙輪鉆機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境中的工作過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。其工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 牙輪鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

根據(jù)牙輪鉆機(jī)的工作特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為調(diào)平千斤頂運(yùn)動(dòng)、鉆架運(yùn)動(dòng)和鉆桿運(yùn)動(dòng)三部分。由圖3可知，牙輪鉆機(jī)到達(dá)工作位置時(shí)，通過(guò)四個(gè)液壓油缸的移動(dòng)來(lái)模擬調(diào)平千斤頂?shù)恼{(diào)平運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用Virtools的碰撞檢測(cè)功能，當(dāng)調(diào)平千斤頂與地面發(fā)生碰撞時(shí)，千斤頂停止運(yùn)動(dòng)，并向運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)發(fā)送消息。然后，鉆架開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取鉆架繞回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，判斷鉆架是否到達(dá)工作位置，從而模擬鉆架0°到工作位置的起升運(yùn)動(dòng)(其運(yùn)行腳本如圖4所示)；當(dāng)鉆架上升到工作位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)接收到反饋信息，鉆桿開(kāi)始工作；當(dāng)鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)，仿真系統(tǒng)檢測(cè)到鉆桿長(zhǎng)度不夠時(shí)，進(jìn)行換桿動(dòng)作。

圖4 調(diào)平千斤頂與鉆架運(yùn)行腳本

3 結(jié)論

本文利用NX、3Ds Max和Virtools交互技術(shù)構(gòu)建的可視化仿真平臺(tái)，具有仿真程度高、交互性能好、語(yǔ)言簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也存在一些不足需要進(jìn)一步加強(qiáng)，如實(shí)景仿真系統(tǒng)地形單一、仿真模型逼真度(燈光、紋理、陰影等)尚需進(jìn)一步完善。

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