基于虛擬現實的礦井鉆機裝配流程研究

（梧州學院，大數據與軟件工程學院，廣西 梧州 543003）

鉆井鉆機設備一套完整的礦井鉆機價值1000余萬元，稍有操作不當就會造成巨大的經濟損失，如果在裝配油箱或者給進導軌這一些重量較大的配件時出現繩索斷裂的意外，輕者對經濟造成一定損失重者對裝配人員造成生命危險[1]。因此，提出基于虛擬現實的礦井鉆機裝配流程研究。將一系列相關零件通過虛擬軟件按照裝配流程，以及明確技術與精度標準，模擬鉆機裝配流程。在不熟悉礦井鉆機裝配的情況下，如果擁有一套VR設備對裝配環(huán)境進行仿真模擬，將會節(jié)省一大筆不必要的損失，而且一整套安裝流程進行下去在VR設備上大概需要15分鐘，能夠讓裝配人員對裝配在裝配之前對裝配流程有較多的了解[2]。利用虛擬現實的沉浸感與交互性等特征，使裝配者在虛擬環(huán)境中，對虛擬空間中的零件進行裝配操作。通過獲取反饋裝置的人機交互設備數據，從而獲取現實中并不存在的虛擬零件，逐步完成裝配操作。虛擬現實裝配流程，是鉆機裝配的最終目標。在裝配過程需要對模擬中存在的異常數據作出修正，以此解決礦井鉆機在裝配中所遇到的裝配問題，提前獲取裝配難以程度。

1 研究基于虛擬現實的礦井鉆機裝配流程

（1）建立礦井鉆機零部件數據模型。虛擬零部件模型的構建是裝配系統(tǒng)的重要技術環(huán)節(jié)，模型構造的合理與否直接影響模型裝配的現實性。零件模型的構建是通過計算機系統(tǒng)描述現實中參與裝配的零件的細節(jié)，由虛擬現實構建的零部件模型通常使用精確的幾何描述，并攜帶大量的建模工程屬性信息，從而滿足虛擬裝配系統(tǒng)中零部件模型的實時更新要求。但是，在建立模型時，普通的面片模型，難以滿足礦井鉆機，對零部件精確幾何信息的需求，影響模型的精確分析，尤其是面片模型的建立，都是根據礦井鉆機零部件的實際尺寸，建立礦井鉆機零部件數據模型，并沒有考慮公差信息，從而影響礦井鉆機零部件數據模型，仿真的真實感和合理性，影響礦井鉆機零部件的最終裝配結果。在建立礦井鉆機零部件數據建模模型時，需要考慮礦井鉆機設備的實時性需求，反映構建零部件精確的幾何信息和詳盡的工程語義信息,具有完整的拓撲結構信息、反應裝配工藝信息的接口信息等。因此，在實際的虛擬裝配應用中，不是直接使用CAD建模軟件構建的零件模型來完成裝配任務，而是通過CAD模型數據的轉換，獲得了可以在虛擬環(huán)境中顯示和應用的中立性。然后通過專用接口程序將文件導入虛擬裝配系統(tǒng)，以在虛擬環(huán)境中實現零件模型的重構，完成礦井鉆機零部件數據模型的建立。

（2）計算模型零部件層次結構?；谏弦徽鹿?jié)的建模過程，在礦井鉆機零部件數據模型中，存在面片、幾何面、特征、幾何公差、工程輔助、裝配約束、結構層次等信息，而這些信息影響著礦井鉆機裝配后的使用效果。所以，需要提取礦井鉆機零部件數據模型中，所蘊含的信息，提取方法，如下：①面片信息的提取。由于此次建立的礦井鉆機零部件數據模型，智能直接反應礦井鉆機零部件的表觀信息，所以，需要對模型進行二次開發(fā)，確定模型面片的頂點個數、坐標、顏色、紋理、法向量、頂點索引等信息，并將提取到的信息，轉換成MXL中性文件。②幾何面和特征信息。由于礦井鉆機零部件的幾何約束、公差約束等信息，與幾何面和特征信息，存在緊密聯系，所以，提取幾何面和特征信息，需要挖掘模型，在CAD建模軟件中的底層信息，從而獲得零部件幾何約束、公差約束等信息，與幾何面和特征信息之間的對應關系。

基于上述內容，提取到的零部件信息，設計零部件的層次結構，建立零部件之間的層次映射關系，其計算步驟如下：①根據提取到的模型本屬性信息和拓撲信息，構建模型總裝配層次結構。②判斷裝配礦井鉆機零部件的節(jié)點，屬于裝配體還是單獨零件；當其為單獨零件時，則其獲得的是零件屬性基本信息，可以讓零件層節(jié)點與之對應，并建立零件與裝配體層的映射關系；當其為子裝配體時，可以得到模型的本屬性信息及其下層拓撲結構，此時，依然建立與裝配體層對應的節(jié)點，并建立與總裝配體層間的對應關系。③基于獲取到的零部件基本信息，建立零件層和子裝配體層之間的映射關系。

（3）裝配流程VR交互體驗。為促使此次研究的礦井鉆機裝配流程，可以在虛擬現實環(huán)境中，具有交互功能，根據研究現狀，實時改變礦井鉆機裝配流程，將選擇3DMAX虛擬現實軟件，作為礦井鉆機裝配流程演示軟件，并在軟件中，設計Unity3D碰撞器，作為裝配過程的檢測機制，所有零件將掛載在VRTK-InteractableObject交互物體腳本上，方便用戶，件，都可供用戶抓取釋放零部件，配置腳本的參數，讓每一個腳本，都和零部件相一致。此外，還需要在Unity3D碰撞器中，添加盒型碰撞器組件和剛體組件，實現零部件之間的組裝和結合，存在真實的物理效果，如重力。讓虛擬裝配礦井鉆機，更具有真實感。如此，用戶只需在零件制定區(qū)域，直接拾取礦井鉆機零部件，并根據零部件所示位置，直接裝配礦井鉆機零部件。

（4）基于虛擬現實演示礦井鉆機裝配流程。根據圖1所示的礦井鉆機虛擬現實裝配環(huán)境制作流程，實現的礦井鉆機虛擬現實裝配環(huán)境，裝配礦井鉆機。由于礦井鉆機的零部件數量較多，但是其中最重要的傳動齒輪部分，基本呈一線排開，裝配難度大大降低。所以，采用虛擬現實技術，演示礦井鉆機的裝配流程，準確反映礦井鉆機零部件裝配序列。所以，此次確定的虛擬礦井鉆機零部件裝配流程，如圖1所示。

圖1 虛擬礦井鉆機零部件裝配流程

從圖1中可以看出，此次裝配礦井鉆機零部件，將此次設計的礦井鉆機零部件數據模型，導入3DMAX虛擬現實軟件中，按照設計的模型結構層次，確定的零部件坐標，裝配礦井鉆機零部件，并且每個零部件，都存在裝配序列，保證礦井鉆機裝配流程，在虛擬演示的過程中，零部件的裝配順序。此時，需要將確定的裝配序列，寫入3DMAX虛擬現實軟件中，以代碼的形式，運行礦井鉆機裝配動畫，完成礦井鉆機裝配流程研究。

2 仿真實驗

（1）實驗準備。實驗以某一礦井鉆機作為實驗對象，兩種方法實驗測試環(huán)境與數據相同。在測試中采用非設計人員測試，才能更加直觀的測試出用戶體驗性。在測試中，需要有足夠的測試時間，防止時間限制影響測試結果。測試主要針對功能性測試，重點從操作者角度作出測試。其測試內容，如表1所示：

表1 實驗測試內容

測試中，進入虛擬選擇后，記錄裝配流程與路線移動數據，并正在各零件中快速與正確切換。測試人員在進入模擬后，使用虛擬手對構件作出操作，獲取構件后釋放模型作出正確裝配。對兩組在裝配后鉆機的使用功率進行對比。

（2）實驗結果對比。在虛擬仿真中，鉆機各項參數設置、負載模型以及對鉆機操作方式相同。在考慮兩組虛擬方法參數、負載大小、控制方法以及初始狀態(tài)相同的條件下，對比兩組方法裝配后鉆機功率，結果如表2所示：

表2 實驗結果對比

從實驗結果中可以看出，虛擬現實裝配后鉆機工作時，在運行20s后，虛擬現實裝配方法功率輸出小于傳統(tǒng)裝配方法運行功率。傳統(tǒng)裝配方法運行的峰值功率和平均功率均低于虛擬現實裝配方法運行功率。虛擬現實裝配方法運行功率所有技術指標均達到了預定的控制目標，在高效經濟范圍內，啟動發(fā)動機的最終工作負載率較高?？偠灾?，與傳統(tǒng)裝配方法運行相比，虛擬現實裝配方法運行功率，減少了運行故障，并提供了明顯的節(jié)能，更好的動態(tài)性能和穩(wěn)定的系統(tǒng)運行。其裝配方法更具定性，并具有很高的工程實用價值。

3 結束語

裝配是產品制造的重要組成部分，約占產品總制造成本的三分之一。傳統(tǒng)的組裝方法通常采用物理原型的設計，并通過組裝物理原型來驗證產品組裝設計的效率。但是，由于構建真實原型的成本較高，因此無法驗證將導致以前的裝配缺陷。因此，基于虛擬現實的礦井鉆機裝配流程的研究，為降低鉆機裝配的制造成本，縮短鉆機開發(fā)周期并提高產品生產效率提供了一種新的解決方案。