艦艇柴油機(jī)氣缸蓋虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳萍　周雨欣　歐大生　等

摘要：針對(duì)艦艇柴油機(jī)氣缸蓋組件虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行論述。分析了使用SolidWorks進(jìn)行幾何建模的過程，并研究了基于Virtools實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)的方法。研究結(jié)論更好地適應(yīng)新形勢(shì)下裝備拆裝訓(xùn)練的要求。

關(guān)鍵詞：Virtools；虛擬維修；艦艇柴油機(jī)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）17022402

0引言

隨著海軍轉(zhuǎn)型，遠(yuǎn)洋部署和作戰(zhàn)運(yùn)用特點(diǎn)決定了其有相當(dāng)長的時(shí)間是遠(yuǎn)離基地的，更加依賴伴隨保障、艦上的原位修理、戰(zhàn)場(chǎng)搶修，這就對(duì)艦員的維修水平和技能提出了更高的要求。

從裝備訓(xùn)練的角度上看，對(duì)維修人員的訓(xùn)練結(jié)合實(shí)裝進(jìn)行，存在如下缺陷：（1）結(jié)合實(shí)裝維修訓(xùn)練，其數(shù)量和訓(xùn)練場(chǎng)地受限，受訓(xùn)人員的數(shù)量和時(shí)間難以保證，訓(xùn)練效率低下；（2）某些裝備功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂，難以提供在實(shí)踐上作維修訓(xùn)練使用，造成維修訓(xùn)練工作無法進(jìn)行，從而影響戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)斗力的快速形成；（3）結(jié)合實(shí)裝訓(xùn)練，局限性很大，例如某些故障無法模擬導(dǎo)致所見故障現(xiàn)象和所能體會(huì)的維修操作有限，大多還只能從書本上進(jìn)行抽象理解；不具備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的“回放”和“暫停”功能，不便于精確的指出和回顧訓(xùn)練中存在的問題；（4）結(jié)合實(shí)裝訓(xùn)練，會(huì)造成油料等的消耗、裝備磨損，誤操作甚至可能造成裝備損壞、人員受傷，因此成本高且具有一定的危險(xiǎn)性。艦艇柴油機(jī)是整個(gè)艦艇的心臟，提高艦艇柴油機(jī)維修保障能力尤為重要。針對(duì)以上問題，開展艦艇柴油機(jī)中氣缸蓋組件虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究工作。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用Virtools軟件實(shí)現(xiàn)虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。然而Virtools本身不能構(gòu)建三維模型，要借助其他建模軟件來建立三維模型。目前最常用的三維建模軟件有SolidWorks、UG、Pro/E、Catia等，本文采用Solidworks實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。SolidWorks功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，它不僅能描述零件的輪廓線與表面，還能描述其體積。三維模型建立完成后，導(dǎo)入Virtools中，實(shí)現(xiàn)虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

2氣缸蓋組件實(shí)體建模

氣缸蓋組件包括：氣缸蓋、排氣門、氣門座閥、氣門導(dǎo)管和氣門彈簧等。它與活塞和氣缸套三者構(gòu)成柴油機(jī)燃燒室的空間，是艦艇柴油機(jī)的重要組成部件之一。三維實(shí)體模型是虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)，模型的質(zhì)量將會(huì)直接影響到平臺(tái)的效果和逼真度。虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的第一步就是對(duì)各零部件進(jìn)行建模。SolidWorks是基于特征的參數(shù)化建模軟件，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、陳列、切除等直觀操作就可實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。在SolidWorks建模的過程中主要是先確定幾個(gè)基本的面，再通過特征工具欄的拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)切除、倒角、圓角、等特征工具把面繪制為三維實(shí)體。通過以上方法對(duì)氣缸蓋組件各零部件進(jìn)行建模，將建立好的零件模型導(dǎo)入到裝配體文件中，在Solidworks軟件中進(jìn)行裝配，通過同軸心、相切、重合等命令，確定好各個(gè)零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，并將所有零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，并將所有零件組合完整的裝配體。總裝配圖如圖1所示。

圖1氣缸蓋組件裝配體

3氣缸蓋組件虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

Virtools制作具有沉浸感的虛擬環(huán)境，它對(duì)參與者生成諸如視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺，是一種新發(fā)展的、具有新含義的一種人機(jī)交互系統(tǒng)。三維模型建立完成后將其導(dǎo)入Virtools中。必須將模型轉(zhuǎn)換為Virtools可讀取的文件類型，Virtools目前支持的文件格式類型有：.3ds、.3dxml、.asc、.dae、.wrl、.nmo。Virtools實(shí)現(xiàn)行為交互的基礎(chǔ)是BB模塊，Virtools通過提供超過600個(gè)的內(nèi)置BB并支持腳本語言VSL和SDK使得開發(fā)流程縮短，難度降低，能夠在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出相當(dāng)規(guī)模的3D交互系統(tǒng)。

界面及菜單制作。主界面及菜單：氣缸蓋組件虛擬裝配實(shí)例開始運(yùn)行后，首先展現(xiàn)出來的就是主界面及操作菜單。主界面圖片通過創(chuàng)建新的二維幀來實(shí)現(xiàn)，操作菜單是由交互按鈕構(gòu)成。

后期交互制作。前面制作的二維幀平面按鈕是用來發(fā)送信息的，當(dāng)所對(duì)應(yīng)的腳本接收到信息后，就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的流程。

通過信息的發(fā)送與接收，從而由信息的切換來開啟不同的腳本流程，實(shí)現(xiàn)了主次界面的轉(zhuǎn)換、激活與接觸裝配演示、激活與接觸虛擬裝配。后期交互的腳本如圖2所示。

圖2后期交互腳本框圖

整合發(fā)布。在進(jìn)行虛擬裝配編輯后，便可進(jìn)行發(fā)布。一般Virtools中的基本發(fā)布方式有兩種，分別是可執(zhí)行播放方式和網(wǎng)頁播放方式。本文只發(fā)布可執(zhí)行播放方式。氣缸蓋組件虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3缸蓋組件虛擬維修實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4結(jié)束語

隨著3D技術(shù)的飛速發(fā)展，今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)勢(shì)必向著交互式、智能化方向發(fā)展。Virtools提供的豐富功能為今后交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的擴(kuò)展和應(yīng)用提供了延續(xù)性。本文采用SolidWorks進(jìn)行三維建模，快速、精確機(jī)械建模，再在Virtools環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路，充分發(fā)揮了SolidWorks與Virtools的各自長處，提高了開發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于艦船機(jī)電裝備虛擬維修技術(shù)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡亮，王蘭美，宋宏鵬，等.SolidWorks、3DSMax結(jié)合Virtools實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24，（3）：103106.

[2]李發(fā)光，楊璋南.內(nèi)燃動(dòng)力裝置維修與管理實(shí)驗(yàn)實(shí)作[M].武漢：海軍工程大學(xué)出版，2002，（12）.

[3]徐英欣，王丹東.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典[M].重慶：電腦報(bào)電子音像出版社，2009，（08）.

[4]左田田.基于Virtools平臺(tái)的教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].軟件產(chǎn)業(yè)與工程，2012，16，（4）：4043.