水倉(cāng)自動(dòng)清淤裝置虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

崔強(qiáng)

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽蕪湖241000）

水倉(cāng)自動(dòng)清淤裝置虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

崔強(qiáng)

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽蕪湖241000）

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為理論基礎(chǔ)、泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出泵吸式水倉(cāng)清淤裝置虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，完成虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的場(chǎng)景建模及優(yōu)化，構(gòu)建場(chǎng)景SQL Server信息數(shù)據(jù)庫(kù)。最終通過(guò)VR-Platform軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)面向網(wǎng)絡(luò)的交互式虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)，使所有互聯(lián)網(wǎng)用戶通過(guò)訪問(wèn)VRPIE網(wǎng)頁(yè)即可實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景自主漫游和可控漫游、工作過(guò)程演示、人機(jī)交互等功能。

虛擬現(xiàn)實(shí)；水倉(cāng)清淤；VR-Platform；仿真系統(tǒng)

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)煤炭工業(yè)日益向大型化、集中化、高產(chǎn)高效的方向發(fā)展，但礦井下水倉(cāng)清理的技術(shù)難題至今還沒(méi)有得到根本解決。同時(shí)煤礦井下水倉(cāng)環(huán)境復(fù)雜，人們無(wú)法清楚地掌握清淤設(shè)備的工作情況和相關(guān)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等，這阻礙了水倉(cāng)清理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為煤礦井下水倉(cāng)清理的技術(shù)發(fā)展提供了一種新的思路和方法，即利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)，模擬煤礦井下水倉(cāng)的復(fù)雜環(huán)境及清淤設(shè)備的工作情況，實(shí)現(xiàn)真正可視化的具有身臨其境效果的交互方式，使煤礦井下水倉(cāng)清理技術(shù)的發(fā)展走上一個(gè)新臺(tái)階。

1 泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)組成及其工作原理

泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)組成如圖1所示。其工作原理如下：潛于水倉(cāng)底部的清淤泵車(chē)由鋼絲繩牽引，沿鋪設(shè)在水倉(cāng)底部（包括彎道和斜坡）的導(dǎo)軌往復(fù)、緩慢地在沉淀池中行走，根據(jù)安裝在沉淀池底部的沉積槽中沉積物的多少來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)行的方向和速度、選擇輸送泵的流量，將沉積物收集到收集器中，在泥漿泵的作用下，經(jīng)沉積物輸送管道將沉積物送入沉淀池，經(jīng)過(guò)增壓渣漿泵將沉淀池中的沉積物輸送到壓濾機(jī)進(jìn)行處理，再由礦車(chē)運(yùn)輸?shù)降孛?。?jīng)壓濾機(jī)處理沉積物分離出來(lái)的水流回水倉(cāng)，經(jīng)沉淀池的溢流板進(jìn)入清水倉(cāng)，再經(jīng)導(dǎo)流板和細(xì)微顆粒防沉積噴水嘴，使進(jìn)入清水倉(cāng)中的“清水”保持流動(dòng)，便于用水泵抽到地面。該系統(tǒng)在水倉(cāng)連續(xù)有效運(yùn)行的情況下，從根本上解決了水倉(cāng)清理的技術(shù)難題。

圖1 泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)

2 泵吸式水倉(cāng)清淤裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下水倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、煤泥實(shí)驗(yàn)結(jié)果及清淤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求，得到初始設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1。根據(jù)初始參數(shù)計(jì)算并確定泵吸式水倉(cāng)清淤裝置的運(yùn)行阻力和鋼絲繩、清淤泵車(chē)、無(wú)極繩絞車(chē)、滾筒結(jié)構(gòu)等的主要參數(shù)。

表1 初始設(shè)計(jì)參數(shù)

3 虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)場(chǎng)景建模

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）場(chǎng)景建模是整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)，主要包括三維視覺(jué)建模和三維聽(tīng)覺(jué)建模。其中視覺(jué)建模主要包括幾何建模（Geometric Modeling）、運(yùn)動(dòng)建模（Kinematric Modeling）、物理建模（Physical Modeling）、對(duì)象行為建模 （Object Behavior Modeling）及模型分割（Model Segmentation）等。

VR-Platform三維互動(dòng)仿真平臺(tái)是一款與3ds Max無(wú)縫集成的三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件，其模型的接口格式為.max文件，即3ds Max文件。3dsMax是VRP的建模工具，VRP是3ds Max功能的延伸，是3ds Max的三維互動(dòng)展示平臺(tái)，因此選用3ds Max建立場(chǎng)景模型。圖2和圖3分別為清淤泵車(chē)模型和泵車(chē)運(yùn)動(dòng)約束路徑。

圖2 清淤泵車(chē)模型

圖3 泵車(chē)運(yùn)動(dòng)約束路徑

4 虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的建立

建立場(chǎng)景SQL Server信息數(shù)據(jù)庫(kù)。虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景是對(duì)客觀世界的反映，場(chǎng)景的構(gòu)建就是真實(shí)環(huán)境的數(shù)字化過(guò)程。場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)逼真地反映了真實(shí)場(chǎng)景，它主要描述場(chǎng)景中所有的可見(jiàn)目標(biāo)及其相對(duì)的位置關(guān)系以及各個(gè)相關(guān)設(shè)備的資料信息。利用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立的設(shè)備信息表如圖4所示，主要包括產(chǎn)品說(shuō)明、清淤系統(tǒng)工作原理、水倉(cāng)清淤系統(tǒng)布置圖、相關(guān)設(shè)備圖及設(shè)備型號(hào)、參數(shù)信息等。

圖4 設(shè)備信息數(shù)據(jù)表

在數(shù)據(jù)庫(kù)里建立數(shù)據(jù)表之后，VR-Platform三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件通過(guò)ADO數(shù)據(jù)庫(kù)接口，與該表建立鏈接，調(diào)用表中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后在虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的界面適當(dāng)位置顯示出來(lái)。雖然VR-Platform提供了ADO數(shù)據(jù)庫(kù)接口，但是仍需要通過(guò)一個(gè)DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理與訪問(wèn)，因此，設(shè)計(jì)中需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建不同的DLL。

啟動(dòng)VRP編輯器，將合并存儲(chǔ)好的.vrp文件打開(kāi)，用VRP編輯器對(duì)場(chǎng)景模型進(jìn)行特效編輯，設(shè)置好交互功能，建立SQL Server信息數(shù)據(jù)庫(kù)并與其鏈接。

在上述工作完成后，將前期的結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。之后，就可以將該虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)編譯成一個(gè)可獨(dú)立執(zhí)行的.exe文件，并對(duì)編譯結(jié)果進(jìn)行測(cè)試發(fā)布，建立面向網(wǎng)絡(luò)的虛擬產(chǎn)品仿真系統(tǒng)。圖5和圖6是面向網(wǎng)絡(luò)的井下水倉(cāng)清淤裝置虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

圖5 二維界面效果圖

圖6 信息查詢功能展示

5 結(jié)論

本文在分析國(guó)內(nèi)外煤礦井下水倉(cāng)清淤設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并以其為研究對(duì)象，利用3ds Max三維建模軟件完成了虛擬產(chǎn)品仿真系統(tǒng)的場(chǎng)景建模，并建立了場(chǎng)景SQL Server信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)VRP-Builder實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景虛擬的漫游，創(chuàng)建了可控漫游和自動(dòng)漫游兩種漫游方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，其漫游模式可以通過(guò)熱區(qū)、熱鍵或操縱按鈕等來(lái)進(jìn)行切換。實(shí)現(xiàn)了泵吸式水倉(cāng)清淤系統(tǒng)工作過(guò)程的三維仿真演示。

今后隨著Internet的飛速發(fā)展，必然可以建立一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品仿真系統(tǒng)，使用戶可以在任意一臺(tái)連上互聯(lián)網(wǎng)的電腦上訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的瀏覽和交互。

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【責(zé)任編輯 黃艷芹】

Research on Designing the Virtual Reality Products Simulation System of the Sum p Silt-dredging Equipment

CUIQiang
（DepartmentofMechanical Engineering,Anhui Technical College ofMechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241000,China）

Based on the virtual reality technique and having studied the pump sump silt-dredging system,this paper has put forth the design projects of virtual reality products simulation system of pump sump silt-dredging equipment,completed the scene modeling and optimization of the system,and built the scene SQL Sever information database,and thus developed the virtual reality products simulation system ultimately through VR-Platform software.By visiting the VRPIE web page,all the internet users can control the system to achieve the functions such as voluntary ramble and controllable ramble of the virtual scene,the demo of the working process and theman-machine interaction.

virtual reality；sump dredging；VR-Platform；simulation system

TP391.9

A

2095-7726（2015）06-0062-04

2014-10-20

崔強(qiáng)（1982-），男，安徽蕪湖人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。