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        艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)研究

        2019-02-19 02:30:56張曉懷
        中國修船 2019年1期
        關(guān)鍵詞:虛擬環(huán)境艙室艦船

        張曉懷,王 銀

        (海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

        現(xiàn)代高新技術(shù)戰(zhàn)爭中,武器裝備的快速機(jī)動(dòng)能力和安全性、可靠性至關(guān)重要[1-2]。艦船機(jī)電專業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜,并不斷向電子化、數(shù)字化、智能化發(fā)展,因此裝備功能的發(fā)揮更加依賴于裝備的技術(shù)保障能力。特別是隨著裝備保障工作信息化水平的不斷提高,傳統(tǒng)的裝備應(yīng)急搶修模式難以滿足要求,需要不斷探索新的應(yīng)急搶修方法。

        為不斷提高裝備應(yīng)急搶修能力,滿足部隊(duì)裝備保障信息化建設(shè)的需要,開展“艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)”研制,可有效克服裝備資源和維修信息分散、缺乏統(tǒng)籌管理及維修保障難度大等問題[3-4],提高裝備保障、維修以及訓(xùn)練的質(zhì)量,節(jié)省經(jīng)費(fèi),產(chǎn)生軍事和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

        1 艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)框架

        艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng),包括對(duì)維修對(duì)象(裝配體、組件、零部件)進(jìn)行拆卸、裝配操作,查詢維修對(duì)象資料及交互訓(xùn)練等。系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

        2 三維建模及模型優(yōu)化

        三維建模包含4個(gè)方面的技術(shù):一是機(jī)械三維建模,模型達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)控加工的精確級(jí)別,體現(xiàn)了本系統(tǒng)資源的權(quán)威性、科學(xué)性;二是模型的減面及干涉,體現(xiàn)了本項(xiàng)目的特有難點(diǎn),正因?yàn)槟P途_,帶來了大量的面數(shù),需要研究技術(shù)消除多余的面和干涉;三是模型的貼圖及紋理等美化技術(shù);四是環(huán)境及艙室的三維建模技術(shù),體現(xiàn)的是虛實(shí)結(jié)合,用圖片替代不具有拆裝性的復(fù)雜環(huán)境[5]。

        2.1 實(shí)體建模

        機(jī)械三維模型是虛擬維修系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)體建模主要包括設(shè)備零件的建模及裝配[6]。因此,對(duì)已有模型進(jìn)行完善、渲染優(yōu)化是本項(xiàng)目的主體工作之一,使用Solidworks軟件將傳統(tǒng)的平面工程圖紙轉(zhuǎn)換成設(shè)備的三維實(shí)體模型。Solidworks機(jī)械三維CAD模型通過中間數(shù)據(jù),導(dǎo)入到3dmax進(jìn)行編輯,編輯的目的是減少模型的面數(shù),提高三維模型在虛擬顯示三維引擎中的運(yùn)行效率、每秒顯示的幀數(shù),在高精度的前提下達(dá)到流暢運(yùn)行,同時(shí)對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行美化處理。

        2.2 三維虛擬環(huán)境建模

        為了形象地展示設(shè)備拆裝前后相關(guān)設(shè)備和管系等的拆裝范圍和過程,設(shè)備(部件)進(jìn)出艙室的通道和過程以及設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的拆裝、檢查和維修過程,需運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作設(shè)備所在艙室的虛擬環(huán)境。艙室的虛擬環(huán)境應(yīng)展現(xiàn)該艙室內(nèi)與虛擬維修對(duì)象相關(guān)聯(lián)的主要設(shè)備、管系、閥件、水密門等的形狀、尺寸、材質(zhì)及布置位置。在進(jìn)行艙室虛擬環(huán)境制作時(shí),與設(shè)備無關(guān)聯(lián)的周圍環(huán)境以照片貼圖方式實(shí)現(xiàn),設(shè)備本身及與設(shè)備有關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備、管系、閥件等以三維實(shí)體建模實(shí)現(xiàn),設(shè)備(部件)進(jìn)出艙的通道以貼圖和三維模型相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

        三維虛擬維修環(huán)境生成的方法有2種:一種是在Solidworks中建立模型,另存為*.stl格式,然后導(dǎo)入3dmax中,在3dmax中將模型保存為*.NMO格式,在Virtools中直接使用,該方法的優(yōu)點(diǎn)是建立模型非常快捷,缺點(diǎn)是導(dǎo)入后模型的失真嚴(yán)重,重新調(diào)整模型的工作量大。另外一種方法是使用3dmax建立模型,優(yōu)點(diǎn)是逼真,特征丟失較少,該方法生成的虛擬維修環(huán)境真實(shí)感強(qiáng),場景文件的容量小,缺點(diǎn)是模型建立很慢[7]?;谔摂M艙室環(huán)境要求真實(shí)度高,故采用第二種方法。

        通過上船拍攝的方式完成艙室環(huán)境素材的采集,再利用3dmax軟件創(chuàng)建出艙室環(huán)境。對(duì)于需要安裝到艙室內(nèi)的設(shè)備,利用3dmax軟件,將重建后的三維模型(見圖2),按照實(shí)船環(huán)境進(jìn)行空間定位。對(duì)模型進(jìn)行貼圖繪制和編輯,然后進(jìn)行材質(zhì)烘培,再利用PhotoShop等工具,進(jìn)行美化加工,使得虛擬環(huán)境更加逼真。

        圖2 艙室環(huán)境三維建模

        3 艦船裝備虛擬拆裝

        艦船裝備虛擬拆裝過程如圖3所示。

        圖3 裝配過程

        針對(duì)艦船裝備的工作原理、安裝工藝和技術(shù)要求,掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)、零件的功用以及相互連接關(guān)系,進(jìn)行拆卸和裝配。由圖紙到零件,再到裝配體,小的裝配體組合成完整的設(shè)備,是一個(gè)由下到上的逆過程。使用3dvia composer軟件制作艦船機(jī)電裝備的三維虛擬維修動(dòng)畫,同時(shí)具有一定的交互性、穿插維修守則及規(guī)程。

        4 艦船裝備搶修虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        4.1 總體設(shè)計(jì)思路

        在對(duì)艦船船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備的工作原理、工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能進(jìn)行深入、詳細(xì)地研究分析的基礎(chǔ)上,以某型艦船的船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備為對(duì)象,采用二維、三維圖形技術(shù),建立了有關(guān)系統(tǒng)的二維動(dòng)畫演示系統(tǒng),及關(guān)鍵設(shè)備三維實(shí)體模型和交互式動(dòng)畫演示和虛擬拆裝操作;并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對(duì)其進(jìn)行管理,以方便設(shè)備使用和維修人員管理了解船機(jī)電專業(yè)各系統(tǒng)基本原理、系統(tǒng)中各設(shè)備連接關(guān)系,掌握關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和拆裝過程。其總體思路如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)演示路線

        4.2 艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修管理平臺(tái)的開發(fā)采用C#語言,使用Visual Studio 2010作為平臺(tái)開發(fā)工具,能模擬實(shí)際三維設(shè)備的手動(dòng)拆分。通過點(diǎn)選設(shè)備部件,對(duì)其進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、測量尺寸等,對(duì)于大的裝備,可以隱藏不需要的部件或動(dòng)態(tài)剖視透視其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一個(gè)設(shè)備都可以自動(dòng)以動(dòng)畫的形式演示其組成,并提供圖形打印功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)線路圖如圖5所示,以系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙資料為基礎(chǔ),利用Solidworks或3dmax軟件建立三維實(shí)體模型,實(shí)現(xiàn)3D/VR的虛擬演示。

        圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

        5 結(jié)束語

        本文系統(tǒng)而全面地對(duì)艦船船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備的技術(shù)性能、技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行分析和研究,利用圖形和數(shù)據(jù)庫理論、技術(shù),開發(fā)了某型艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)艦船裝備的使用和維修人員培訓(xùn)提供技術(shù)支持,對(duì)該型船的技術(shù)資料管理提供先進(jìn)的管理手段,對(duì)提高艦船裝備的技術(shù)保障能力具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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