（梧州學(xué)院，大數(shù)據(jù)與軟件工程學(xué)院，廣西 梧州 543003）

鉆井鉆機(jī)設(shè)備一套完整的礦井鉆機(jī)價(jià)值1000余萬(wàn)元，稍有操作不當(dāng)就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，如果在裝配油箱或者給進(jìn)導(dǎo)軌這一些重量較大的配件時(shí)出現(xiàn)繩索斷裂的意外，輕者對(duì)經(jīng)濟(jì)造成一定損失重者對(duì)裝配人員造成生命危險(xiǎn)[1]。因此，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的礦井鉆機(jī)裝配流程研究。將一系列相關(guān)零件通過(guò)虛擬軟件按照裝配流程，以及明確技術(shù)與精度標(biāo)準(zhǔn)，模擬鉆機(jī)裝配流程。在不熟悉礦井鉆機(jī)裝配的情況下，如果擁有一套VR設(shè)備對(duì)裝配環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，將會(huì)節(jié)省一大筆不必要的損失，而且一整套安裝流程進(jìn)行下去在VR設(shè)備上大概需要15分鐘，能夠讓裝配人員對(duì)裝配在裝配之前對(duì)裝配流程有較多的了解[2]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感與交互性等特征，使裝配者在虛擬環(huán)境中，對(duì)虛擬空間中的零件進(jìn)行裝配操作。通過(guò)獲取反饋裝置的人機(jī)交互設(shè)備數(shù)據(jù)，從而獲取現(xiàn)實(shí)中并不存在的虛擬零件，逐步完成裝配操作。虛擬現(xiàn)實(shí)裝配流程，是鉆機(jī)裝配的最終目標(biāo)。在裝配過(guò)程需要對(duì)模擬中存在的異常數(shù)據(jù)作出修正，以此解決礦井鉆機(jī)在裝配中所遇到的裝配問(wèn)題，提前獲取裝配難以程度。

1 研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)的礦井鉆機(jī)裝配流程

（1）建立礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型。虛擬零部件模型的構(gòu)建是裝配系統(tǒng)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，模型構(gòu)造的合理與否直接影響模型裝配的現(xiàn)實(shí)性。零件模型的構(gòu)建是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述現(xiàn)實(shí)中參與裝配的零件的細(xì)節(jié)，由虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)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(shí)時(shí)更新要求。但是，在建立模型時(shí)，普通的面片模型，難以滿足礦井鉆機(jī)，對(duì)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(jù)礦井鉆機(jī)零部件的實(shí)際尺寸，建立礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型，并沒(méi)有考慮公差信息，從而影響礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型，仿真的真實(shí)感和合理性，影響礦井鉆機(jī)零部件的最終裝配結(jié)果。在建立礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)建模模型時(shí)，需要考慮礦井鉆機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)性需求，反映構(gòu)建零部件精確的幾何信息和詳盡的工程語(yǔ)義信息,具有完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息、反應(yīng)裝配工藝信息的接口信息等。因此，在實(shí)際的虛擬裝配應(yīng)用中，不是直接使用CAD建模軟件構(gòu)建的零件模型來(lái)完成裝配任務(wù)，而是通過(guò)CAD模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，獲得了可以在虛擬環(huán)境中顯示和應(yīng)用的中立性。然后通過(guò)專(zhuān)用接口程序?qū)⑽募?dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)，以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)零件模型的重構(gòu)，完成礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型的建立。

（2）計(jì)算模型零部件層次結(jié)構(gòu)?；谏弦徽鹿?jié)的建模過(guò)程，在礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)層次等信息，而這些信息影響著礦井鉆機(jī)裝配后的使用效果。所以，需要提取礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型中，所蘊(yùn)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(jī)零部件數(shù)據(jù)模型，智能直接反應(yīng)礦井鉆機(jī)零部件的表觀信息，所以，需要對(duì)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，確定模型面片的頂點(diǎn)個(gè)數(shù)、坐標(biāo)、顏色、紋理、法向量、頂點(diǎn)索引等信息，并將提取到的信息，轉(zhuǎn)換成MXL中性文件。②幾何面和特征信息。由于礦井鉆機(jī)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(lián)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

基于上述內(nèi)容，提取到的零部件信息，設(shè)計(jì)零部件的層次結(jié)構(gòu)，建立零部件之間的層次映射關(guān)系，其計(jì)算步驟如下：①根據(jù)提取到的模型本屬性信息和拓?fù)湫畔?，?gòu)建模型總裝配層次結(jié)構(gòu)。②判斷裝配礦井鉆機(jī)零部件的節(jié)點(diǎn)，屬于裝配體還是單獨(dú)零件；當(dāng)其為單獨(dú)零件時(shí)，則其獲得的是零件屬性基本信息，可以讓零件層節(jié)點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，并建立零件與裝配體層的映射關(guān)系；當(dāng)其為子裝配體時(shí)，可以得到模型的本屬性信息及其下層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)，依然建立與裝配體層對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并建立與總裝配體層間的對(duì)應(yīng)關(guān)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(guān)系。

（3）裝配流程VR交互體驗(yàn)。為促使此次研究的礦井鉆機(jī)裝配流程，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，具有交互功能，根據(jù)研究現(xiàn)狀，實(shí)時(shí)改變礦井鉆機(jī)裝配流程，將選擇3DMAX虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，作為礦井鉆機(jī)裝配流程演示軟件，并在軟件中，設(shè)計(jì)Unity3D碰撞器，作為裝配過(guò)程的檢測(cè)機(jī)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(shù)，讓每一個(gè)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(shí)現(xiàn)零部件之間的組裝和結(jié)合，存在真實(shí)的物理效果，如重力。讓虛擬裝配礦井鉆機(jī)，更具有真實(shí)感。如此，用戶只需在零件制定區(qū)域，直接拾取礦井鉆機(jī)零部件，并根據(jù)零部件所示位置，直接裝配礦井鉆機(jī)零部件。

（4）基于虛擬現(xiàn)實(shí)演示礦井鉆機(jī)裝配流程。根據(jù)圖1所示的礦井鉆機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境制作流程，實(shí)現(xiàn)的礦井鉆機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境，裝配礦井鉆機(jī)。由于礦井鉆機(jī)的零部件數(shù)量較多，但是其中最重要的傳動(dòng)齒輪部分，基本呈一線排開(kāi)，裝配難度大大降低。所以，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，演示礦井鉆機(jī)的裝配流程，準(zhǔn)確反映礦井鉆機(jī)零部件裝配序列。所以，此次確定的虛擬礦井鉆機(jī)零部件裝配流程，如圖1所示。

圖1 虛擬礦井鉆機(jī)零部件裝配流程

從圖1中可以看出，此次裝配礦井鉆機(jī)零部件，將此次設(shè)計(jì)的礦井鉆機(jī)零部件數(shù)據(jù)模型，導(dǎo)入3DMAX虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，按照設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)層次，確定的零部件坐標(biāo)，裝配礦井鉆機(jī)零部件，并且每個(gè)零部件，都存在裝配序列，保證礦井鉆機(jī)裝配流程，在虛擬演示的過(guò)程中，零部件的裝配順序。此時(shí)，需要將確定的裝配序列，寫(xiě)入3DMAX虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，以代碼的形式，運(yùn)行礦井鉆機(jī)裝配動(dòng)畫(huà)，完成礦井鉆機(jī)裝配流程研究。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)以某一礦井鉆機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩種方法實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境與數(shù)據(jù)相同。在測(cè)試中采用非設(shè)計(jì)人員測(cè)試，才能更加直觀的測(cè)試出用戶體驗(yàn)性。在測(cè)試中，需要有足夠的測(cè)試時(shí)間，防止時(shí)間限制影響測(cè)試結(jié)果。測(cè)試主要針對(duì)功能性測(cè)試，重點(diǎn)從操作者角度作出測(cè)試。其測(cè)試內(nèi)容，如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試中，進(jìn)入虛擬選擇后，記錄裝配流程與路線移動(dòng)數(shù)據(jù)，并正在各零件中快速與正確切換。測(cè)試人員在進(jìn)入模擬后，使用虛擬手對(duì)構(gòu)件作出操作，獲取構(gòu)件后釋放模型作出正確裝配。對(duì)兩組在裝配后鉆機(jī)的使用功率進(jìn)行對(duì)比。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。在虛擬仿真中，鉆機(jī)各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、負(fù)載模型以及對(duì)鉆機(jī)操作方式相同。在考慮兩組虛擬方法參數(shù)、負(fù)載大小、控制方法以及初始狀態(tài)相同的條件下，對(duì)比兩組方法裝配后鉆機(jī)功率，結(jié)果如表2所示：

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)裝配后鉆機(jī)工作時(shí)，在運(yùn)行20s后，虛擬現(xiàn)實(shí)裝配方法功率輸出小于傳統(tǒng)裝配方法運(yùn)行功率。傳統(tǒng)裝配方法運(yùn)行的峰值功率和平均功率均低于虛擬現(xiàn)實(shí)裝配方法運(yùn)行功率。虛擬現(xiàn)實(shí)裝配方法運(yùn)行功率所有技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)定的控制目標(biāo)，在高效經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最終工作負(fù)載率較高?？偠灾c傳統(tǒng)裝配方法運(yùn)行相比，虛擬現(xiàn)實(shí)裝配方法運(yùn)行功率，減少了運(yùn)行故障，并提供了明顯的節(jié)能，更好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行。其裝配方法更具定性，并具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

裝配是產(chǎn)品制造的重要組成部分，約占產(chǎn)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(shè)計(jì)，并通過(guò)組裝物理原型來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品組裝設(shè)計(jì)的效率。但是，由于構(gòu)建真實(shí)原型的成本較高，因此無(wú)法驗(yàn)證將導(dǎo)致以前的裝配缺陷。因此，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的礦井鉆機(jī)裝配流程的研究，為降低鉆機(jī)裝配的制造成本，縮短鉆機(jī)開(kāi)發(fā)周期并提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率提供了一種新的解決方案。