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西安门式起重机虚拟拆卸系统设计及关键技术(一)

编辑:河南省矿山起重机西安分公司时间:2019-04-01

  由于西安门式起重机的结构复杂且体积庞大,进行实装拆卸训练、内部结构学习、工作原理认识难以满足要求。因此,文中设计了门座起重机虚拟拆卸系统,运用MFC与OSG相结合的方法,实现了虚拟拆卸系统的开发,其功能包括起重机起升机构、运行机构、回转机构、变幅机构中的主要零部件,通过自动拆卸、手动拆卸以及相关辅助功能的配合,可用于门座起重机的企业设备报废工艺验证、员工维修技能培训、以及原理认知学习、教学等领域,这种方式既安全又经济,还可重复,具有重要意义、

  在门座起重机设计、维护、维修、报废、回收等过程中,拆卸操作是必不可少的。产品拆卸的难易程度即可拆卸性是绿色设计理念的重要评价指标之一。据统计,在产品设计过程中的拆卸成本占总成本的25%;而在设备维护、维修过程中,拆卸更是不可避免的。在设计过程中,如果设备的拆卸性验证完全依靠物理样机,会使设计周期过长、成本过高;而传统设备维护、维修人员的培训是通过物理样机完成的,设备数量、场地大小等因素限制了训练效率,加大了训练成本,提升了训练风险。因此,如何安全、高效、经济的进行设备维护拆卸、维修拆卸、报废回收拆卸也成为了亟待解决的问题[1]。虚拟拆卸技术以其直观、可重复、安全、环保等优势,在众多行业中得到了广泛的应用,同时也受到国内外研究人员的重视。




  虚拟拆卸在维修培训方面的应用可以追溯到20世纪90年代,美国哈勃望远镜入轨后,相关技术人员发现其光学系统存在结构缺陷,美国国家航空航天局[2]为了保证拆卸维修工作的万无一失,通过建立虚拟拆卸维修环境,对宇航员进行沉浸式拆卸训练,经过训练后的技术人员圆满的完成了这次维修任务。德国弗劳恩霍夫协会工业工程研究所[3]虚拟现实实验室结合虚拟现实技术模拟拆装环境,并通过建立操作者模型实现人机交互,该系统获得了慕尼黑计算机展览会最佳系统奖。美国宾夕法尼亚大学[4]开发了AVIS-MS可视化维修仿真系统,经过科研人员的努力,实现了维修服务的可视化,系统将维修拆卸技术规程通过可视化技术展示给操作者,极大地降低了对使用者的专业要求,提升了拆卸效率。王炳达等针对目前农机设备维护存在的困难,提出了建立虚拟场景实现虚拟拆卸的方案,并得出了将虚拟现实技术应用于装备拆卸方面具有较好的实用性的结论。陈浩等[5]使用虚拟现实平台Virtool开发了一款虚拟拆卸系统,证明了虚拟拆卸可以解决实装拆卸过程繁琐、成本高、安全性低等问题。张王卫等[6]和康兴无等将虚拟现实技术应用到复杂装备的拆卸训练中,验证了虚拟拆卸系统在复杂装备拆卸培训中的优越性。

  从上述文献可以得出结论,虚拟拆卸应用在复杂设备、大型设备维修培训、设备结构分析等方面具有得天独厚的优势,同时也可取得很好的效果。但是,目前针对常见的虚拟拆卸培训系统还存在成本高、系统功能不完善等问题。因此,本文设计了一种桌面式虚拟拆卸系统,通过OSG图形引擎建立虚拟场景,以鼠标、键盘作为交互设备,完成桌面式门座起重机虚拟拆卸系统开发。最后,将MFC(Microsoft Foundation Classes)与OSG结合,搭建虚拟拆卸系统UI(User Interface),高质量的虚拟样机配合友好的操作界面,通过实时人机交互操作,对于操作者掌握设备结构,完成虚拟拆卸员工培训、学生学习以及实践操作有重要意义。

  1.交互式虚拟拆卸系统总体设计

  针对门座起重机的运行机构、变幅机构、起升机构、回转机构的部分零部件,搭建虚拟拆卸系统。如图1所示,西安门式起重机虚拟拆卸系统主要包括自动拆卸模块、手动拆卸模块和辅助功能挂件模块等;该系统以鼠标、键盘为交互设备,在自动拆卸过程中可通过键盘控制拆卸进程,并可利用鼠标切换视角,多角度、全方位地观察拆卸过程,提高设备结构熟悉的速度。手动拆卸需要用户选择目标零件进行拆卸,通过添加的拆卸过程路径记录和工具切换功能,共同对拆卸过程进行记录和评价。

  门座起重机虚拟拆卸系统设计及关键技术

  另外,系统加入了场景漫游、立体显示等拆卸辅助挂件,进一步提升了拆卸系统的实用价值,使用户身临其境感受拆卸过程。

  2.关键技术研究

  OSG是一款具备开源、平台无关以及渲染质量高等优良特性的三维图形渲染引擎,通过OSG图形引擎可以快速完成高质量的交互式场景程序开发。为了保证虚拟拆卸系统功能的完整性,通过应用OSG完成自动拆卸、手动拆卸以及部分辅助功能的设计。开发自动拆卸的主要目的是为了让用户能够更好地了解门座起重机的设备结构,通过添加场景漫游实现设备结构的全方位观察,提升学习效率。手动拆卸是通过鼠标拖曳实现设备拆卸,与考核机制配套使用可以帮助用户完成拆卸训练。



  2.1拆卸路径规划

  拆卸路径、序列规划是虚拟拆卸系统搭建的关键问题,其主要目的是为了保证拆卸过程的可行性。虚拟拆卸规划主要包括对零部件拆卸顺序规划和拆卸路径规划。虚拟拆卸路径规划确保了拆卸的真实性,避免拆卸过程中出现零部件穿透的情况,由碰撞检测机制实现。本文旨在构建一个可视化虚拟现实人机交互拆卸系统,采用规范的路径规划方法,使培训者在虚拟三维环境中对虚拟设备进行拆卸训练,以达到熟悉装备结构和拆卸路径的目的。

  虚拟拆卸路径规划在保证零部件拆卸顺序的基础上,要能体现出零部件的约束和装配关系,并生成一条从拆卸开始到拆卸结束的无碰撞路径。培训者通过虚拟拆卸学习到的不仅仅是拆卸的顺序,还能了解装备的外形、结构以及配合关系,这样在实际操作的时候就能游刃有余。对于虚拟拆卸路径规划,关键是在最短时间内、最小内存消耗下确定无碰撞路径。本文使用射线检测算法确定最佳路径,射线检测算法是OSG独有的检测机制,简化了碰撞检测的过程。

  算法的原理是沿拆卸路径的方向产生一条射线,除拆卸零部件之外剩下的部件生成包围盒,通过碰撞检测机制检测射线与包围盒相交的情况,如无碰撞则该路径为最佳拆卸路径;否则,重新改变拆卸方向,继续检测,直至生成无碰撞的路径,但此时的路径需要进行光滑处理。射线检测算法对路径进行规划的原理如图2所示。

  该算法可减少碰撞检测的频率,减轻计算机运行负担,加快虚拟场景的运行速度。西安门式起重机在虚拟拆卸路径规划时,某时刻碰撞检测的次数最多只有一次,即射线与装备整体的碰撞检测,避免了拆卸零部件对整体各个零部件的碰撞检测。该算法具有实用性,在很多形式下均可共用(如运动的物体检测前方是否存在障碍物)。

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