CN103413487A - 一种变压器装配工艺交互仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于虚拟现实，虚拟装配技术、跨平台的装配工艺交互仿真系统及方法，特涉及一种变压器装配工艺交互仿真系统及方法。本发明通过虚拟现实技术，结合图形处理技术、三维仿真等相关技术，将三维建模工具、三维模型整合工具、体感摄影机相结合，开发一套基于虚拟样机的变压器装配工艺仿真系统，在计算机上仿真变压器装配工艺的生产、装配操作的全过程，同时结合实时监造要点提示对现场装配工人进行培训和指导。本发明不仅能虚拟演示变压器装配过程，更重要的是在对电力系统培训装配、建造人员及进行装配实验时降低培训成本；缩短培训时间、提高培训效率；降低培训场所要求。

Description

一种变压器装配工艺交互仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及基于虚拟现实，虚拟装配技术、跨平台的装配工艺交互仿真系统及方法，特涉及一种变压器装配工艺交互仿真系统及方法。

背景技术

虚拟现实技术（VR交互展示技术）是近年来出现的高新技术，也称灵境技术或人工环境。该技术使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。虚拟现实技术的发展使得高风险、高成本、高难度、高精密的生产、装配、检修、监造等工作的培训、模拟、推演变为可能。随着虚拟现实技术的不断革新，相比以往基于三维显示与人机单一交互的视觉仿真系统，目前用户更需要多维（三维视觉、听觉、触觉等）可交互的沉浸式仿真系统，使得用户能够通过真正身临其境的多维信息接受与反馈达到最佳效果。

在当前国家电网事业高速发展的情况下，国家对各种类型变压器的需求量激增。变压器具有品种多、批量小、装配精度要求高、所需装配资源类型多、装配质量难以预测、装配工序长以及设备昂贵等特点，因此在对相关人员进行变压器装配工艺培训及制作过程问题检测、维修时如完全通过现实场景实际操作，需要极大的时间、物资成本。针对这一问题，急需一种低成本条件下的变压器装配培训解决方案。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明通过虚拟现实技术，结合图形处理技术、三维仿真等相关技术，将三维建模工具、三维动画整合工具、体感摄影机相结合，实现了现实场景与虚拟场景间的实时交互；并利用虚拟现实技术、设备模型的装配技术、碰撞检测技术、装配约束、装配规划技术以及运动路径规划技术，在计算机上仿真变压器装配工艺的生产、装配操作的全过程，同时结合实时监造要点提示对现场装配工人进行培训和指导。本发明不仅能虚拟演示变压器装配过程，更重要的是在对电力系统培训装配、建造人员及进行装配实验时降低培训成本；缩短培训时间、提高培训效率；降低培训场所要求。

本发明的技术方案是：

一种变压器装配工艺交互仿真系统，包括用于获取人体动作的体感摄像机、输入设备、变压器装配工艺交互仿真系统和用于显示的监视设备，体感摄像机和输入设备的控制命令和参数传至变压器装配工艺交互仿真系统，其特征在于：所述的变压器装配工艺交互仿真系统包含：三维模型库、体感数据处理模块、虚拟装配处理模块和显示模块四个部分；所述的虚拟装配模块根据体感数据处理模块采集的体感摄像机的数据从三维模型库中选择虚拟模型和进行装配操作，并将数据传输至显示模块进行显示。

如上所述的交互仿真系统，其特征在于：所述的体感摄像机能实时判断：选中零件、向三维空间各个方向移动、调整视角方向、播放、暂停、回到上一工序、进入下一工序、停止当前工序的人体动作，并将指令实时传递给体感数据处理模块。

如上所述的交互仿真系统，其特征在于：所述的虚拟装配模块具有装配干涉碰撞检测功能。-2-3学研究院武汉南瑞有限责任公司悉掌握系统的管理和

一种变压器装配工艺交互仿真方法，其特征在于：包含以下步骤：

采集人体动作的步骤；

建立三维模型库的步骤；

将采集人体动作的数据与三维模型库进行关联，实现三维模型库中所需模型虚拟装配的步骤；

显示装配过程的步骤。

如上所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配步骤能根据采集人体动作完成选中零件、向三维空间各个方向移动、调整视角方向、播放、暂停、回到上一工序、进入下一工序、停止当前工序的人体动作。 

如上所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配具有装配干涉碰撞检测功能。-2-3学研究院武汉南瑞有限责任公司悉掌握系统的管理和

如上所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配能虚拟铁芯制作、器身装配、半成品试验、器身干燥、总装配、出厂试验、总装后工艺处理或包装发送工艺。

如上所述的交互仿真方法，其特征在于：它还包括装配单元从无约束状态调整到受约束状态的步骤。

本发明的有益效果是：

变压器装配工艺交互仿真系统可完全模拟变压器实际装配情况，并对重点装配步骤进行交互式指导、提示。该系统不仅能虚拟演示变压器装配过程，更重要的是在对电力系统培训装配、建造人员及进行装配实验时降低培训成本；缩短培训时间、提高培训效率；降低培训场所要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是变压器装配工艺交互仿真系统的物理框架图。

图2是变压器装配工艺交互仿真系统的系统架构。

图3是变压器装配工艺交互仿真系统流程示意。

具体实施方式

附图标记说明：附图1标记说明：1-体感摄像机，2-基本输入设备，3-变压器装配工艺交互仿真系统，4-监视设备。

附图2标记说明：21-三维场景模型，22-三维零部件模型，23-三维模型库，24-体感数据处理模块，1-体感摄像机，26-虚拟装配处理模块，27-显示模块。 

附图3标记说明：31-变压器装配工艺交互仿真流程，32-铁芯制作，33-器身装配，34-半成品试验，35-器身干燥，36-总装配，37-出厂试验，38-总装后工艺处理，39-包装发送。

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明核心内容为对变压器装配工艺进行交互仿真，以下结合附图和实施例对该系统具体实施方式做进一步说明。

本发明整体物理框架如图1所示，体感摄像机1中获取人体的动作，配合基本输入设备2的操作，所有的控制命令和参数传至变压器装配工艺交互仿真系统3，在此系统内完成装配工艺的仿真，仿真结果传送至监视设备4中显示，供使用人员确定当前操作引起的虚拟制作环境变化。

变压器装配工艺交互仿真系统的系统架构如图2所示。变压器装配工艺交互仿真系统3包含：三维模型库23，体感数据处理模块24，虚拟装配处理模块26，显示模块27四个部分。通过建模工具完成三维场景模型21和三维零部件模型22的制作，将模型依各类型的存放方式存放与三维模型库23中进行管理调度。体感数据处理模块24获取来自体感摄像机1的数据并进行处理，判断当前操作请求。虚拟装配模块26根据当前操作内容，从三维模型库23中选择所需模型构建当前虚拟装配现场，并从体感数据处理模块24获取装配操作信息，通过结合两个模块的信息，完成虚拟装配过程并将数据传输至显示模块27进行渲染并显示给用户。

本发明的虚拟三维模型库23的具体建造方式为：根据变压器装配工艺中的实际情况，使用3Ds Max等三维建模工具，完成对装配过程中所有涉及的元器件、零部件及场景进行仿真建模。建模完成后，将零部件、元器件模型放入相应三维模型库中进行组织管理，对实际装配中存在相互关系的零部件进行树形结构组织管理，根据装配体的具体装配工序和需求，可以分为自上而下、自下而上等方法。将场景模型放入三维场景库中进行统一管理，由于三维场景之间基本独立，因此三维场景模型以线性结构组织，并以场景模型名或者ID进行线性查询。

本发明根据实际情况将变压器装配工艺交互仿真流程31分为铁芯制作32、器身装配33、半成品试验34、器身干燥35、总装配36、出厂试验37、总装后工艺处理38及包装发送39共八个工艺工序，其流程关系如图3所示。系统首先从三维模型库中调用场景模型及零部件模型，开始第一步铁芯制作32仿真装配，此后按照装配顺序依次进行器身装配33、半成品试验34、器身干燥35、总装配36、出厂试验37、总装后工艺处理38及包装发送39。用户完成每一序工艺后可选择依次相连的工序进行虚拟装配，同时用户也可选择从任一工序开始，进行虚拟装配工作。

I装配过程规划：根据制作过程的工艺具体情况，分别对每个工序采用virtools工具进行虚拟整合，制作虚拟装配场景及装配过程的零配件运动轨迹和装配方案展示，对不同工序，根据实际装配流程进行关联。

II装配干涉碰撞检测：对零部件与场景及零部件间在装配过程中产生的模型碰撞进行检测识别。根据现实装配情况对不同的碰撞类型确定相应的处理方案，并反馈为忽略碰撞、暂停当前动作并提示碰撞发生及通过系统内数学物理模型运算显示碰撞发生的现实结果。

III 装配约束确立：装配约束的建立是指计算机根据捕捉到的用户装配意图，将装配单元从无约束状态调整到受约束状态，并将该约束的相关信息添加到约束管理器中的过程；也就是通过坐标变换将装配单元从不符合约束的位姿状态调整到符合约束的位姿状态的过程。

现实环境动作捕捉：针对体感摄像机1进行深度开发，确定：选中零件、向三维空间各个方向移动、调整视角方向、播放、暂停、回到上一工序、进入下一工序、停止当前工序等基本操作内容的人体动作。利用体感摄像机进行动作、位置识别，将识别的动作、位置信息转化为控制信号及参数发往虚拟装配环境，根据动作所代表的操作，进行变压器的虚拟装配。

人机交互响应接口：为实现本发明的培训、引导功能，系统提供大量人机交互点。对于关键点提供相应的消息或参数接口，当虚拟装配进行到相应控制点时，暂停与用户交互并进行消息或参数通讯，获得反馈后再进行。

装配过程效果渲染：编写virtools行为模块及使用其自带的粒子效果，阴影、倒影等行为模块，对装配场景和器件进行处理，达到更真实的现实效果。

人机交互接口：基于本三维界面平台实现优化的人机交互接口，通过相应的输入输出设备（鼠标、键盘、体感摄像机）进行消息和参数传递，实现用户与虚拟样机和设备间的操作控制。

Claims (8)

1.一种变压器装配工艺交互仿真系统，包括用于获取人体动作的体感摄像机、输入设备、变压器装配工艺交互仿真系统和用于显示的监视设备，体感摄像机和输入设备的控制命令和参数传至变压器装配工艺交互仿真系统，其特征在于：所述的变压器装配工艺交互仿真系统包含：三维模型库、体感数据处理模块、虚拟装配处理模块和显示模块四个部分；所述的虚拟装配模块根据体感数据处理模块采集的体感摄像机的数据从三维模型库中选择虚拟模型和进行装配操作，并将数据传输至显示模块进行显示。

2.如权利要求1所述的交互仿真系统，其特征在于：所述的体感摄像机能实时判断：选中零件、向三维空间各个方向移动、调整视角方向、播放、暂停、回到上一工序、进入下一工序、停止当前工序的人体动作，并将指令实时传递给体感数据处理模块。

3.如权利要求1或2所述的交互仿真系统，其特征在于：所述的虚拟装配模块具有装配干涉碰撞检测功能。

4.一种变压器装配工艺交互仿真方法，其特征在于：包含以下步骤：

采集人体动作的步骤；

建立三维模型库的步骤；

将采集人体动作的数据与三维模型库进行关联，实现三维模型库中所需模型虚拟装配的步骤；

显示装配过程的步骤。

5.如权利要求4所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配步骤能根据采集人体动作完成选中零件、向三维空间各个方向移动、调整视角方向、播放、暂停、回到上一工序、进入下一工序、停止当前工序的人体动作。

6.如权利要求4所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配具有装配干涉碰撞检测功能。

7.如权利要求4所述的交互仿真方法，其特征在于：所述的虚拟装配能虚拟铁芯制作、器身装配、半成品试验、器身干燥、总装配、出厂试验、总装后工艺处理或包装发送工艺。

8.如权利要求4所述的交互仿真方法，其特征在于：它还包括装配单元从无约束状态调整到受约束状态的步骤。

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