CN110414694B - 一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，包括以下步骤：形成虚拟远程运维装配场景；读取全部模型信息，选定待装配设备，记录组合零部件与非组合零部件；针对产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作；确定偏移方向与偏移量；对设备部件单元进行拆解、复位；对关键部件装配碰撞、干涉进行检查；反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列。本发明通过干涉检查、碰撞检测以及路径优化技术，实现潜液泵虚拟机关键零部件虚拟装配，灵活性好。

Description

一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法

技术领域

本发明属于虚拟装配技术领域，涉及船舶与海洋工程先进结构物制造领域虚拟装配关键技术方法，以及FPSO、成品油船、化学品船液货舱液货外输泵送设备领域虚拟装配关键技术方法，涉及一种船舶远程运维系统关键部件虚拟装配方法，具体说涉及一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法。

背景技术

在船舶与海洋工程领域，由于船舶与海工装备的大型化、复杂化，实际潜液泵试验成本较高，同时随着制造业的发展，船舶行业中传统的培训模式缺陷明显突出，通过实现虚拟装配技术可以帮助设计人员检验装配设计方法、研究装配工艺规划、提高装配效率和提升产品质量的。

目前，基于虚拟现实技术的潜液泵关键部件装备方法的研究较少，其主要原因在于潜液泵关键部件虚拟装配干涉检测、装配约束、工艺规划、人机功效以及评估方法的研究尚未建立系统化体系。因此本发明通过船用潜液泵关键部件虚拟技术方法的研究，可以高效、低成本地解决实际过程的难点问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，通过干涉检查、碰撞检测以及路径优化技术，实现潜液泵关键零部件虚拟装配，灵活性好，且具有良好的诊断功能，填充现有技术的关于潜液泵虚拟装配研究空白。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，包括以下步骤：

S1，虚拟装配系统模型格式转换，导入待装配的船用潜液泵虚拟机关键部件全部模型，建立工具信息表，并进行装配顺序编号，同时形成虚拟远程运维装配场景；

S2，读取步骤S1中全部模型信息，选定待装配设备，记录组合零部件与非组合零部件；

S3，针对S2中产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作；

S4，针对步骤S3中产品的零件与零件、或零件与部件之间的相互位置确定偏移方向与偏移量；

S5，对S4中设备部件单元进行拆解和复位；

S6，对S5中关键部件装配碰撞、干涉进行检查；

S7，反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列；

S8，通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配工作。

进一步的，所述步骤S6中，关键部件装配碰撞、干涉进行检查的具体实施方法为：通过空间分解法和层次包围盒法，利用脚本编写，实现对虚拟装配系统的各项功能控制，完成系统的漫游干涉检查；步骤为：

1)第一步：应用虚拟环境中物体的包围球作碰撞检测运算；

2)第二步：针对第一步中交互物体发生了碰撞干涉，将应用精度较高的轴向包围盒作碰撞检测运算；

3)第三步：针对第二步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度更高的方向包围盒作碰撞检测运算；

4)第四步：针对第三步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度最高的三角面片碰撞交互仿真算法。

进一步的，所述步骤S1中虚拟装配系统模型格式转换，同时形成虚拟远程运维装配场景的具体方法为：通过部件模型“网格化”处理，将零件或最小拆装单元组件逐一转换为多边形面片模型；此外，通过三维建模、全景拼接得到360度全方位沉浸式表达的虚拟远程运维装配场景。

进一步的，所述步骤S2中组合零部件为由若干非组合零部件组合、或若干组合零部件和若干组合零件组合而成的零部件；所述步骤S2非组合零件为最小单位零部件。

进一步的，所述步骤S3中产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作具体方法为：确定装配序列及装配路径，对设备位置布局进行选择，规划装配方案及流程，在3DS Max中对模型中进行动画控制操作。

进一步的，所述步骤S4中，确定产品的零件与零件或零件与部件之间的相互位置偏移方向与偏移量，具体方法为：通过编写脚本程序，实时获取固联零部件间的相对偏移方向与偏移量。

进一步的，所述步骤S5中设备部件单元进行拆解和复位具体方法为：确定拆卸的顺序、方向以及位移，并在拆卸过程中确定单元中设备、附件与船体、管路间的干涉、碰撞情况，对已经初次装配完成后的潜液泵部件进行原路径拆解，并按原路径返回至零部件库中。

进一步的，所述步骤S7中，反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列具体实施方法为：在确定装配过程时，将记录的拆卸过程反向生成，得到潜液泵关键部件反向装配顺序与路径，并将其进行存储。

进一步的，所示步骤S8中，通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件装配工作；具体实施方法为：通过人机界面交互操作需求按钮，使用VIVE手柄手势虚拟点击场景按钮的方式实现颜色突出部件的抓取，同时VIVE系统的空间定位将手柄坐标实时传输到系统，即做到手部动作的精确判断，并在系统语音提示下完成装配工作。

与现有技术相比，本发明优点在于：

本发明针对典型船用潜液泵装备研制过程中周期长、风险高等问题，开展船用潜液泵虚拟机关键部件虚拟远程运维装配技术研究，通过干涉检查、碰撞检测以及路径优化技术，实现潜液泵关键零部件虚拟装配，灵活性好，且具有良好的诊断功能，填充现有技术的关于潜液泵虚拟装配研究空白。

附图说明

图1为本发明的船用潜液泵虚拟装配机系统框架图；

图2为本发明的船用潜液泵虚拟装配机运行流程图；

图3为本发明的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

首先，在进行虚拟装配前，先设计基于潜液泵的虚拟装配机。

设计流程为：建造模型→测试模型→校验模型→模型细化→模型参数化→优化模型→定制用户环境。其中，建造模型是指针对潜液泵的零部件，创建零部件、给模型施加环境约束、给模型施加载荷；测试模型是指定义测量量，对模型进行初步仿真；校验模型是指以实测数据或理论数据，与虚拟仿真结果比较，检验模型中各个零件、约束及载荷是否正确；模型细化是指在模型中加入复杂单元，使模型与真实系统更加接近；模型参数化是对模型进行参数化设计，便于设计优化；

优化模型是指对模型进行参数分析，优化设计；定制用户环境是指用户可以定制菜单、对话框，或利用宏，使许多重复工作可以自动进行。

如图1和图2所示，潜液泵虚拟装配机系统包括船体模型、维保虚拟机、人机交互界面，维保虚拟机包括潜液泵运行系统、潜液泵远程维保系统和潜液泵故障模拟系统。维保虚拟机与船端的潜液泵系统通过通信模块实现远程数据传输。

潜液泵虚拟装配机主界面应为与潜液泵相匹配的船体模型，船体模型为半透明显示，可看到潜液泵分别位于船体模型的不同舱室中。在人机交互界面最上端并列显示潜液泵维保虚拟机所包含的运行系统、远程维保系统和故障模拟系统选项。

潜液泵运行系统需能反映出所有潜液泵正常工作时的运行流程和运行参数。船端的潜液泵系统的运行数据通过数据远传模块(可以是海事卫星或GPRS移动3G无线通信)上传至维保虚拟机的数据库，并在运行系统显示。通过点击交互界面的运行系统选项可选择进入潜液泵运行系统，通过点击舱室1、舱室2、舱室3、舱室4、舱室5、舱室6的潜液泵泵体可进入对应舱室场景，能正确显示出具体舱室周边环境及泵具体模型。通过点击潜液泵泵体“圆圈”区域可弹出“运行流程”和“运行参数”选项卡。点击“运行流程”可弹出潜液泵运行流程框架图，也可配具动画、图表或流程图文字的形式形象的反映运行流程，通过点击某一具体的运行流程可以以图片文字或动画形式详细展示对应的运行操作流程。潜液泵运行参数须包括进出口压力、温度、流量、电机运行电流等。运行参数需包含实时运行参数及运行参数正常范围。

潜液泵远程维保系统主要包括对潜液泵单元、液压系统和电气系统的定期远程维护(主要包括液压油冷却器维护，液压油检测，油箱液位检查，液压泵组噪声，液压油泄漏检查和甲板机械过滤器维护等)和不定期维护(主要包括磨粒检测开关报警和滤器堵塞报警维护)。通过点击潜液泵维保虚拟机交互界面的维保系统选项可进入潜液泵远程维保系统。通过点击舱室可进入对应舱室，通过点击潜液泵单元、液压系统和电气系统选项卡可分别进入对应的子系统。进入子系统时需实时显示注意事项，确认完毕后方可进行下一步操作。通过点击维保系统可进入相应的维保场景，进行远程维保操作。进行相关维保操作时，需有电子卡片提示，待拾取或待操作部件需高亮显示以提示操作者。维保操作进行时需注意工具及人员的可达性和舒适性，操作完成后界面给出相关提示，并大致展示出工具及人员可达性和操作舒适性分析表。

潜液泵故障主要包括潜液泵单元、液压系统和电气系统的常见故障。通过点击潜液泵维保虚拟机交互界面的故障模拟系统选项可进入潜液泵故障模拟系统。通过点击舱室可进入对应舱室，需能正确显示出具体舱室周边环境及泵具体模型。点击潜液泵单元、液压系统和电气系统可分别进入对应的子系统，在子系统中可选择性打开故障现象汇总表，通过点击表中的某一确定故障现象进入相关的故障解决模拟场景。场景中需形象地显示出故障现象，并附故障现象原因及解决措施，单击某一具体故障原因可进行相关故障排除工作，通过电子卡可提示相关操作，进行相关故障排除工作时时需注意工具及人员的可达性和舒适性。

下面介绍本发明的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，基于前述的虚拟装配机系统实现，如图3所示，主要包括以下步骤：

S1，虚拟装配系统模型格式转换，导入待装配的船用潜液泵虚拟机关键部件全部模型，建立工具信息表，并进行装配顺序编号，同时形成虚拟远程运维装配场景。

具体的是，选择Unity3D作为虚拟交互系统开发平台，系统所需三维零部件模型需要借助第三方软件设计建模，将模型统一导出成fbx格式，将模型名称、型号、尺寸、二维图片等基本信息以可视化的形式表现出来，并在数据库中建立对应的模型信息表，通过对不同信息字段的读取，在进行操作响应时，连接数据库读取对应字段信息。模型保存在Unity3D工程文件夹下的资源栏目中，以缩放图标在Unity3D资源中显示出来，之后可以通过拖动，将模型添加到场景中进行交互操作设计。同时，构建属性相似性、具有实时性的虚拟现实的三维场景模型，并进行格式转化及材质贴图等模型优化，最后将其转化为可导入虚拟装配平台的fbx格式文件，将工具模型逼真的呈现。通过三维建模、全景拼接得到360度全方位沉浸式表达的虚拟装配场景的个数大于1。

通过部件模型“网格化”处理，将零件或最小拆装单元组件逐一转换为多边形面片模型。(虚拟发动机、维修场景、维修工具在经过Solidwork建模后，所生成的CAD文件包含了模型的几何数据、装配约束关系，但是CAD文件无法直接在虚拟维修系统中加载，其最直接的原因就是Solidwork构建的模型是连续光滑曲面和实体组合而成，而大多数VR引擎所使用的模型是由大量面片组成的模型。面片模型优势：模型数据量小、显示方式简单、加载时间段、碰撞处理方便等。因而CAD文件需通过模型“网格化”处理，将其转化为多边形面片模型)。

在模型转化的过程中，通常是将零件或最小拆装单元组件进行逐一转换，而不是将整个装配体作为一个整体进行转换，这样做的目的是避免模型约束信息的丢失。在装配模式下，对单独零件进行转化处理，确保所有模型的几何信息和装配信息都能完整的递到VR模型中。

S2，读取步骤S1中全部模型信息，选定待装配设备，记录组合零部件与非组合零部件。

读取步骤S1中导入的零部件信息，存储并计算零部件种类及个数。其中，组合零件为由若干非组合零部件组合、或若干组合零部件和若干组合零件组合而成的零部件；步骤S2非组合零件为最小单位零部件。

S3，针对S2中产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作。具体的是，确定装配序列及装配路径，对设备位置布局进行选择，规划装配方案及流程，在3DS Max中对模型中进行动画控制操作。

通过虚拟系统对潜液泵关键部件装配过程进行模拟，并在此过程中对装配顺序、位置以及路径进行优化选择，根据布置图将部件安装到指定位置，并考虑相应管路的装配位置，预留空间。通过人机界面按钮点击，场景视角控制，装配体零部件模型的移动、旋转、放大、缩小等功能，实现虚拟装配系统的基本操作功能。

S4，针对步骤S3中产品的零件与零件、或零件与部件之间的相互位置确定偏移方向与偏移量；具体方法为：通过编写脚本程序，实时获取固联零部件间的相对偏移方向与偏移量。

S5，对S4中设备部件单元进行拆解和复位。

确定拆卸的顺序、方向以及位移，并在拆卸过程中确定单元中设备、附件与船体、管路间的干涉、碰撞情况，对已经初次装配完成后的潜液泵部件进行原路径拆解，并按原路径返回至零部件库中。

S6，对S5中关键部件装配碰撞、干涉进行检查。对潜液泵装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行检验，避免虚拟环境中不同的物体位置重叠，防止物体在运动过程中相互碰撞，通过空间分解法和层次包围盒法，利用脚本编写，实现对虚拟装配系统的各项功能控制，完成系统的漫游干涉检查。检验所装配的子装配体及零件在装配运动过程中的相互干涉，确保各子装配体及零件在其装配运动路径上不相互发生碰撞，也不与在虚拟环境中的其他物体发生碰撞干涉，确保产品子装配体及零件能按照所设计的装配顺序和路径装配成具体的产品，实现虚拟装配过程。

步骤为：

1)第一步：应用虚拟环境中物体的包围球作碰撞检测运算；

2)第二步：针对第一步中交互物体发生了碰撞干涉，将应用精度较高的轴向包围盒作碰撞检测运算；

3)第三步：针对第二步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度更高的方向包围盒作碰撞检测运算；

4)第四步：针对第三步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度最高的三角面片碰撞交互仿真算法。

S7，反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列。

具体实施方法为：在确定装配过程时，将记录的拆卸过程反向生成，得到潜液泵关键部件反向装配顺序与路径，并将其进行存储。

S8，通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配工作。

通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件装配工作；具体实施方法为：通过人机界面交互操作需求按钮，使用VIVE手柄手势虚拟点击场景按钮的方式实现颜色突出部件的抓取，同时VIVE系统的空间定位将手柄坐标实时传输到系统，即做到手部动作的精确判断，并在系统语音提示下完成装配工作。

人机界面交互包括：

获取第一信息：所述第一信息为零件或部件颜色为突出显示或者无突出显示的交互请求信息；

获取第二信息：所述第二信息为是否颜色突出显示的判断信息；

根据第二信息发送第一指令信息，若第一指令信息为颜色突出显示，则不进行提示，反之。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，虚拟装配系统模型格式转换，导入待装配的船用潜液泵虚拟机关键部件全部模型，建立工具信息表，并进行装配顺序编号，同时形成虚拟远程运维装配场景；

S2，读取步骤S1中全部模型信息，选定待装配设备，记录组合零部件与非组合零部件；

S3，针对S2中产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作；

S4，针对步骤S3中产品的零件与零件、或零件与部件之间的相互位置确定偏移方向与偏移量；

S5，对S4中设备部件单元进行拆解和复位；

S6，对S5中关键部件装配碰撞、干涉进行检查；

S7，反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列；

S8，通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配工作。

2.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S6中，关键部件装配碰撞、干涉进行检查的具体实施方法为：

通过空间分解法和层次包围盒法，利用脚本编写，实现对虚拟装配系统的各项功能控制，完成系统的漫游干涉检查；步骤为：

1)第一步：应用虚拟环境中物体的包围球作碰撞检测运算；

2)第二步：针对第一步中交互物体发生了碰撞干涉，将应用精度较高的轴向包围盒作碰撞检测运算；

3)第三步：针对第二步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度更高的方向包围盒作碰撞检测运算；

4)第四步：针对第三步仍出现交互物体之间发生碰撞干涉时，将应用精度最高的三角面片碰撞交互仿真算法。

3.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S1中虚拟装配系统模型格式转换，同时形成虚拟远程运维装配场景的具体方法为：通过部件模型“网格化”处理，将零件或最小拆装单元组件逐一转换为多边形面片模型；此外，通过三维建模、全景拼接得到360度全方位沉浸式表达的虚拟远程运维装配场景。

4.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S2中组合零部件为由若干非组合零部件组合、或若干组合零部件和若干组合零件组合而成的零部件；所述步骤S2非组合零部件为最小单位零部件。

5.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S3中产品装配体、子装配体及零件的位置及运动过程进行虚拟现实设备操作具体方法为：确定装配序列及装配路径，对设备位置布局进行选择，规划装配方案及流程，在3DSMax中对模型中进行动画控制操作。

6.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S4中，确定产品的零件与零件或零件与部件之间的相互位置偏移方向与偏移量，具体方法为：通过编写脚本程序，实时获取固联零部件间的相对偏移方向与偏移量。

7.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S5中设备部件单元进行拆解、复位具体方法为：确定拆卸的顺序、方向以及位移，并在拆卸过程中确定单元中设备、附件与船体、管路间的干涉、碰撞情况，对已经初次装配完成后的潜液泵部件进行原路径拆解，并按原路径返回至零部件库中。

8.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所述步骤S7中，反向生成装配顺序和路径，并储存装配路径和序列具体实施方法为：在确定装配过程时，将记录的拆卸过程反向生成，得到潜液泵关键部件反向装配顺序与路径，并将其进行存储。

9.根据权利要求1所述的船用潜液泵虚拟机关键部件远程运维装配方法，其特征在于：所示步骤S8中，通过人机界面交互，零部件颜色突出及语音提示引导用户完成所有潜液泵虚拟机关键部件装配工作；具体实施方法为：通过人机界面交互操作需求按钮，使用VIVE手柄手势虚拟点击场景按钮的方式实现颜色突出部件的抓取，同时VIVE系统的空间定位将手柄坐标实时传输到系统，即做到手部动作的精确判断，并在系统语音提示下完成装配工作。

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