基于虚拟现实技术的工程机械三维装配培训平台设计

李力

（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南长沙，410208）



基于虚拟现实技术的工程机械三维装配培训平台设计

李力

（湖南工业职业技术学院电气工程系，湖南长沙，410208）

［摘要］针对当前工程机械培训中实践操作培训手段落后等问题，本文以中联L B4000沥青搅拌站为例，采用虚拟现实技术，设计了一个用于工程机械行业技术服务人员实践操作培训的交互式工程机械三维虚拟装配平台，该系统主要由基于3D Max的中联LB4000沥青搅拌站三维模型、基于OSG的虚拟装配软件系统和装配指导辅助系统及相关硬件支持设备组成，为职业类院校及培训机构提供了一种现场感较强的培训方式。

［关键词］虚拟现实技术；三维装配；工程机械

Research on 3D Assembly Training Platform of Engineering Machinery Based on Virtual Reality Technology

LI Li
(Hunan Industry Polytechnic, Changsha410208, Hunan)

［Abstract］According to the problems in the current engineering mechanical training, such as the backward training means of practical operation and so on,this paper takes Zoomlion LB4000 asphalt mixing station as an example, adopts the virtual reality technology, and designs an interactive 3D virtual assembly platform for the practical operation training of technicians in engineering machinery industry, which is mainly based on the Zoomlion LB4000 asphalt mixing station 3D model of 3D Max and the OSG virtual assembly software system and the aided assembly instruction system and related hardware support device, providing the vocational colleges and training institutions with a training method of a strong scene feeling.

［Key words］virtual reality technology; 3D assembly; engineering machinery

近年来，随着建设工程的规模越来越大，对建筑质量要求越来越高，大量的工程机械被用于各种工程中，随之而来的是工程机械企业及用户单位对装配、操作和维修等技术服务人员极大需求。然而，由于工程机械整体结构较为复杂、价格昂贵、体积重量大、占用空间也比较大，这使得相应专业技术服务人员的培训工作往往停留在理论知识培训上，实践操作训练直接在工作岗位上完成，由于其缺乏现场经验，这类人员在工作初期极易出现失误，甚至发生安全事故，造成生命和财产损失。所以，当前迫切需要对现有技术培训手段进行更新，特别是需要有一种能方便初级学员进行实践操作培训的手段。

针对目前现状，本文以中联L B4000沥青搅拌站为例，采用虚拟现实技术，拟设计和开发一套用于工程机械行业技术服务人员实践操作培训的交互式工程机械三维虚拟装配平台，以解决当前培训中实践操作培训手段落后等问题，特别是为职业类院校提供一种现场感较强的培训方式。

本系统主要由基于3D Max的中联LB4000沥青搅拌站三维模型、基于OSG的虚拟装配软件系统和装配指导辅助系统及相关硬件支持设备组成。

1三维模型的建立

以中联重科LB4000沥青搅拌站为样机，采用3DMax建模软件以1：1的比例建立沥青搅拌站的三维模型，并建立沥青搅拌站周边场景和天空。本文中，LB4000沥青搅拌站由搅拌系统、计量系统、热骨料系统、热料筛分机……装载机、运输车等26个大部件组成。在3D Max中建模完成后，导出所有部件及场景的IVE格式文件，供OSG调用。

图1 LB4000沥青搅拌站3D模型及场景

2虚拟装配程序的设计

OSG（Open Scene Graph）是一个基于工业图形标准Open GL的高层次图形开发API接口，即三维渲染引擎，它提供了一系列可供3D程序开发者使用的功能接口，包括3D和2D数据文件的加载、纹理字体支持，细节层次（LOD）控制、多线程及分页处理等。基于上述特点，本文采用OSG+MFC的系统架构来进行虚拟装配软件的设计。

2.1虚拟装配系统的设计

虚拟装配系统的设计包括三维模型驱动的设计、装配界面的设计以及管理界面的设计。系统的软件架构如图2所示。

图2虚拟装配系统软件构架

2.1.1三维模型驱动的设计

本文采用OSG作为虚拟装配系统的三维模型驱动引擎，程序根据装配界面接受到的操作指令在虚拟场景中驱动对应部件的三维模型完成装配动作，在虚拟装配过程中，模型的驱动及刷新交由OSG内核完成，为了获得较好的虚拟装配视觉效果，两个问题比较关键：三维模型的安装路径和相机运动轨迹及其角度切换。本文中，三维部件模型的安装路径动画采用OSG中动画更新回调算法，在回调算法中定义和注册动画频道，依据26个部件模块的安装特性，依次设计了其装配动画及播放方式，在OSG动画频道实现安装路径动画。相机的设置包括相机的运动轨迹和角度的切换，沥青混凝土搅拌站体积较大，为了能在安装过程中能更好的观察安装角度，在装配过程中需不断的调整相机的位置及角度，使当前正在安装的部件模块处于显示屏幕的中间位置，有利于观察判断。为了保证装配画面的流畅和稳定，相机观察点（eye）的移动轨迹采用插值的算法得到，相机的焦点（center）设置在当前正在安装的部件模块的中心位置，在确定起始位置和终点位置后，分别对相机观察点和相机焦点的运动轨迹做插值计算，经对比，线性插值得到运动轨迹效果较好，画面流畅、抖动较少，图像效果比较好，同时需要注意的是，应当综合考虑显示效果的需要和计算机硬件性能，适当的调整轨迹点的插值密度。

2.1.2装配界面的设计

为了方便管理人员进行管理，本系统设计了管理员设置功能，在该对话框中，管理员可将系统设置工作在训练模式或者考核模式下，还可以查询所有学员的成绩及排名情况等。

装配软件的界面是基于MFC设计的，界面中，包括3个三维显示窗口，分别是位于界面右上角的下一待安装部件提示框；左下角的当前安装部件安装位置提示框和三维虚拟装配主界面，3个二维显示窗口，分别是右下角的所选部件文字说明框；右下角附近的装配持续时间、已安装部件数和待安装数显示框；右上角的待安装部件文字提示栏，所有26个部件的二维图片布置在显示界面的下端，供学员点击选择。

图3装配操作界面

2.1.3管理界面的设计

由于本系统主要用于初级学员的装配培训，因此学员的学号及成绩管理需要设计专门的对话框，用于培训过程中对参与学员的学号及其装配成绩进行统计和记录，界面如下图所示：

图4管理对话框

3硬件配置

作为软件的运行基础，本系统的硬件主要由高性能计算机构成，作为教师演示端，显示部分可配置高清晰度显示屏，输入设备可为普通鼠标或者触摸屏，在有限的条件下，也可以在普通计算机机房中运行。

4结语

本文以中联L B4000沥青搅拌站为例，采用虚拟现实技术，实现了交互式工程机械三维虚拟装配，为职业类院校及培训机构提供了一种极具科技感和现场感的培训方式。随着研究的深入以及工程实践的需要，利用虚拟现实技术进行沥青混凝土搅拌站的操作虚拟仿真及其设备故障诊断维修将是重要的研究方向。

[参考文献]

[1]欧海英，付战平，胡文婷，李晓宇.虚拟装配技术在装配任务培训中的应用[J].科学技术与工程，2009,（13）.

[2]杨萍，谢慧清.虚拟装配中碰撞检测的研究[J].科学技术与工程，2007，（06）.

[3]刘涛，王增波，李占利.碰撞检测过程中的包围盒技术及应用研究[J].西安科技大学学报，2006，（03）.

［作者简介］李力（1983-），男，湖南长沙人，湖南工业职业技术学院电气工程系讲师，研究方向：虚拟现实。

［收稿日期］2015-10-27

［中图分类号］TP391.9

［文献标识码］A

［文章编号］1671-5004（2016）01-0020-02