基于Virtools牙轮钻机可视化仿真系统开发

李 伟

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

虚拟现实技术也称人工环境，是一项综合集成技术。利用计算机生成与现实环境真实逼真的虚拟环境，用户可以在此环境中，基于声音、视觉等效果，达到身临其境的效果。Virtools是一款非常优秀的、并大量应用于游戏领域的三维交互软件。它将3D的模型、2D图形、音效等虚拟视景元素整合在一起。Virtools的图形化编程语言，只需拖动Building Block行为模块即可构建优秀的三维交互系统。

本论文是基于Virtools平台完成可视化仿真平台的开发。通过应用可视化仿真平台模拟牙轮钻机的装配与工作过程，可实现在设计阶段对产品的视觉效果和安装进行评估和预演，有效降低设计和施工风险，减少安装过程中出现的错误，节省时间和人力；同时，可较真是的展现产品的工作环境和工作过程，对于产品在投标报价、产品展示及产品宣传方面，起到非常重要的作用。

1 模型建立

在Virtools仿真平台中，模型构建过程主要有三个部分：创建模型、导入模型与控制模型。其中，导入模型时，应对所创建的三维模型进行纹理贴图、灯光设置以及材质颜色设置等处理，使模型及环境更接近真实；而控制模型是通过Virtools自带的各种行为模块(BB模块)来实现，如移动、旋转、复制、碰撞检测等操作，从而实现对模型的各种控制。

Virtools 5.0软件采用模块化的编程语言编写交互控制程序，在需要交互控制的模型上建立脚本(Script)，并在脚本流程图中添加所需的BB模块进行连接，就可以实现模型的各种操作，如平移、旋转等。

在牙轮钻机可视化平台开发时，首先，应用专业三维建模软件NX，建立牙轮钻机三维模型，并将牙轮钻机的三维模型导入3D-MAX中，进行纹理贴图、灯光设置以及材质颜色设置等，然后将所有模型集成导入Virtools平台。

本文通过将Virtools中行为模块添加到具体的牙轮钻机三维模型上，然后在脚本(Script)中编辑不同的参数，从而实现对牙轮钻机的运动控制，构建一个逼真的可视化仿真平台。

2 牙轮钻机可视化仿真平台开发

牙轮钻机可视化仿真平台主要功能是实现牙轮钻机的虚拟装配和虚拟运动仿真。该平台主要包括操作说明、功能介绍和虚拟演示模块。其中虚拟演示模块中包括虚拟装配与虚拟运动仿真功能模块。

2.1 虚拟装配仿真系统开发

牙轮钻机虚拟装配仿真系统主要是完成对牙轮钻机各部件按照一定的顺序进行重组或者分解。重点涉及到的是各部件阵列的建立、牙轮钻机各部件初始坐标以及分解后坐标的获取、如何进行恢复初始状态。其流程图如图1所示。

图1 虚拟装配流程图

首先，使用Virtools的BB模块编程实现牙轮钻机各部件的坐标变换。在Virtools中建立“牙轮钻机”阵列，存储牙轮钻机各部件的初始坐标和分解坐标位置；然后，获取牙轮钻机各部件的初始坐标位置并复制装配参考对象，通过贝塞尔曲线函数将牙轮钻机各装配部件从分解坐标位置渐进移动到初始坐标位置，并发送消息。

实际零部件装配过程中，零部件的相对位置是通过装配人员判断其是否到达实际安装位置。同时，由于牙轮钻机的各部件是不能互相穿越的。所以，应该为牙轮钻机各部件添加碰撞检测功能，这样，零部件就无法互相穿越。因此，在脚本设计中加入Collision行为模块，实现碰撞检测功能。其碰撞检测脚本如图2所示。

图2 碰撞检测脚本

2.2 虚拟运动仿真系统开发

牙轮钻机运动过程仿真是对牙轮钻机在实际工作环境中的工作过程进行模拟仿真。其工作过程如图3所示。

图3 牙轮钻机运动过程

根据牙轮钻机的工作特点，其运动过程可分为调平千斤顶运动、钻架运动和钻杆运动三部分。由图3可知，牙轮钻机到达工作位置时，通过四个液压油缸的移动来模拟调平千斤顶的调平运动，应用Virtools的碰撞检测功能，当调平千斤顶与地面发生碰撞时，千斤顶停止运动，并向运动仿真系统发送消息。然后，钻架开始运动，通过实时获取钻架绕回转中心点转动角度值，判断钻架是否到达工作位置，从而模拟钻架0°到工作位置的起升运动(其运行脚本如图4所示)；当钻架上升到工作位置时，运动仿真系统接收到反馈信息，钻杆开始工作；当钻杆进行钻进运动，仿真系统检测到钻杆长度不够时，进行换杆动作。

图4 调平千斤顶与钻架运行脚本

3 结论

本文利用NX、3Ds Max和Virtools交互技术构建的可视化仿真平台，具有仿真程度高、交互性能好、语言简单的优点。同时，也存在一些不足需要进一步加强，如实景仿真系统地形单一、仿真模型逼真度(灯光、纹理、阴影等)尚需进一步完善。

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