船舶電機虛擬維修系統的研究

盧森微，歐 鎮，高德基

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

維修理論

船舶電機虛擬維修系統的研究

盧森微，歐 鎮，高德基

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

虛擬維修是一種嶄新的維修模式，具有較多優點。文章闡述了船舶電機虛擬維修系統的設計，并以船舶電機的虛擬拆卸、保養、維修為例，采用虛擬現實軟件——virtools實現對電機的虛擬拆卸、保養、維修功能。通過分析虛擬維修系統表明，它對開發更高級的虛擬維修訓練系統提供一定的參考價值。

虛擬維修；船舶電機；虛擬拆卸

電機是船舶設備的重要組成部分，其穩定性和可靠性對于船舶的整體性能有很大影響[1]。所以，在船舶電機整個運行周期內，都需要對其進行不斷的維護、保養和維修，及時順利的維修和維護是保證船舶電機正常、安全運行的重要條件之一[2-3]。傳統的維修方法一方面由于設備的結構復雜、種類繁多、造價高等因素的限制；另一方面由于訓練過程中大量的工具、零件和材料的消耗，訓練人員更不能集合實際設備進行反復訓練[4]。

虛擬維修作為一門新型維修技術，主要采用計算機仿真技術與虛擬現實技術相集合，建立一個逼真的集視、聽、觸覺一體化的集成，這個集成是對一個真實空間或假想空間的模擬，用戶可以借助人機交互設備與虛擬環境進行交互，實現對設備維修操作過程的模擬，可以有效解決傳統維修出現的問題，提高維修效率，為船舶電機的維修訓練開辟一條新途徑[5]。

1 船舶電機虛擬維修系統設計

由于眾多研究者對虛擬維修的理解不同，所提出的虛擬維修系統組成框架也不盡相同，但是基本設計原理是相同的[6]，即在設計設備的虛擬維修系統之前，必須對設備出現的故障和故障表示方法、維修知識有一個深刻的了解，才能正確的對虛擬維修過程進行仿真，提高設備的維修能力。本文開發的船舶電機虛擬維修系統主要包括三維虛擬場景建立、交互控制、故障診斷、人機交互設備、數據庫建立、維修過程仿真等幾部分組成，系統結構圖如圖1。

圖1 虛擬維修系統結構圖

1)虛擬場景建立。構建虛擬環境是整個虛擬維修系統建立的基礎,本文根據維修對象、維修工具的CAD圖紙、照片、視頻等獲取相關對象的尺寸、形狀參數，應用三維建模軟件3DMAX建立電機、維修工具等對象的三維模型。為了提高在維修仿真過程中零部件顯示的真實性，還必須在三維建模軟件3DMAX中賦予零部件材質，以便逼真的模擬整個維修環境，給用戶身臨其境的感覺。電機的三維模型如圖2。

圖2 電機三維模型

2)數據庫。數據庫系統是將預先分析和總結的電機模型數據和模型屬性、維修知識和方法庫、拆裝順序、故障類型數據、檢修規程等數據導入數據庫中，為后期拆裝操作、維修操作等交互工作提供基礎。

3)交互控制。交互控制是實現虛擬維修的重要環節，是人與虛擬環境中的維修對象實現互動的一種方式。本文主要調用virtools軟件中的BB模塊建立腳本程序實現互動控制，再使用鼠標和鍵盤與虛擬維修場景進行交互。用鍵盤控制整個虛擬環境的漫游鏡頭，用鼠標實現電機的虛擬拆裝、故障檢測和故障維修等操作的模擬[7]。

4)過程仿真。根據維修規程要求和步驟在虛擬環境里使用鼠標和鍵盤實現對電機虛擬拆裝、虛擬維修、故障檢測、維修對象結構等過程演示。

5)故障診斷。故障診斷系統采用數據庫技術可方便快捷的查詢、瀏覽、添加和刪除設備的故障案例、維修標準等信息，可進行自動或手動診斷。故檢修人員使用本虛擬維修系統能快速查找和分析故障，根據屏幕提示的信息，實現電機的維修性指導，提高維修質量和效率。

2 電機虛擬拆卸維修保養的實現

2.1電機虛擬拆卸實現

虛擬拆卸是虛擬維修過程中必不可少的部分，下面就闡述船舶電機虛擬拆卸過程的實現。

首先，把船舶電機和維修工具的三維模型導入具備簡單易學、與其他軟件兼容性好、編寫腳本程序簡單、開發周期短等優點的軟件——virtools平臺下，建立場景中使用鼠標就可以完成漫游功能的互動腳本程序，以便維修人員可以方便游覽場景、直觀了解電機外觀以及維修工具，如圖3為漫游的某一視角場景。

圖3 某一視角場景

根據上面的虛擬場景，在建立一系列二維幀、電機零部件和各維修工具拆卸電機互動的腳本程序之后，可以得出如圖4的電機拆卸的界面。

圖4 電機虛擬拆卸界面

根據界面上的提示利用鼠標即可完成電機的虛擬拆卸，圖5為螺絲刀拆接線盒的界面，圖6為萬用表測量電阻繞組之間的阻值的界面。

圖5 拆接線盒

圖6 測量繞組阻值

本文的船舶電機虛擬拆卸是在3DMAX中建立電機和各種工具模型的基礎上，再把建立的三維模型導入 virtools平臺下進行簡單的腳本編程完成的，使得維修人員可以直觀的了解船舶電機的結構和屬性、各維修工具的使用。

2.2電機虛擬保養實現

虛擬維修系統中，虛擬保養也是重要組成部分。本文的電機虛擬維修保養系統是在完成虛擬拆卸的過程中完成的，也是在virtools平臺下，利用鼠標和鍵盤來完成維修保養。本文主要以對船舶電機的轉子、軸承、繞組和定子等項目，如圖7所示為電機轉子和軸承的維修保養界面。

圖7 轉子和軸承維修保養

2.3電機虛擬維修實現

船舶電機的虛擬維修要比拆卸和保養復雜，即故障多，且有不可預知。必須對設備出現的故障和故障表示方法、維修知識有一個深刻的了解，才能正確的對虛擬維修過程進行仿真，提高電機的維修能力。本文就以電機定子三相繞組間和對地短路為例，用兆歐表測量三相絕緣電阻和對地絕緣電阻，來判斷是否短路，從而發生報警，以便完成繞組短路的虛擬維修，如圖8絕緣繞組測量界面。

圖8 繞組絕緣測量

本文開發的船舶電機虛擬維修保養維護系統，可以使維修人員在極為逼真的虛擬環境下了解設備的結構、熟悉拆卸、保養和維修流程，到達直觀、真實的效果，為電機的維修起到一定保障作用。

3 結束語

通過本文開發的虛擬維修系統，不僅克服了傳統維修只能播放維修視頻動畫，不能互動等缺點以外，還具有維修成本低，危險性小，維修效率高，機械磨損小，維修訓練方便等優點，也為下一步的虛擬維修訓練系統的研究提供參考價值。

[1]王憲成,李勃,李莉.基于Virtools 4.0的某型船艇柴油機虛擬維修關鍵技術研究[J].裝甲兵工程學院學報，2010,24(2):27-31.

[2]蘇濤.船舶動力裝置關鍵部件虛擬維修技術研究[D].湖北武漢：武漢理工大學,2008.

[3]朱文革,李世其,尹文生.海軍艦船裝備的虛擬維修[J].中國修船，2004(5):37-40.

[4]袁先徳,羅運同,王建,等.某型艦用柴油機虛擬維修技術研究[J].中國修船，2011(6)：45-47.

[5]周韶澤，兆文忠，張軍，等.動車組虛擬維修仿真系統的設計與實現[J].計算機工程，2011,37(17):214-216.

[6]冉躍龍，閆英敏，呂秀平.虛擬維修技術綜述[J].電子設計工程，2012，20(20)：25-29.

[7] Sankar Jayaram, Uma Jayaram,Yong Wang, Hrishikesh Tirumali, Kevin Lyons, Peter Hart. A Virtual Assembly Design Environment[J]. IEEE Computer Graphics and Applications,1999,(12):44-50.

Virtual maintenance is a new maintenance way with many advantages.In this surway,the design of virtual maintenance system of the ship motor is expounded.Taking virtual disassembly and maintenance of the ship motor as an example,virtual reality software-virtools are adopted to realize the motor's disassembly and maintenance.Through the analysis of the virtual maintenance system,the system proves to be reference for developing more advanced virtual maintenance training system.

virtual maintenance;ship motor;virtual disassembly

盧森微(1989-)，男，貴州貴陽人，在讀碩士研究生，研究方向為虛擬現實、船舶自動化。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.017

2013-10-08