基于虛擬現實的起重機械仿真實驗平臺的設計

摘 要：本文介紹了虛擬現實基礎，重點研究了基于虛擬現實的起重機械仿真實驗平臺的設計的有關問題，從實驗的角度，闡述了具體的設計思路，并對文章的設計結果進行了總結。

關鍵詞：虛擬現實；起重機械；仿真實驗平臺；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.153

0 前言

隨著城市化的進展，工程數量顯著增加，起重機械的應用頻率隨之提高。起重機械的性能，在很大程度上決定著工程施工效率，且對工程成本等影響較大，對其性能進行評估十分重要。鑒于起重機械龐大的體積，實際展開性能評估難度較大，在應用虛擬現實技術的基礎上，建立相應仿真實驗平臺，使性能評估，能夠在網絡上進行，對于評估效率以及準確度的提高，具有重要價值。

1 虛擬現實

虛擬現實技術，又稱VR技術，是信息化時代下的產物，目前已經被應用到了各領域當中，并取得了顯著成果[1]。虛擬現實技術所能夠提供的服務較多，不僅具有計算機圖形學功能，同時還能夠支持系統仿真以及通信等的實現，人機交互水平高。通過對該技術的應用，用戶能夠與虛擬世界間的聯系逐漸增強，用戶甚至能夠產生身臨其境的感覺，體驗效果極佳。

目前，虛擬現實基礎主要應用到航空航天以及工程建模等領域。起重機械作為工作機械的一種，其設計以及性能評估，同樣可以采用虛擬現實技術來實現，以該技術為基礎，建立相應仿真實驗平臺，對于傳統起重機械性能評估所面臨的難度大的問題的解決，具有重要價值[2]。

2 基于虛擬現實的起重機械仿真實驗平臺的設計

2.1 實驗準備

實驗需做好如下準備[3]：（1）準備起重機械，作為實驗平臺的設計原型。在實際工程中，起重機械的類型包括很多種，為確保仿真實驗平臺具有更加廣泛的適應性以及使用性，應選擇應用范圍較廣的起重機械作為原型展開設計。考慮上述問題，將平頭塔吊作為了平臺設計原型。（2）建立平頭塔吊三維模型：平頭塔吊三維模型的建立，應同時考慮機械結構的運行原理，以及機械具體使用場景兩方面問題，應確保模型能夠與機械有關原理相符，同時，還需模擬工程施工的實際情況，完成三維建模過程。（3）虛擬現實軟件的選擇：選擇unity 3D作為虛擬現實軟件，采用Solidworks完成起重機械駕駛室的設計，將其導入到虛擬現實軟件當中，做好實驗準備。

2.2 三模模型與虛擬現實技術的結合

應將三維模型，導入到虛擬現實軟件當中，具體方法如下[4]：（1）塔吊分解：將平頭塔吊的各組成部分進行解構，提高塔吊的簡化性水平。考慮塔吊各部分的功能，以及虛擬現實軟件的要求，將塔吊分解成為了駕駛室、塔身以及載重等不同部分。（2）數據采集：分別采集塔吊不同部分的有關數據。數據采集可以通過對獲取塔吊設計最初的CAD圖紙的參考來實現。（3）數據整理與建模：整理出有效數據，展開建模。采用Solidworks軟件，完成駕駛室的建模，同時，采用其他軟件，完成對塔身等部分的建模。（4）格式轉換：采用3DS MAX軟件，對三維模型的格式進行轉換，使之成為虛擬現實軟件所支持的格式，并將其導入到Unity3D當中。

2.3 作業場景設計

（1）駕駛室設計：設計駕駛室大體的結構框架。分別設計駕駛室內的物品，包括操作臺等，設計時，應在保證設計成果的理論功能與其顯示功能相符的情況下，盡可能的將設計簡潔化。操作臺功能較多，因此設計較為困難，應將其作為重點加以考慮。計算駕駛室內各個部門的長度寬度等參數，提高其精確度。設計駕駛室窗戶。安裝零件，駕駛室設計完成。（2）塔身與塔臂設計：可以采用Pro/E軟件，對塔身與塔臂進行設計。在起重機械中，塔身與塔臂的結夠相對復雜，采用Solidworks軟件無法完成設計。Pro/E軟件具有較強的適應性，能夠確保復雜設計有效完成。需注意的是，Pro/E軟件與虛擬現實軟件的格式不匹配，設計完成的塔身與塔臂的模型，無法直接導入到虛擬現實軟件中，因此需采用3DS MAX進行格式轉換，使所建立好的模型，能夠完整的導入到虛擬現實系統當中，避免失真等問題的發生。

2.4 仿真場景

（1）將模型導入到虛擬現實軟件中，對起重機械的實際工作場景進行模擬以及布局。（2）采用JavaScript、C#，對虛擬現實軟件的引擎腳本進行設計，確保軟件的功能能夠有效實現。

3 討論與展望

采用虛擬現實軟件設計起重機械仿真實驗平臺，設計效率高，仿真效果好，具有較高的應用價值。仿真實驗平臺的設計，能夠代替實際實驗，實現對起重機械性能的評估，能夠有效節約實驗成本，對起重機設計成本的降低，具有積極意義。需要注意的是，與仿真實驗相比，真實作業過程中，起重機械所面臨的風險必定較大，因此，仿真實驗平臺設計過程中，必須充分考慮到起重機械在實際工程中應用所需面臨的風險，以最大程度提高仿真實驗平臺的建設水平。

在未來，應將以虛擬現實技術為基礎的起重機械仿真實驗平臺，應用到機械性能評估過程中，在研究中，不斷縮小誤差，促使起重機械整體使用性能得到進一步的提升。

4 結論

基于虛擬現實的起重機械仿真實驗平臺的設計，能夠有效解決傳統實驗中存在的執行難度大的問題，具有較高的應用價值，相關人員應加強重視，提高虛擬現實技術的應用水平，為起重機械性能的提升，以及工程施工的順利開展提供保證。

參考文獻：

[1]孫暉.基于IFIX組態技術的港口起重機械遠程監控系統仿真實驗平臺[J].港口裝卸，2015（06）：40-43.

[2]崔榮臻，秦華，馮欣欣，許鵬.基于虛擬現實的起重機械仿真實驗平臺的設計[J].價值工程，2016（13）：217-221.

[3]王秀萍，程文明，梁曉波，蘇軍朝.基于VR的起重運輸機械培訓仿真系統的研究[J].機械設計與制造，2015（07）：223-226.

[4]劉佳.三維虛擬仿真技術在機械結構教學培訓中的應用[J].科技資訊，2013（29）：221-222.

作者簡介：董川東（1990-），男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：機械工程、虛擬現實、仿真。