離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)設(shè)計(jì)

韓中建

（武警海警學(xué)院機(jī)電管理系，浙江 寧波 315801）

0 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及其他技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了迅猛發(fā)展，它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用都取得了顯著突破，并逐漸成為新的學(xué)科領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)因具有沉浸性、交互性以及構(gòu)想性等特點(diǎn)受到教育工作者的青睞，并通過各種方式的開發(fā)應(yīng)用使其成為促進(jìn)教育發(fā)展的一種新型手段。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能通過計(jì)算機(jī)將原本抽象復(fù)雜的知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)且可交互的三維立體場(chǎng)景供學(xué)生學(xué)習(xí)、觀摩和操作，從而打破設(shè)備、時(shí)間以及場(chǎng)地的限制，大大提高了教學(xué)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和安全性[1]。離心泵作為一種通用的流體機(jī)械，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量平穩(wěn)、震動(dòng)較小、適應(yīng)性強(qiáng)以及維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域[2]。基于離心泵的工作原理、結(jié)構(gòu)組成以及使用維護(hù)等知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)一直是機(jī)械類專業(yè)教學(xué)的重要組成部分，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使該部分知識(shí)更加靈活方便地供學(xué)生學(xué)習(xí)，對(duì)創(chuàng)新教學(xué)手段、提高教學(xué)質(zhì)量有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

該文所述的離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)是以IS50-32-125B型臥式離心泵為仿真對(duì)象，采用Unity 3D作為開發(fā)引擎，結(jié)合3ds Max等軟件進(jìn)行離心泵操作平臺(tái)場(chǎng)景建模和拆裝動(dòng)畫的制作，能實(shí)現(xiàn)離心泵啟動(dòng)停止、壓力調(diào)節(jié)、流量監(jiān)控、故障顯示、爆炸拆解、分步拆裝以及自由拆裝等功能，還可以用于輔助離心泵相關(guān)理論的教學(xué)工作。

1 平臺(tái)場(chǎng)景構(gòu)建

離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，主要由離心泵、電機(jī)、控制箱、吸入閥、排出閥、流量計(jì)、進(jìn)出口壓力表、進(jìn)口止回閥、水箱以及相應(yīng)的管路組成。平臺(tái)場(chǎng)景構(gòu)建主要分為離心泵機(jī)組建模、管系附件建模和環(huán)境建模3個(gè)部分。

圖1 離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)系統(tǒng)組成

1.1 離心泵機(jī)組建模

離心泵機(jī)組建模是根據(jù)IS50-32-125B型臥式離心泵各零件的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模的，要求能清晰完整地表達(dá)各零件的外形及裝配管系。以泵殼為例，首先用標(biāo)準(zhǔn)幾何體里面的圓柱體進(jìn)行建模，其次通過對(duì)可編輯多邊形的頂點(diǎn)、邊、邊界、多邊形以及元素的修改建成大體模型，最后使用渦輪平滑處理建成該泵殼，模型效果如圖2所示。

圖2 離心泵機(jī)組模型

1.2 管路附件建模

管路附件建模共分為4個(gè)小部分，分別為進(jìn)出口管路、進(jìn)出口閥門、流量計(jì)和壓力表。以排出閥為例，首先對(duì)排出閥主體進(jìn)行建模，運(yùn)用多邊形建模功能對(duì)規(guī)律的模型進(jìn)行創(chuàng)建；其次，運(yùn)用手動(dòng)擠出的操作方式對(duì)不規(guī)則的多邊形進(jìn)行編輯；最后，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例建模。模型建成后，運(yùn)用倒角操作對(duì)零件的輪廓進(jìn)行處理。

1.3 虛擬訓(xùn)練環(huán)境建模

為了模擬逼真的虛擬訓(xùn)練環(huán)境，平臺(tái)構(gòu)建1個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景。該虛擬實(shí)驗(yàn)室主要包括墻體、門窗、黑板、地面以及燈光等。虛擬訓(xùn)練環(huán)境建模效果如圖3所示。

圖3 虛擬訓(xùn)練環(huán)境

2 訓(xùn)練功能實(shí)現(xiàn)

該文設(shè)計(jì)的離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)具有離心泵啟動(dòng)運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)控、流量控制以及故障排除等功能，主要模擬對(duì)象包括主電源開關(guān)、工作電壓電流監(jiān)視、監(jiān)控面板、電機(jī)運(yùn)行、閥門控制以及儀表顯示等。

2.1 模擬工作流程

該文設(shè)計(jì)的離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)的模擬工作流程如下：1）單擊主電源開關(guān)給平臺(tái)供電，顯示電壓電流運(yùn)行數(shù)值和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。2）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)口閥門手輪，打開進(jìn)口閥，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)出口閥門手輪，關(guān)閉出口閥。3）單擊引水旋塞給離心泵加入引水。4）單擊智能啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)離心泵機(jī)組，觀察進(jìn)出口壓力表的指針。5）逆時(shí)針逐步旋轉(zhuǎn)出口閥門手輪，觀察進(jìn)出口壓力表的指針。6）單擊停止按鈕停止離心泵機(jī)組，觀察進(jìn)出口壓力表的指針。7）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)口閥門手輪，關(guān)閉進(jìn)口閥，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)出口閥門手輪，關(guān)閉出口閥。8）單擊主電源開關(guān)，停止平臺(tái)供電。

離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

2.2 電壓電流模擬監(jiān)視功能

平臺(tái)的電壓電流模擬監(jiān)視功能是利用Unity 3D引擎中的TextMesh組件模擬并控制數(shù)碼管運(yùn)行動(dòng)畫，從而實(shí)現(xiàn)顯示平臺(tái)工作電壓和電流運(yùn)行數(shù)值的功能。

平臺(tái)模擬工作電壓數(shù)碼管運(yùn)行現(xiàn)象如下：1）主電源接通前，數(shù)碼管不顯示。2）電源接通后，工作電壓為395 V～405 V內(nèi)的隨機(jī)數(shù)值。3）數(shù)碼管數(shù)值每秒都會(huì)產(chǎn)生變化。

平臺(tái)模擬工作電流數(shù)碼管運(yùn)行現(xiàn)象如下：1）主電源接通前，數(shù)碼管不顯示。2）電源接通后，工作電流為0 A。3）在電機(jī)啟動(dòng)后，工作電流逐漸升高。4）當(dāng)達(dá)到額定工況后，穩(wěn)定在額定電流附近。5）工作電流還隨進(jìn)出口閥門開啟大小發(fā)生變化。

其關(guān)鍵運(yùn)行腳本如下。

圖4 軟件運(yùn)行流程

2.3 進(jìn)出口閥門控制功能

進(jìn)出口閥門的開度對(duì)離心泵進(jìn)出口壓力的影響是離心泵訓(xùn)練的重要內(nèi)容之一。根據(jù)離心泵的運(yùn)行特性及實(shí)際工作情況，該平臺(tái)設(shè)計(jì)模擬的運(yùn)行現(xiàn)象如下：1）當(dāng)離心泵機(jī)組停止工作時(shí)，進(jìn)出口壓力表指針顯示為0 MPa，不隨進(jìn)出口閥門的操作發(fā)生變化。2）當(dāng)啟動(dòng)離心泵機(jī)組時(shí)，因?yàn)檫M(jìn)口閥門處于打開狀態(tài)、出口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，所以進(jìn)口壓力指針逐漸降低至-0.02 MPa，出口閥迅速升高至0.2 MPa。3）在離心泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，當(dāng)朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)口閥門時(shí)，進(jìn)口壓力表指針逐漸降低至-0.08 MPa；當(dāng)朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)出口閥門時(shí)，出口壓力表指針逐漸降低至0.08 MPa。

訓(xùn)練軟件通過單擊進(jìn)出口閥門手輪兩側(cè)空對(duì)象碰撞體，從而控制手輪和壓力表指針，Rotation屬性模擬進(jìn)出口閥控制功能，其關(guān)鍵運(yùn)行腳本如下。

3 拆裝功能實(shí)現(xiàn)

離心泵拆裝是工程訓(xùn)練課程機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)模塊中的一個(gè)重要項(xiàng)目。根據(jù)離心泵的結(jié)構(gòu)原理和拆裝要點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)的離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)設(shè)置有自由拆裝、自動(dòng)拆裝、爆炸拆解、分步拆裝以及拆裝要點(diǎn)提示等功能，能實(shí)現(xiàn)不同拆裝模式的自由切換。

3.1 自由拆裝模式

在自由拆裝模式下，學(xué)生能夠?qū)㈦x心泵機(jī)組各零件拖動(dòng)至任意位置進(jìn)行拆解，并可以通過改變視角來觀察零件的結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)學(xué)生鼠標(biāo)選中需要組裝的零件時(shí)，在該零件原位置高亮顯示零件輪廓，然后將零件拖動(dòng)到輪廓附近，零件就能回到原有位置。

3.2 自動(dòng)拆裝模式

自動(dòng)拆裝模式主是為了讓學(xué)生對(duì)離心泵的詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成及正確的拆裝順序有初步了解，在該模式下，可以控制動(dòng)畫播放的快慢，也可以隨時(shí)停止播放。

3.3 爆炸拆解模式

爆炸拆解模式是為了讓學(xué)生迅速了解離心泵各零件的名稱和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在該模式下通過UI界面按鈕控制，使離心泵各零件以主軸為中心，成爆炸分布到周圍位置。當(dāng)鼠標(biāo)懸停在零件上2 s，就會(huì)顯示所選零件的名稱及基本信息。

3.4 分步拆裝模式

分步拆解模式的主要目的是使學(xué)生清晰掌握離心泵拆裝順序和操作要領(lǐng)。該模式是通過腳本控制事先準(zhǔn)備好的Animtor動(dòng)畫組件，進(jìn)而控制動(dòng)畫的播放順序和視角的轉(zhuǎn)換。學(xué)生單擊UI界面上“上一步”、“下一步”按鈕，實(shí)現(xiàn)離心泵機(jī)組各零件反復(fù)拆解演示，并在界面左上角顯示拆裝要點(diǎn)提示。分布拆裝運(yùn)行效果如圖5所示，其關(guān)鍵運(yùn)行代碼如下。

圖5 分布拆裝運(yùn)行效果

4 結(jié)語

離心泵虛擬訓(xùn)練及拆裝平臺(tái)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以立體、生動(dòng)以及可交互的形式將離心泵的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)組成、拆裝方法以及拆裝要領(lǐng)等抽象的知識(shí)點(diǎn)展現(xiàn)出來，初步達(dá)到了提升教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、動(dòng)手操作能力以及創(chuàng)新思維的目的。平臺(tái)的設(shè)計(jì)是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)踐教育結(jié)合的具體實(shí)踐，為離心泵實(shí)踐教學(xué)提供了新型且高效的教學(xué)手段，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用。