本發(fā)明屬于船舶主推進(jìn)裝置的教學(xué)領(lǐng)域，涉及一種在脫離實驗室的情況下可以讓學(xué)生進(jìn)行拆卸、安裝訓(xùn)練以及對柴油機(jī)各部件工作流程的演示的系統(tǒng)，具體涉及一種基于船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船舶運(yùn)輸業(yè)是關(guān)系民生的國家重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，船舶動力裝置是船舶最核心的部分，其性能極大程度地影響了整個船舶的機(jī)動性能、安全性能，而船舶柴油機(jī)是當(dāng)前船舶使用最為普遍的動力裝置，常用柴油機(jī)的拆卸、檢測、安裝是輪機(jī)工程技術(shù)人員必須掌握的技能，也是大中專論及相關(guān)專業(yè)的核心課程。但是由于船舶柴油機(jī)體積大、零件多、造價昂貴、拆卸與安裝工藝復(fù)雜，加之輪機(jī)專業(yè)學(xué)生人數(shù)較多。為了保證學(xué)員能滿足課程要求，教師不僅需要對學(xué)員進(jìn)行分組練習(xí)，還得針對船舶柴油機(jī)結(jié)構(gòu)組成理論知識不足的學(xué)生進(jìn)行反復(fù)演練。且柴油機(jī)在拆開后很難恢復(fù)精度，甚至?xí)p壞零部件，教學(xué)成本太高，同時也存在安全隱患。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)模擬仿真逐漸廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的航海領(lǐng)域，而虛擬裝配技術(shù)作為計算機(jī)模擬仿真學(xué)科中應(yīng)用于大型器械中的佼楚，被引進(jìn)作為輪機(jī)學(xué)科的一項重要實踐課程-船舶柴油機(jī)拆裝課程中，在科研和教學(xué)方面都有著重要的作用。

近幾年，國家對船舶運(yùn)輸業(yè)越來越重視，投入的力度也越來越大，隨之而來的是輪機(jī)工程技術(shù)人才的緊缺，而這部分課程中最復(fù)雜的就是船舶柴油機(jī)的構(gòu)造和拆、裝過程。傳統(tǒng)的船舶柴油機(jī)裝配、維修課程的培訓(xùn)一直是理論教學(xué)與實踐訓(xùn)練相結(jié)合。船舶柴油機(jī)造型巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝過程中除了要用到一些小型的套筒工具、梅花工具等，還需要用到起吊設(shè)備這樣的大型工具，這使得實踐教學(xué)的過程中隱藏著各種安全隱患，出于對學(xué)生人身安全的考慮，指導(dǎo)教師在帶領(lǐng)實踐課程時不得不采取各種防護(hù)措施以確保學(xué)生的安全，而且由于實踐課程的特殊性，實訓(xùn)室只有在老師的帶領(lǐng)下才會對外開放，這使得老師的授課受到很大的限制。加之實訓(xùn)室場地和培訓(xùn)時間的局限，裝配器材老化、安全性低、人多設(shè)備少以及教輔人員匱乏、教學(xué)質(zhì)量參查不齊等缺點，現(xiàn)階段的船舶柴油機(jī)實踐教學(xué)迫切需要研究一種新型的教學(xué)方式來解決上述問題。

傳統(tǒng)的教學(xué)教師再帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，由教師將實船上用的普通柴油機(jī)拆卸、分解成各組零部件進(jìn)行講解，再重新進(jìn)行安裝，重復(fù)演示操作多次，最后才能夠讓學(xué)生進(jìn)行拆卸、安裝訓(xùn)練，存在較大安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種基于基于船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)，可以使使用者不需要進(jìn)入實驗室去手動操作各部件就可以了解柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，各部件的工作流程，而且虛擬裝配技術(shù)具有高度的靈活性，將其應(yīng)用到船舶主推進(jìn)裝置教學(xué)領(lǐng)域，可以大幅度的減少培訓(xùn)費(fèi)用，提升教學(xué)和培訓(xùn)效果。該虛擬裝配系統(tǒng)通過3dsmax建模軟件建立需要拆裝的柴油機(jī)具體模型，將建立好的模型導(dǎo)入unity3d中，制作出一個針對整套柴油機(jī)部件的拆裝系統(tǒng)，用于船舶柴油機(jī)拆裝培訓(xùn)教學(xué)中。

本發(fā)明的另一目的在于解決對拆裝、維修培訓(xùn)課程的場地、器材、教師等教學(xué)資源的過度依賴問題，使學(xué)員能夠在任意時間、任意地點進(jìn)行裝配模擬訓(xùn)練和自我檢測，本發(fā)明將虛擬拆裝技術(shù)融入到船舶柴油機(jī)裝配訓(xùn)練的課程教學(xué)中，以船舶柴油機(jī)拆裝訓(xùn)練實驗室中r6250z型柴油機(jī)為模型，通過3dsmax軟件建立船舶柴油機(jī)的三維模型及拆裝動畫，unity3d軟件搭建虛擬裝配系統(tǒng)的平臺，使使用者既能了解掌握船舶柴油機(jī)的組成結(jié)構(gòu)、拆裝步驟和方法，同時還可以動手進(jìn)行虛擬拆裝的操作練習(xí)，讓學(xué)生對船舶柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、拆裝過程有一個全面的認(rèn)識，為后續(xù)的現(xiàn)場實際操作減少損失、保障操作安全奠定基礎(chǔ)，也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，增強(qiáng)教學(xué)與實際相匹配的同時降低教學(xué)成本

因此本發(fā)明船舶柴油機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計思路是：利用3dsmax軟件制作還原三維模型，并根據(jù)實際裝配操作中用到的工具以及拆裝順序模擬出拆裝動畫，通過unity3d搭建的虛擬裝配平臺實現(xiàn)人機(jī)交互。根據(jù)實體測量記錄的數(shù)據(jù)及柴油機(jī)結(jié)構(gòu)說明書，充分剖析柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、裝配關(guān)系和工藝標(biāo)準(zhǔn)以及要用到的工具，充分利用已有的技術(shù)資料，對不完整的技術(shù)資料作具體問題具體分析，給出合理的結(jié)構(gòu)和技術(shù)數(shù)據(jù)，為零部件的實體造型和裝配仿真提供依據(jù)。根據(jù)柴油機(jī)的平面設(shè)計圖以及實體測量到的數(shù)據(jù)，使用三維建模軟件3dsmax對柴油機(jī)機(jī)體各零部件進(jìn)行三維實體建模，并精細(xì)到每一個小螺絲的創(chuàng)建。對設(shè)置完成的三維模型進(jìn)行燈光、材質(zhì)的渲染處理。根據(jù)柴油機(jī)各零部件的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，動畫生成以及零部件的動態(tài)三維顯示。在unity3d中導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建二維界面，實現(xiàn)人機(jī)交互。

本發(fā)明實現(xiàn)上述目的技術(shù)方案是：

一種基于船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)，用于拆解和裝配由3dsmax建模及渲染的三維柴油機(jī)模型，其特征在于：該虛擬裝配系統(tǒng)主要由3dsmax建立柴油機(jī)模型，在unity3d中進(jìn)行柴油機(jī)模型各零件實現(xiàn)拆裝功能的設(shè)置，所述柴油機(jī)模型包括總裝和多個子裝配體，該虛擬裝配系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊、裝配實訓(xùn)模塊、導(dǎo)航模塊；所述結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊用于顯示柴油機(jī)模型的總裝和多個子裝配體的爆炸圖，當(dāng)鼠標(biāo)點擊總裝或多個子裝配體的零件時，顯示該零件的文字信息，所述文字信息包括名稱，工作原理以及裝配注意事項；所述裝配實訓(xùn)模塊包括拆裝動畫模塊和動畫控制模塊，所述拆裝動畫模塊用于顯示總裝和多個子裝配體的裝配圖拆解過程，所述動畫控制模塊用于控制拆裝動畫模塊處于初始狀態(tài)、開始拆解或拆解結(jié)束返回，所述導(dǎo)航模塊用于結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊之間的導(dǎo)航跳轉(zhuǎn)。

作為改進(jìn)，所述裝配實訓(xùn)模塊還包括裝配工具模塊，當(dāng)鼠標(biāo)點擊柴油機(jī)模型的總裝或其中一個子裝配體時，用于顯示拆解相應(yīng)總裝或子裝配體所需要的拆解工具。

作為改進(jìn)，所述導(dǎo)航模塊包括初級界面和高級界面，所述初級界面為系統(tǒng)首頁，包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊之間的切換，所述高級界面包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面和裝配實訓(xùn)模塊高級界面，所述結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面包括總裝和各子裝配體之間切換，并顯示相應(yīng)的爆炸圖，所述裝配實訓(xùn)模塊高級界面包括總裝和各子裝配體之間相互切換以及動畫控制界面和工具箱界面，動畫控制界面用于顯示和切換動畫控制模塊的控制按鈕，工具箱界面用于顯示或關(guān)閉裝配工具模塊。

作為改進(jìn)，柴油機(jī)模型的多個子裝配體分別為機(jī)體組、曲柄連桿、配氣機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)以及增壓系統(tǒng)。

作為改進(jìn)，所述燃油系統(tǒng)在3dsmax中建模時，該系統(tǒng)的燃油管道采用如下方式建模：首先根據(jù)燃油管道形狀在三維空間中創(chuàng)建一條管道成型后的樣條線，再創(chuàng)建一個圓柱體，運(yùn)用掃描命令選中使用自定義截面單選項，拾取多邊形截面，就可以完成任意形狀的管道的創(chuàng)建。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點：

1.根據(jù)柴油機(jī)的cad圖紙，以及實地測量，測算出柴油機(jī)機(jī)體主要零部件的尺寸，并據(jù)此在3dsmax中實現(xiàn)三維建模，如圖3-4所示。詳細(xì)分析了此柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，并根據(jù)柴油機(jī)的拆裝順序及拆裝工藝，設(shè)計了一套柴油機(jī)的拆裝順序及拆裝路徑。

2.結(jié)合3dsmax的三維建模及動畫優(yōu)勢、unity3d的二維界面制作和交互性優(yōu)勢，實現(xiàn)了船舶柴油機(jī)指定路徑的動態(tài)仿真，如圖5-7所示。通過對船舶柴油機(jī)裝配訓(xùn)練的模擬，為使用者提供了可視化操作和實現(xiàn)功能。

3.本發(fā)明創(chuàng)新性的通過3dsmax建模軟件建立需要拆裝的柴油機(jī)具體模型，將建立好的模型導(dǎo)入unity3d中，制作出一個針對整套柴油機(jī)部件的拆裝系統(tǒng)，用于船舶柴油機(jī)拆裝培訓(xùn)教學(xué)中，以期提升學(xué)員的動手能力，改善教學(xué)效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)方案設(shè)計框圖。

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖。

圖3是采用3dsmax建立的燃油系統(tǒng)中噴油泵的模型圖。

圖4是采用3dsmax建立的曲柄連桿和缸套的模型圖結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是虛擬裝配系統(tǒng)的系統(tǒng)首頁初級界面示意圖。

圖6是裝配實訓(xùn)模塊下的裝配實訓(xùn)模塊高級界面示意圖。

圖7是裝配工具模塊的工具箱內(nèi)展示的全部工具示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利作進(jìn)一步說明。以燃油系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

一種基于船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)，用于拆解和裝配由3dsmax建模及渲染的三維柴油機(jī)模型，該虛擬裝配系統(tǒng)主要由3dsmax建立柴油機(jī)模型，柴油機(jī)模型包括總裝、機(jī)體組、曲柄連桿、配氣機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)以及增壓系統(tǒng)。將三維柴油機(jī)模型轉(zhuǎn)換為fbx格式導(dǎo)入到unity3d中，創(chuàng)造出一個船舶柴油機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)，在unity3d中進(jìn)行柴油機(jī)模型各零件實現(xiàn)拆裝功能的設(shè)置，所述柴油機(jī)模型包括總裝和多個子裝配體，該虛擬裝配系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊、裝配實訓(xùn)模塊、導(dǎo)航模塊；所述結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊用于顯示柴油機(jī)模型的總裝和多個子裝配體的爆炸圖，當(dāng)鼠標(biāo)點擊總裝或多個子裝配體的零件時，顯示該零件的文字信息，所述文字信息包括名稱，工作原理以及裝配注意事項；所述裝配實訓(xùn)模塊包括拆裝動畫模塊和動畫控制模塊，所述拆裝動畫模塊用于顯示總裝和多個子裝配體的裝配圖拆解過程，所述動畫控制模塊用于控制拆裝動畫模塊處于初始狀態(tài)、開始拆解或拆解結(jié)束返回，所述導(dǎo)航模塊用于結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊之間的導(dǎo)航跳轉(zhuǎn)。

所述裝配實訓(xùn)模塊還包括裝配工具模塊，當(dāng)鼠標(biāo)點擊柴油機(jī)模型的總裝或其中一個子裝配體時，用于顯示拆解相應(yīng)總裝或子裝配體所需要的拆解工具。

所述燃油系統(tǒng)在3dsmax中建模時，該系統(tǒng)的燃油管道采用如下方式建模：首先根據(jù)燃油管道形狀在三維空間中創(chuàng)建一條管道成型后的樣條線，再創(chuàng)建一個圓柱體，運(yùn)用掃描命令選中使用自定義截面單選項，拾取多邊形截面，就可以完成任意形狀的管道的創(chuàng)建。

所述的船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)流程圖如圖2所示。船舶柴油機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計從需求分析入手，根據(jù)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計各個功能模塊。由于船舶柴油機(jī)零部件很多，裝配體也比較復(fù)雜，而且有些子裝配體的部分零件之間在總裝中是可以相對運(yùn)動，但在子裝配體中卻不能進(jìn)行相對運(yùn)動（例如，在實際生產(chǎn)中，通常是將連桿組件和十字頭組件裝配在一起，再進(jìn)行總裝的），因此，在子裝配體的分配過程中，沒有完全實現(xiàn)將相互之間能夠運(yùn)動的零部件放在一個子裝配體中。生成爆炸圖則是為了直觀地表達(dá)出各零部件之間的裝配關(guān)系與意圖，按照實際的拆裝順序，先拆卸的零件先爆炸。爆炸的方向，可通過選擇子裝配體中零件的三維坐標(biāo)或零件的平面、邊線等特征來確定，爆炸的距離則可以輸入距離值來確定，以能看清各零件的結(jié)構(gòu)為宜。裝配實訓(xùn)動畫以裝配體中的曲柄連桿和燃油系統(tǒng)兩個部分為例說明，每一個子裝配體又分為幾個二級子裝配體來實現(xiàn)拆裝的動畫。

所述的建立的柴油機(jī)模型如圖3-4所示。圖3是燃油系統(tǒng)總成部分建模。燃油系統(tǒng)的部分看似復(fù)雜，但是把模型拆分來看，都是由許多重復(fù)性的小模型構(gòu)成的，我們可以根據(jù)之前創(chuàng)建的螺絲螺母等零部件，通過移動、縮放、旋轉(zhuǎn)，再配合一些規(guī)則的幾何體，運(yùn)用擠出倒角輪廓以及網(wǎng)格平滑等多邊形建模命令，調(diào)整出所需要的模型。這里特別強(qiáng)調(diào)一下燃油管的建模，以及后面需要用到的管道的建模管道是一個隨意性較強(qiáng)的模型，因其走向復(fù)雜，且柴油機(jī)中用到的管道眾多，若是采用常規(guī)的“基本幾何體”建模中的“管道”命令，不僅需要添加多個彎曲命令才能配合出其他的零部件所需大小及彎曲程度和方向，而且這種方法占用計算機(jī)內(nèi)存大，費(fèi)時費(fèi)力。因此，直接使用樣條線建模方式進(jìn)行管道的鋪設(shè)。首先根據(jù)待建模的燃油管道形狀在三維空間中創(chuàng)建一條管道成型后的樣條線，再創(chuàng)建一個圓柱體，運(yùn)用“掃描”命令選中“使用自定義截面”單選項，拾取多邊形截面，就可以完成任意形狀的管道的創(chuàng)建。

圖4是曲柄連桿和缸套部分的建模。氣缸套置于機(jī)體的氣缸體孔中，上由氣缸蓋壓緊固定，與缸蓋、活塞共同構(gòu)成氣缸工作空間。由于氣缸套和活塞環(huán)的部分有一圈圈的密封墊和定位環(huán)，且每一個都有其固定的位置，因此用不同的顏色加以區(qū)分。這部分的結(jié)構(gòu)比較簡單，都是由一個個小的零件模型構(gòu)成，通過多邊形模型的擠出倒角輪廓等命令就可以輕松得到。

所述的在unity3d中制定好的交互功能如圖5-7所示。虛擬裝配系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊兩大部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊兩大部分通過導(dǎo)航模塊相互切換，這兩大部分又分別對柴油機(jī)的其他裝配體創(chuàng)建了單獨演示和操作的虛擬環(huán)境。由于船舶柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配體眾多，為了提供給用戶良好的體驗感，所述導(dǎo)航模塊包括初級界面和高級界面，所述初級界面為系統(tǒng)首頁，包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊和裝配實訓(xùn)模塊之間的切換，所述高級界面則是裝配體虛擬環(huán)境的操作界面，高級界面包括結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面和裝配實訓(xùn)模塊高級界面，所述結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面包括總裝和各子裝配體之間切換，并顯示相應(yīng)的爆炸圖，所述裝配實訓(xùn)模塊高級界面包括總裝和各子裝配體之間相互切換以及動畫控制界面和工具箱界面，動畫控制界面用于顯示和切換動畫控制模塊的控制按鈕，工具箱界面用于顯示或關(guān)閉裝配工具模塊。從初級界面的結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊按鈕和裝配實訓(xùn)模塊按鈕可分別進(jìn)入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面和裝配實訓(xùn)模塊高級界面，所述結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊高級界面和裝配實訓(xùn)模塊高級界面均主要包括總裝、機(jī)體組、曲柄連桿、配氣機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)九大裝配體，如圖6所示。其中，從結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊按鈕進(jìn)入的虛擬操作界面，會出現(xiàn)總裝和各子裝配體的爆炸圖，當(dāng)鼠標(biāo)觸發(fā)到子裝配體的某個零件時，會自動出現(xiàn)該零件的名稱，工作原理以及裝配注意事項。當(dāng)從裝配實訓(xùn)模塊按鈕進(jìn)入裝配實訓(xùn)模塊高級界面時，則會出現(xiàn)總裝和各子裝配體的拆卸及裝配動畫，點擊相應(yīng)的總裝或各子裝配體時，裝配工具模塊顯示拆解或裝配體所需要相應(yīng)的拆解工具，并出現(xiàn)文字說明。

學(xué)習(xí)方式一方面是觀看完整的拆分演示動畫。首先由柴油機(jī)整體模型鎖定部件的具體位置，然后將該部件拆分成細(xì)部構(gòu)建。整個裝配實訓(xùn)模塊的動畫播放可通過動畫控制模塊進(jìn)行控制，方便學(xué)生反復(fù)觀看，隨時暫停。在拆裝的過程中，當(dāng)拆卸到某一個零件時，會自動顯示該零件的名稱、用途以及裝配注意事項。

裝配實訓(xùn)需要柴油機(jī)的拆卸過程演示、組裝過程演示、重點功能原理的動畫演示。通過程序控制發(fā)動機(jī)的零件逐一分解，自動播放動畫，期間可以控制暫停、快進(jìn)和后退動畫播放。點擊某個正在拆卸的零件，進(jìn)入三維觀察模式，并且顯示該零件的相關(guān)信息和裝配時的注意事項等等。