吳先哲， 徐軼群

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

?

船舶機(jī)艙設(shè)備建模與虛擬裝配應(yīng)用研究

吳先哲， 徐軼群

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

摘要基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過運(yùn)用Tribon、3DS Max對(duì)船舶機(jī)艙及設(shè)備進(jìn)行建模并運(yùn)用Unity 3D 進(jìn)行虛擬裝配。該方法能使船舶機(jī)艙空間布局及主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)船舶設(shè)備裝配過程的模擬，不僅有利于培訓(xùn)人員的教學(xué)培訓(xùn)，更有利于船舶設(shè)計(jì)人員與實(shí)際操作工人間的溝通，還可以減少船舶生產(chǎn)裝配過程中的失誤，提高船廠的生產(chǎn)效率，具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞船舶機(jī)艙三維建模虛擬裝配

Marine Engine Room Equipment Modeling and Virtual Assembly Application Research of the Ship

WU Xian-zhe， XU Yi-qun

(Jimei University Institute of Marine Engineering, Xiamen Fujian 361021, China)

AbstractBased on virtual reality technology,it can make the ship engine room and equipment models by Tribon and 3DS Max.Also it can use the unity 3D software to do virtual assembly.The method can optimize the layout of the ship engine room and the major equipment.Also it can implement the ship equipment assembly process simulation by virtual reality technology.It is not only beneficial to communication between the ship design personnel and the actual operator,but it can also reduce the mistakes of the ship production and assembly process.The method can improve shipyard production efficiency and has strong practical significance.

Keywords Ship engine roomThree dimensional modelVirtual assembly

0引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是新世紀(jì)重要發(fā)展技術(shù)之一，它是利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的具有與現(xiàn)實(shí)效果一樣的三維虛擬環(huán)境，是多媒體技術(shù)的高層次發(fā)展，其具有三個(gè)重要的、相互影響的、不可或缺的基本特征，分別是沉浸、交互、想象。經(jīng)過技術(shù)不斷地發(fā)展，其已應(yīng)用于商業(yè)開發(fā)、教育科研等各個(gè)重要領(lǐng)域，碩果累累。在船舶行業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也起著相當(dāng)重要的作用。

經(jīng)過仔細(xì)研究船舶機(jī)艙圖紙，參照船舶機(jī)艙中的真實(shí)環(huán)境，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立一個(gè)逼真的機(jī)艙三維模型，接著進(jìn)行虛擬的機(jī)艙場景優(yōu)化。用戶可以在這個(gè)虛擬的機(jī)艙場景中進(jìn)行自主漫游，相當(dāng)于在實(shí)際機(jī)艙中進(jìn)行觀察探索，能夠充分感受到在實(shí)際狹小的機(jī)艙工作環(huán)境中十分相似的切身體驗(yàn)。在此漫游過程中，用戶能夠充分觀察到船舶機(jī)艙內(nèi)的布局構(gòu)造，管路以及設(shè)備的具體布置。另外，通過對(duì)構(gòu)建出來的虛擬機(jī)艙場景中的設(shè)備進(jìn)行虛擬裝配及進(jìn)一步的交互操作，用戶能夠更好地掌握設(shè)備的裝配及操作方法，進(jìn)一步更好地理解設(shè)備的運(yùn)行原理并能將其運(yùn)用到實(shí)際工作中去。通過對(duì)機(jī)艙設(shè)備的虛擬裝配，有助于船廠在實(shí)際裝配中減少操作失誤、縮短時(shí)間，從而提高實(shí)際效益。

1船舶機(jī)艙及設(shè)備三維建模

船舶機(jī)艙是船舶中最為重要的一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，分布了眾多復(fù)雜的管路設(shè)備，故對(duì)機(jī)艙及設(shè)備建模，然后對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配研究有著重要的意義。用于三維建模的軟件較多，其各側(cè)重點(diǎn)不同，有的側(cè)重于工業(yè)行業(yè)，有的則主要應(yīng)用于商業(yè)行業(yè)?，F(xiàn)在常見的三維建模軟件有Catia、Solid Works、Pro/Engineer、Invertor、Tribon、3DS Max等。在本次建模中選擇Tribon和3DS Max軟件，兩者各自發(fā)揮其特點(diǎn)，相輔相成。

1.1建模軟件Tribon與3DS Max的特點(diǎn)

Tribon 軟件是目前世界造船業(yè)中不可缺少的軟件之一，其在船廠設(shè)計(jì)部門里有著重要的地位。該軟件主要用于船體的生產(chǎn)設(shè)計(jì)、制造以及管路、設(shè)備等舾裝設(shè)計(jì)布置，在船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著舉足輕重的作用，是國內(nèi)造船業(yè)中重要的船舶設(shè)計(jì)軟件。Tribon軟件能夠按照船舶圖紙嚴(yán)格構(gòu)建出精確的船體模型，但卻不能實(shí)現(xiàn)對(duì)船體和設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的材質(zhì)編輯、動(dòng)畫設(shè)置、渲染等方面的功能。而3DS Max軟件剛好能彌補(bǔ)Tribon軟件在這些方面的不足。3DS Max是由AutoDesk公司開發(fā)的三維模型與動(dòng)畫制作渲染軟件，它被廣泛應(yīng)用于游戲設(shè)計(jì)、廣告設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和影視制作等多個(gè)領(lǐng)域。3DS Max的特點(diǎn)是具有強(qiáng)大的材質(zhì)編輯和燈光處理功能，在后期的模型渲染上功能強(qiáng)大，能夠構(gòu)建出逼真的模型。

Tribon軟件與3DS Max軟件相結(jié)合能夠取長補(bǔ)短，既能按照實(shí)際構(gòu)建出機(jī)艙模型，同時(shí)又能對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)編輯、渲染等優(yōu)化。

1.2機(jī)艙及設(shè)備建模具體流程

首先認(rèn)真研究該船機(jī)艙的設(shè)計(jì)圖紙，做到充分了解該機(jī)艙內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管路以及彼此間的相互位置關(guān)系，平衡模型復(fù)雜程度，這有助于更準(zhǔn)確地構(gòu)建出機(jī)艙模型。接著在Tribon軟件中進(jìn)行建模。由于Tribon軟件機(jī)艙建模后的三維模型都是未經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化處理的，因此必須將Tribon軟件已完成的機(jī)艙模型導(dǎo)入到3DS Max軟件內(nèi)進(jìn)行材質(zhì)紋理、貼圖燈光等后期的優(yōu)化處理。在模型導(dǎo)入完成后，便可對(duì)模型進(jìn)行模型優(yōu)化、貼圖渲染以及精細(xì)度處理。建模過程如圖1所示。

圖1　船舶機(jī)艙及設(shè)備建模流程圖

1.3機(jī)艙建模

在船體實(shí)際建造過程中，船廠都是使用分段制造的方法以提高實(shí)際效益。分段是由零件、部件組合成的船體結(jié)構(gòu)，按其幾何特征可分為平面分段(如甲板分段)、曲面分段(如帶梁拱的上層建筑分段)、半立體分段(如舷側(cè)分段)、立體分段(如底部分段)以及總段。在生產(chǎn)過程中，船體是從零件、部件、分段以及總段一步步制造裝配而成。其過程如圖2所示。

圖2　船體建造過程

模仿上述的分段建造過程，在Tribon機(jī)艙建模過程中也使用分段建模，其建造完成的模型如圖3所示。

圖3　機(jī)艙三維模型

2船舶機(jī)艙設(shè)備的虛擬裝配

在進(jìn)行完船舶機(jī)艙建模后，接下來是對(duì)設(shè)備虛擬裝配的過程進(jìn)行分析，并選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行裝配。其目的是確保裝配過程既能夠方便操作，又可以簡單明確。在這過程中運(yùn)用Unity 3D軟件進(jìn)行場景效果處理。

2.1虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬裝配是根據(jù)具體產(chǎn)品或零件、部件的形狀和主要特征，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行仿真裝配的過程。用戶可以通過交互式的控制方式來控制其裝配過程。虛擬裝配有著其重要的優(yōu)點(diǎn)，即可驗(yàn)證裝配性、可驗(yàn)證最優(yōu)裝配規(guī)劃、可節(jié)約規(guī)劃時(shí)間、可提高規(guī)劃靈活性和可通過虛擬裝配來熟悉裝配過程這五方面的優(yōu)勢(shì)。

2.2設(shè)備的虛擬裝配序列

虛擬裝配序列是為了保證生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)效率而尋求制定裝配體中產(chǎn)品配件的最合理安裝順序。它是根據(jù)具體裝配體之間的特定關(guān)系以及具體功能特點(diǎn)來確定配件的安裝順序，從而進(jìn)一步生成裝配序列。目前的裝配序列方法包括有組件識(shí)別法、裝配優(yōu)先約束關(guān)系法、知識(shí)求解法和拆卸法等裝配序列方法。

經(jīng)分析，在船舶機(jī)艙設(shè)備的虛擬裝配過程中，最適用的裝配方法為拆卸法，顧名思義該方法就是可以虛擬拆卸和虛擬裝配，兩者互為可逆。

2.3設(shè)備的虛擬裝配路徑

在確定了虛擬裝配序列之后，接下來就是規(guī)劃裝配路徑。虛擬裝配的路徑規(guī)劃是在確定裝配序列的基礎(chǔ)上對(duì)其組件的安裝路徑進(jìn)行規(guī)劃，在虛擬裝配技術(shù)中占有重要的地位，也是檢驗(yàn)虛擬設(shè)備是否符合拆卸法這個(gè)裝配序列的重要依據(jù)。目前世界上較典型的路徑規(guī)劃方法有：位姿空間法、方向多面錐法、可師徒法、單元分解法、拓?fù)浞ê腿斯?shì)場法等。

在裝配路徑類別方面，裝配路徑分為兩類:一類是粗裝配路徑，指的是零件逐步靠近欲組裝的設(shè)備，但還沒有開始裝配的這一段過程中所經(jīng)過的路徑，在裝配工藝上只要求在此路徑中不與其他設(shè)備發(fā)生干涉即可；另一類是精裝配路徑，指的是從靠近預(yù)組裝設(shè)備到完成組裝的這段過程經(jīng)過的路徑，在此路徑中裝配工藝要求嚴(yán)格，必須嚴(yán)格符合工藝上的可行性。

在機(jī)艙設(shè)備虛擬裝配過程中需要這兩類裝配路徑相互配合運(yùn)用，并需充分考慮到在碰撞干涉后進(jìn)行虛擬裝配。

在確定相關(guān)裝配路徑后，便可在Unity 3D中完成設(shè)備虛擬裝配，其流程圖如圖4所示。

圖4　設(shè)備虛擬裝配流程圖

2.4裝配完成的設(shè)備模型

裝配完成的設(shè)備模型如圖5、圖6所示。

圖5　船舶主機(jī)三維模型

圖6　油水分離器三維模型

2.5機(jī)艙的漫游檢查

在Unity 3D中可對(duì)機(jī)艙進(jìn)行漫游檢查(見圖7)，這可以使用戶能夠詳細(xì)地了解機(jī)艙結(jié)構(gòu)及其中的設(shè)備或管路布置情況。以下就是進(jìn)行的腳本編輯，其目的是當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，用戶會(huì)朝鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方向移動(dòng)。

圖7　機(jī)艙漫游檢查

漫游控制腳本程序：

var world:Vector3;

var speed:float=0;

function Update ()

{

var screenpos=Camera.main.WorldToScreenPoint(transform.position); var e:Vector3=Input.mousePosition;

if(Input.GetMouseButton(0))

{

e.z=screenpos.z;

world.x=Camera.main.ScreenToWorldPoint(e).x;

world.z=Camera.main.ScreenToWorldPoint(e).z;

world.y=transform.position.y;

speed=1;

}

if(transform.position==world)

{

speed=0;

}

transform.LookAt(world);

transform.Translate(Vector3.forward*speed*Time.deltaTime);

}

3結(jié)束語

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶各系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬仿真已經(jīng)逐步成為國內(nèi)造船行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。對(duì)船舶機(jī)艙設(shè)備裝配過程進(jìn)行虛擬仿真，有利于提高船舶設(shè)計(jì)人員與實(shí)際操作工人之間的溝通效率，減少實(shí)際裝配中的失誤，提升船廠的生產(chǎn)效率。通過對(duì)構(gòu)建出來的虛擬機(jī)艙場景中的設(shè)備進(jìn)行虛擬裝配及進(jìn)一步的交互操作，用戶能夠更好地了解設(shè)備運(yùn)行原理及操作方法，并能將其熟練運(yùn)用到實(shí)際工作中去。通過對(duì)機(jī)艙設(shè)備的虛擬裝配，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有重要的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1]虞臣超.船體三維模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理技術(shù)[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào),2014(1):31-35.

[2]李治軍.基于Unity 3D的船舶舵機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與研究[D].大連:大連海事大學(xué),2014.

[3]孫俊,陸暢.船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007(15):3456-3459.

[4]李翔宇.船舶機(jī)艙設(shè)備虛擬裝配與工藝說明數(shù)字化技術(shù)研究[D].廈門:集美大學(xué),2013.

[5]王博. 船舶虛擬裝配工藝優(yōu)化仿真研究[D]. 大連;大連理工大學(xué), 2006.

[6]虞臣超.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船體裝配中的應(yīng)用研究[D].廈門:集美大學(xué),2014.

[7]田秀峰.基于動(dòng)態(tài)仿真的船舶管系虛擬裝配路徑規(guī)劃方法研究[D].沈陽:東北大學(xué),2008.

中圖分類號(hào)U662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：吳先哲(1991-)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。