基于MultigenCreator和VegaPrime的汽轮机虚拟维修仿真系统研.docx

基 于M ultigen Creator和Vega Prime的 汽 轮 机虚拟维修仿真系统研究 康兴汝1 ，李智2 ，王圣毫2 ，张 旭2 ，高学伟2( 1.沈阳理工大学 信息科学与工程学院，沈阳 110159;沈阳工程学院 仿真中心，沈阳 110136)2.摘 要: 大容量汽轮机结构复杂，难以在实际汽轮机上开展维修技术的培训，因此，需要研究汽轮机虚拟维修仿真系统用于提高维修水平 在虚拟现实技术的基础上，提出了基于 M ultigen Creator 和 Vega Prime 汽轮机的虚拟维修仿真系统， 分析了 M ultigen Creator 的三维建模技术、Vega Prime 的虚拟场景漫游和维修过程的人机交互的实现方法 该系统已经 实现了汽轮机某些部件虚拟维修的目标，达到了培训学员、节约维修成本和提高维修效率的目的，为其他设备的虚拟维 修提供了借鉴关键词: 汽轮机; 维修; 虚拟现实技术; 仿真系统A中图分类号:文献标识码:文章编号: 1673 1603( 2012) 04 0308 03TP391. 9电厂汽轮机是一种大型动力机械，结构复杂，对维修人员的专业技能要求很高 传统的维修方式不可能 完全实现实装训练，虚拟维修可有效解决这一问题 美 国对虚拟维修系统研究开始的比较早，国内虚拟现实 维修的研究起步比较晚，近年来才开始进行研究并取 得了一些成果 汽轮机虚拟维修训练系统，可模拟出真 实的汽轮机设备，并实现维修人机交互操作，可以有效 训练受训人员，提高维修效率 国内有些学者虽然开发 出了汽轮机虚拟维修系统，但是所应用的三维建模软 件为 AutoCAD 或者是 SolidWorks，这些软件建立的模 型占用很大的计算机容量，不利于模型的实时交互 为 了提高 交 互 的 速 度，这 里 采 用 了 M ultigen Creator，同 时，采用的 Vega Prime 实 时 驱 动 软 件，可 以 更 好 地 完 成实时交互，它和 Creator 软件兼容性也非常好的工具，它最基本的功能是驱动、控制、管理虚拟场景并能够方 便 地实现大量特殊视觉和声音效果 LynX Prime 图 形 界 面，只用鼠标点击就可以配置或 驱 动 模 型，在一般的简单仿真系统应用中，不用编写任何源代 码就可以实现三维场景漫游和控制物体的运动2汽轮机虚拟维修仿真系统的总体结构虚拟维修仿 真 系 统2 是虚拟维修技术在装备维 修领域的应用，是实际维修过程的仿真实现，它采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过协同工作的模式，实现 产品维修性的设计分析、维修过程的规划与验证、维修 操作训练与维修支持、各级维修机构的管理与控制等 产品维修的本质工作，以增强产品的寿命周期各阶段、 产品全系统各层次的决策与控制能力此次研究仅对非沉浸式虚拟维修仿真系统进行， 开发的虚拟维修仿真系统是模拟上海汽轮机厂引进型1Multigen Creator 和 Vega Prime 简介M ultigen Creator1是 M ultigen 公司新一代仿真建3N300-16. 7 /538 /538 汽 轮 机 ，虚拟维修系统与 300M W 火电厂仿真机相互通讯依据该系统的功能要求和该系统能实现的目的， 虚拟维修仿真系统被分为 3 个部分: 故障和维修知识 库、三维模型库、系统开发模软件，它拥有针对应用优化的 OpenFlight 数据格式，强大的多边形建模、矢量建模和地形生成等功能，能构 造高逼真度、高度优化的三维模型，并提供转换工具将多种模型格式转换成 OpenFlight 数据格式Vega Prime 是用于开发交互式、可视化仿 真 应 用收稿日期: 2012 06 21基金项目: 辽宁省高校科技项目( 2009S071)作者简介: 康兴汝( 1985 ) ，男，山东菏泽人，硕士研究生李 智( 1964 ) ，男，辽宁开原人，教授，博士，硕士生导师，主要从事火力发电机组优化运行方面的研究康兴汝，等: 基于 M ultigen Creator 和 Vega Prime 的汽轮机虚拟维修仿真系统研究第 4 期 309 4) 用 Visual C + + 2005 和 Vega Prime 的 函 数 编写程序实现零部件的拆装、工具的使用、人机交互、虚 拟场景漫游、鼠标拾取对象和 DOF 节点的控制等5) 把虚拟维修仿真系统和 300 M W 仿 真 机 实 现 通讯，当仿真机上的监控参数出现异常时，首先根据维 修经验进行故障诊断，判断汽轮机哪些部位出现了故 障; 然后调出 汽 轮 机 模 型，查 看 可能出现故障的零部 件，找到故障部 位 后进行修复最后，在 Vega Prime 中 进行人机交互拆装出现故障的零部件系统开发的过程如图 1 所示2. 1故障和维修知识库通过对收集到的故障和维修知识进行分析、总结，对经常出故障的部位，建立若干个合理的维修过程 维修的过程要有逻辑的顺序，来正确指导受训人员的操 作步骤，同时对学员的错误操 作 进 行 纠 正、报 警 和 记 录2. 2 三维模型库汽轮机是大型设备，有很多零部件，结构复杂，需 要建立转子、轴 承、汽 缸、喷 嘴 等，以及维修工具的模 型，例如电锯、划规、扳手、中心钻、千斤顶等在建立汽 轮 机 模 型 时，要 用 到 DOF ( 自 由 度 ) 节 点4 使用 DOF 节点可以使模型对象具有活动的能 力，DOF 节点可以控制它的所有子节点按照设置的自 由度范围进行移动或者旋转运动 汽轮机是由多个部 件构成的组合体，某些组件要和它的父节点之间增加1 个 DOF 节点，在 C + + 程序中只需对 DOF 节点进 行调用，Vega Prime 的 API 函数提供了 vsDOF 类实现 对模型的 DOF 节点的控制 在程序中先通过指定控制 点名称如 SteamTop，找到对应的 DOF 节点指针赋给 1 个 vsDOF 类实例，调用 vsDOF 类的 setTranslateZ ( ) 可 以控制汽轮机的上汽缸相对其下汽缸沿 Z 轴移动在建立汽轮机模型时，适当的光照、材质和纹理的 使用，会使汽轮机模型在仿真场景中更加形象逼真地 显示，而且材质、纹理的使用，不但不会增加模型的多 边形数量，还能满足仿真时所要求的实时性以及逼真 性 很多时候，为了使纹理更贴近现实，原始图片需要 利用 Photoshop 图象处理软件进行纠正 、缩放、匹配处 理，转换为所需的纹理数据，其优点是使所建模型真实 感更强图 1 系统开发的过程虚拟维修仿真系统的组成模块虚拟维修仿真系统由虚拟场景的漫游模块和维修2. 4操作模块组成1) 虚拟场景的漫游模块 可以通过键盘实现场景 的全方位漫游，通过漫游可以使受训者熟悉汽轮机维 修车间，使其能到达汽轮机的各个维修部位 受训者在 场景中步行，可以前进、后退、向左、向右、向上、向下， 也可以倾斜着走，头部还可以向左转、向右转、抬头、低 头2) 维修操作模块 受训者使用鼠标点击选中维修 工具，然后点击需要使用该工具拆装的汽轮机零部件， 该工具就自动移动到该零部件上，然后用鼠标控制该 工具拆装该零部件 汽轮机正常运行时，支持轴承轴瓦 温度在 60 70 之间，回油温度在 55 65 之间，推 力轴承轴瓦的温度在 40 50 之间，轴瓦振动都小于65 m 如果仿真机上出现支持轴承轴瓦振动增大，瓦 温升高，回油温度升高; 推力轴承轴瓦的振动没有多大 变化; 转子的振动增大，根据故障和维修知识推断，应 该是某级叶片掉落 此处以高压末级叶片掉落为例，拆 卸 T 型叶根叶 片 的 过 程 是: 首 先，将销子端部用砂纸 打磨光亮，使销子与边界清晰 用圆规直接在销子端部 作图，找出销子中心 然后用冲头对准销子中心冲一个2. 3系统开发1) 首先，搜集汽轮机故障与维修的 资 料，汽 轮 机各个零部件自身的尺寸，它们之间的相互位置关系，零部件拆装顺序，相互约束关系等，维修工具的尺寸等2) 利用 Creator 软件建立汽轮机与维修工具的模 型，对于汽轮机需要单独拆卸的零部件，需要单独详细 建模，对于不需要拆装的零部件可以把几个零部件简 单建成 1 个整体，以减小模型占用计算机的容量，同时 加快人机交互的响应速度和提高系统开发的效率3) 在 Lynx Prime 图形界面加载汽轮机各个需要 拆装的零 部 件 时，每 个 需要拆装的零部件都在 Lynx Prime 图形界面中新建 1 个单独的 object 对象，并加载 到 Lynx Prime 图形界面里，以后可以使用 Vega Prime 的函数控制这些 object 物体的运动沈阳工程学院学报( 自然科学版) 310 第 8 卷孔，即为销子中心孔 钻孔时必须将钻头校正，为了防止孔钻偏，用板钻手工操作 当达到所要求的深度后， 可用比孔直径小 0. 2 mm 的冲子，用手捶将销子冲出 锁紧叶片销子取出后，将其与相邻叶片相连接的复环 拉筋锯断，用卡子卡住锁紧叶片的复环，以两侧相邻叶 片为支撑点，用螺栓将锁紧叶 片 拉 出 锁 紧 叶 片 拆 除 后，应在叶片槽内灌煤油，然后拆除其余叶片，因径向 紧力消失，只用紫铜棒敲击叶片，即能拆出3结论系统利用 M ultigen Creator 建立汽轮机三维模型，利用 Vega Prime 将三维模型加载到虚拟场景中，然后 进行参数的设 置，生 成 ACF 文 件，再 使 用 VC + + 和 Vega Prime 的函数进行程序的开发，再和仿真机建立 通讯，使它们相互联系用于汽轮机虚拟维修 将虚拟仿 真应用到汽轮机维修，通过虚拟维修仿真系统，让用户 亲自动手维修汽轮机，提高受训人员的维修水平 该系 统已经实现汽轮机某些部件维修的过程，并取得了很 好的效果参考文献1 王 乘，周 均 清，李 利 军 Creator 可视化仿真建模技术 M 武汉: 华中科技大学出版社，2005: 8 92 郝建平 虚拟维修仿真理论与技术M 北京: 国防工业出版社，2008: 19 203 韩中合，田松峰，马晓芳 火电厂汽轮机设备及运行 M武汉: 华中科技大学出版社，2005: 8 94 范岩萍，罗学科，杨方廷 基于 M ultigen Creator 的复杂飞机模型建模方法研究J 北方工业大学学报，2009，21( 3) 仿真的效果以汽轮机高压末级掉叶片故障为例进行分析 末 级叶片掉落后，应立即破坏真空紧急停机 需要拆卸汽 轮机上汽缸，更换叶片 首先，用鼠标单击选中汽缸螺 栓，再单击鼠标使螺栓移动; 然后，用鼠标单击选中汽 缸，再单击鼠标使汽缸向上移动 它们移动的速度、范 围已经在程序中设定好了 它们移动的方向、方式符合 实际，人机交互响应速度快，完成了预定的任务 仿真 的效果如图 2 所示2. 5图 2 汽轮机上汽缸拆卸Research on Virtual Maintenance Simulation System of Steam Turbine on the Basis of Multigen Creator and Vega Prime KANG Xing-ru1 ，LI Zhi2 ，WANG Sheng-hao2 ，ZHANG Xu2 ，GAO Xue-wei2( 1 Information science and engineering college，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China;2 Simulation Center，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)Abstract: The structure of the large capacity steam turbine is so complicated that it is difficult to carry out the trainingof maintenance technology In order to improve the maintenance level，it is needed to study virtual maintenance simula- tion system of steam turbine Researching on virtual maintenance simulation system of steam turbine on the basis of Multi- gen Creator and Vega Prime is put forward on the basis of the technology of virtual reality The 3D modeling technology on the basis of Multigen Creator，roaming in virtual scene and the implementation method human-computer interaction ofmaintenance process is analyzed The system has implemented the virtual maintenance on certain components