一种基于船舶柴油机的虚拟装配系统的制作方法

本发明属于船舶主推进装置的教学领域，涉及一种在脱离实验室的情况下可以让学生进行拆卸、安装训练以及对柴油机各部件工作流程的演示的系统，具体涉及一种基于船舶柴油机的虚拟装配系统。

背景技术：

船舶运输业是关系民生的国家重要战略性产业，船舶动力装置是船舶最核心的部分，其性能极大程度地影响了整个船舶的机动性能、安全性能，而船舶柴油机是当前船舶使用最为普遍的动力装置，常用柴油机的拆卸、检测、安装是轮机工程技术人员必须掌握的技能，也是大中专论及相关专业的核心课程。但是由于船舶柴油机体积大、零件多、造价昂贵、拆卸与安装工艺复杂，加之轮机专业学生人数较多。为了保证学员能满足课程要求，教师不仅需要对学员进行分组练习，还得针对船舶柴油机结构组成理论知识不足的学生进行反复演练。且柴油机在拆开后很难恢复精度，甚至会损坏零部件，教学成本太高，同时也存在安全隐患。

随着计算机技术的发展，计算机模拟仿真逐渐广泛应用于当今的航海领域，而虚拟装配技术作为计算机模拟仿真学科中应用于大型器械中的佼楚，被引进作为轮机学科的一项重要实践课程-船舶柴油机拆装课程中，在科研和教学方面都有着重要的作用。

近几年，国家对船舶运输业越来越重视，投入的力度也越来越大，随之而来的是轮机工程技术人才的紧缺，而这部分课程中最复杂的就是船舶柴油机的构造和拆、装过程。传统的船舶柴油机装配、维修课程的培训一直是理论教学与实践训练相结合。船舶柴油机造型巨大、结构复杂，拆装过程中除了要用到一些小型的套筒工具、梅花工具等，还需要用到起吊设备这样的大型工具，这使得实践教学的过程中隐藏着各种安全隐患，出于对学生人身安全的考虑，指导教师在带领实践课程时不得不采取各种防护措施以确保学生的安全，而且由于实践课程的特殊性，实训室只有在老师的带领下才会对外开放，这使得老师的授课受到很大的限制。加之实训室场地和培训时间的局限，装配器材老化、安全性低、人多设备少以及教辅人员匮乏、教学质量参查不齐等缺点，现阶段的船舶柴油机实践教学迫切需要研究一种新型的教学方式来解决上述问题。

传统的教学教师再带领学生进行现场教学，由教师将实船上用的普通柴油机拆卸、分解成各组零部件进行讲解，再重新进行安装，重复演示操作多次，最后才能够让学生进行拆卸、安装训练，存在较大安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种基于基于船舶柴油机的虚拟装配系统，可以使使用者不需要进入实验室去手动操作各部件就可以了解柴油机的结构，各部件的工作流程，而且虚拟装配技术具有高度的灵活性，将其应用到船舶主推进装置教学领域，可以大幅度的减少培训费用，提升教学和培训效果。该虚拟装配系统通过3dsmax建模软件建立需要拆装的柴油机具体模型，将建立好的模型导入unity3d中，制作出一个针对整套柴油机部件的拆装系统，用于船舶柴油机拆装培训教学中。

本发明的另一目的在于解决对拆装、维修培训课程的场地、器材、教师等教学资源的过度依赖问题，使学员能够在任意时间、任意地点进行装配模拟训练和自我检测，本发明将虚拟拆装技术融入到船舶柴油机装配训练的课程教学中，以船舶柴油机拆装训练实验室中r6250z型柴油机为模型，通过3dsmax软件建立船舶柴油机的三维模型及拆装动画，unity3d软件搭建虚拟装配系统的平台，使使用者既能了解掌握船舶柴油机的组成结构、拆装步骤和方法，同时还可以动手进行虚拟拆装的操作练习，让学生对船舶柴油机结构、拆装过程有一个全面的认识，为后续的现场实际操作减少损失、保障操作安全奠定基础，也极大地激发了学生的学习兴趣和求知欲，增强教学与实际相匹配的同时降低教学成本

因此本发明船舶柴油机虚拟装配系统的设计思路是：利用3dsmax软件制作还原三维模型，并根据实际装配操作中用到的工具以及拆装顺序模拟出拆装动画，通过unity3d搭建的虚拟装配平台实现人机交互。根据实体测量记录的数据及柴油机结构说明书，充分剖析柴油机结构、工作原理、装配关系和工艺标准以及要用到的工具，充分利用已有的技术资料，对不完整的技术资料作具体问题具体分析，给出合理的结构和技术数据，为零部件的实体造型和装配仿真提供依据。根据柴油机的平面设计图以及实体测量到的数据，使用三维建模软件3dsmax对柴油机机体各零部件进行三维实体建模，并精细到每一个小螺丝的创建。对设置完成的三维模型进行灯光、材质的渲染处理。根据柴油机各零部件的装配关系进行装配路径规划，动画生成以及零部件的动态三维显示。在unity3d中导入模型数据，并创建二维界面，实现人机交互。

本发明实现上述目的技术方案是：

一种基于船舶柴油机的虚拟装配系统，用于拆解和装配由3dsmax建模及渲染的三维柴油机模型，其特征在于：该虚拟装配系统主要由3dsmax建立柴油机模型，在unity3d中进行柴油机模型各零件实现拆装功能的设置，所述柴油机模型包括总装和多个子装配体，该虚拟装配系统主要包括结构认知模块、装配实训模块、导航模块；所述结构认知模块用于显示柴油机模型的总装和多个子装配体的爆炸图，当鼠标点击总装或多个子装配体的零件时，显示该零件的文字信息，所述文字信息包括名称，工作原理以及装配注意事项；所述装配实训模块包括拆装动画模块和动画控制模块，所述拆装动画模块用于显示总装和多个子装配体的装配图拆解过程，所述动画控制模块用于控制拆装动画模块处于初始状态、开始拆解或拆解结束返回，所述导航模块用于结构认知模块和装配实训模块之间的导航跳转。

作为改进，所述装配实训模块还包括装配工具模块，当鼠标点击柴油机模型的总装或其中一个子装配体时，用于显示拆解相应总装或子装配体所需要的拆解工具。

作为改进，所述导航模块包括初级界面和高级界面，所述初级界面为系统首页，包括结构认知模块和装配实训模块之间的切换，所述高级界面包括结构认知模块高级界面和装配实训模块高级界面，所述结构认知模块高级界面包括总装和各子装配体之间切换，并显示相应的爆炸图，所述装配实训模块高级界面包括总装和各子装配体之间相互切换以及动画控制界面和工具箱界面，动画控制界面用于显示和切换动画控制模块的控制按钮，工具箱界面用于显示或关闭装配工具模块。

作为改进，柴油机模型的多个子装配体分别为机体组、曲柄连杆、配气机构、燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动系统以及增压系统。

作为改进，所述燃油系统在3dsmax中建模时，该系统的燃油管道采用如下方式建模：首先根据燃油管道形状在三维空间中创建一条管道成型后的样条线，再创建一个圆柱体，运用扫描命令选中使用自定义截面单选项，拾取多边形截面，就可以完成任意形状的管道的创建。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.根据柴油机的cad图纸，以及实地测量，测算出柴油机机体主要零部件的尺寸，并据此在3dsmax中实现三维建模，如图3-4所示。详细分析了此柴油机的结构特点，并根据柴油机的拆装顺序及拆装工艺，设计了一套柴油机的拆装顺序及拆装路径。

2.结合3dsmax的三维建模及动画优势、unity3d的二维界面制作和交互性优势，实现了船舶柴油机指定路径的动态仿真，如图5-7所示。通过对船舶柴油机装配训练的模拟，为使用者提供了可视化操作和实现功能。

3.本发明创新性的通过3dsmax建模软件建立需要拆装的柴油机具体模型，将建立好的模型导入unity3d中，制作出一个针对整套柴油机部件的拆装系统，用于船舶柴油机拆装培训教学中，以期提升学员的动手能力，改善教学效果。

附图说明

图1是本发明的系统方案设计框图。

图2是本发明的系统流程图。

图3是采用3dsmax建立的燃油系统中喷油泵的模型图。

图4是采用3dsmax建立的曲柄连杆和缸套的模型图结构示意图。

图5是虚拟装配系统的系统首页初级界面示意图。

图6是装配实训模块下的装配实训模块高级界面示意图。

图7是装配工具模块的工具箱内展示的全部工具示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利作进一步说明。以燃油系统为例进行介绍。

一种基于船舶柴油机的虚拟装配系统，用于拆解和装配由3dsmax建模及渲染的三维柴油机模型，该虚拟装配系统主要由3dsmax建立柴油机模型，柴油机模型包括总装、机体组、曲柄连杆、配气机构、燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动系统以及增压系统。将三维柴油机模型转换为fbx格式导入到unity3d中，创造出一个船舶柴油机虚拟装配系统，在unity3d中进行柴油机模型各零件实现拆装功能的设置，所述柴油机模型包括总装和多个子装配体，该虚拟装配系统主要包括结构认知模块、装配实训模块、导航模块；所述结构认知模块用于显示柴油机模型的总装和多个子装配体的爆炸图，当鼠标点击总装或多个子装配体的零件时，显示该零件的文字信息，所述文字信息包括名称，工作原理以及装配注意事项；所述装配实训模块包括拆装动画模块和动画控制模块，所述拆装动画模块用于显示总装和多个子装配体的装配图拆解过程，所述动画控制模块用于控制拆装动画模块处于初始状态、开始拆解或拆解结束返回，所述导航模块用于结构认知模块和装配实训模块之间的导航跳转。

所述装配实训模块还包括装配工具模块，当鼠标点击柴油机模型的总装或其中一个子装配体时，用于显示拆解相应总装或子装配体所需要的拆解工具。

所述燃油系统在3dsmax中建模时，该系统的燃油管道采用如下方式建模：首先根据燃油管道形状在三维空间中创建一条管道成型后的样条线，再创建一个圆柱体，运用扫描命令选中使用自定义截面单选项，拾取多边形截面，就可以完成任意形状的管道的创建。

所述的船舶柴油机的虚拟装配系统流程图如图2所示。船舶柴油机的虚拟装配系统的设计从需求分析入手，根据柴油机的结构特点设计各个功能模块。由于船舶柴油机零部件很多，装配体也比较复杂，而且有些子装配体的部分零件之间在总装中是可以相对运动，但在子装配体中却不能进行相对运动（例如，在实际生产中，通常是将连杆组件和十字头组件装配在一起，再进行总装的），因此，在子装配体的分配过程中，没有完全实现将相互之间能够运动的零部件放在一个子装配体中。生成爆炸图则是为了直观地表达出各零部件之间的装配关系与意图，按照实际的拆装顺序，先拆卸的零件先爆炸。爆炸的方向，可通过选择子装配体中零件的三维坐标或零件的平面、边线等特征来确定，爆炸的距离则可以输入距离值来确定，以能看清各零件的结构为宜。装配实训动画以装配体中的曲柄连杆和燃油系统两个部分为例说明，每一个子装配体又分为几个二级子装配体来实现拆装的动画。

所述的建立的柴油机模型如图3-4所示。图3是燃油系统总成部分建模。燃油系统的部分看似复杂，但是把模型拆分来看，都是由许多重复性的小模型构成的，我们可以根据之前创建的螺丝螺母等零部件，通过移动、缩放、旋转，再配合一些规则的几何体，运用挤出倒角轮廓以及网格平滑等多边形建模命令，调整出所需要的模型。这里特别强调一下燃油管的建模，以及后面需要用到的管道的建模管道是一个随意性较强的模型，因其走向复杂，且柴油机中用到的管道众多，若是采用常规的“基本几何体”建模中的“管道”命令，不仅需要添加多个弯曲命令才能配合出其他的零部件所需大小及弯曲程度和方向，而且这种方法占用计算机内存大，费时费力。因此，直接使用样条线建模方式进行管道的铺设。首先根据待建模的燃油管道形状在三维空间中创建一条管道成型后的样条线，再创建一个圆柱体，运用“扫描”命令选中“使用自定义截面”单选项，拾取多边形截面，就可以完成任意形状的管道的创建。

图4是曲柄连杆和缸套部分的建模。气缸套置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定，与缸盖、活塞共同构成气缸工作空间。由于气缸套和活塞环的部分有一圈圈的密封垫和定位环，且每一个都有其固定的位置，因此用不同的颜色加以区分。这部分的结构比较简单，都是由一个个小的零件模型构成，通过多边形模型的挤出倒角轮廓等命令就可以轻松得到。

所述的在unity3d中制定好的交互功能如图5-7所示。虚拟装配系统主要由结构认知模块和装配实训模块两大部分构成，结构认知模块和装配实训模块两大部分通过导航模块相互切换，这两大部分又分别对柴油机的其他装配体创建了单独演示和操作的虚拟环境。由于船舶柴油机结构复杂，装配体众多，为了提供给用户良好的体验感，所述导航模块包括初级界面和高级界面，所述初级界面为系统首页，包括结构认知模块和装配实训模块之间的切换，所述高级界面则是装配体虚拟环境的操作界面，高级界面包括结构认知模块高级界面和装配实训模块高级界面，所述结构认知模块高级界面包括总装和各子装配体之间切换，并显示相应的爆炸图，所述装配实训模块高级界面包括总装和各子装配体之间相互切换以及动画控制界面和工具箱界面，动画控制界面用于显示和切换动画控制模块的控制按钮，工具箱界面用于显示或关闭装配工具模块。从初级界面的结构认知模块按钮和装配实训模块按钮可分别进入相应的结构认知模块高级界面和装配实训模块高级界面，所述结构认知模块高级界面和装配实训模块高级界面均主要包括总装、机体组、曲柄连杆、配气机构、燃油系统、冷却系统、润滑系统、启动系统和增压系统九大装配体，如图6所示。其中，从结构认知模块按钮进入的虚拟操作界面，会出现总装和各子装配体的爆炸图，当鼠标触发到子装配体的某个零件时，会自动出现该零件的名称，工作原理以及装配注意事项。当从装配实训模块按钮进入装配实训模块高级界面时，则会出现总装和各子装配体的拆卸及装配动画，点击相应的总装或各子装配体时，装配工具模块显示拆解或装配体所需要相应的拆解工具，并出现文字说明。

学习方式一方面是观看完整的拆分演示动画。首先由柴油机整体模型锁定部件的具体位置，然后将该部件拆分成细部构建。整个装配实训模块的动画播放可通过动画控制模块进行控制，方便学生反复观看，随时暂停。在拆装的过程中，当拆卸到某一个零件时，会自动显示该零件的名称、用途以及装配注意事项。

装配实训需要柴油机的拆卸过程演示、组装过程演示、重点功能原理的动画演示。通过程序控制发动机的零件逐一分解，自动播放动画，期间可以控制暂停、快进和后退动画播放。点击某个正在拆卸的零件，进入三维观察模式，并且显示该零件的相关信息和装配时的注意事项等等。