基于VR技术的抽油机设计与制造的应用研究

摘要： 随着VR（虚拟现实）技术的发展，其广泛应用在各个领域如教育、军事、娱乐、工业等。虚拟现实是指利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者能够及时、没有限制地观察三度空间内的事物。本文应用VR技术完成了抽油机整机的虚拟装配、实时碰撞检测、装配工艺规划，解决了在动态仿真过程中齿轮运动模拟、驴头、游梁总成、吊臂等运动模拟、抽油绳的运动模拟，最终完成了抽油机整机的三维视景仿真过程。

Abstract： With the development of VR （Virtual Reality） technology， which is widely used in various fields such as education， military， entertainment industry. Virtual reality is the use of computer simulation to generate a three-dimensional virtual world， providing users simulate visual， auditory， tactile and other sensory， allowing users to timely， there is no limit to observe things in three dimensions. In this paper， VR technology to complete the assembly of the pumping unit of the virtual machine， real-time collision detection， assembly process planning， to solve the motion simulation gear motion simulation， horse head， swim beam assembly， boom， etc. In the dynamic simulation process， pumping oil motion simulation rope， finally completed the three-dimensional visual simulation process pumping machine.

关键词： VR技术；虚拟装配；抽油机

Key words： virtual reality technology；virtual assembly；pumping unit

中图分类号：TE933 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）19-0037-03

0 引言

随着VR（虚拟现实）技术的发展，其广泛应用在各个领域如教育、军事、娱乐、工业等。由于成本的计算，在机械行业的应用价值已被众人所关注。该技术通过利用计算机硬件和软件资源的集成技术，能够创造一种虚拟环境（Virtual Environment）[1]，这种环境是实时的、三维的，使用者不仅可以在这个虚拟环境里听见声音，还能够进行一些操作。现代机械行业已将制造周期短、成本低作为现代制造企业在激烈的市场竞争中取胜的关键[2]。

1 抽油机的整机虚拟装配

1.1 虚拟装配 抽油机虚拟装配的关键技术有很多种，比如装配干涉检验[3]，虚拟装配的建模等。抽油机的零部件较多，考虑装配效率的问题需要现在UG中进行初步装配。

本论文中采用虚拟装配仿真平台VAPlatform实现虚拟场景中的虚拟装配交互、实施碰撞检测与响应分析。

1.1.1 抽油机虚拟装配准备文件的建立 只有把各项准备文件都建好，才能保证抽油机的整机虚拟装配过程顺利进行。其结果如下：

①先把零件模型（*.stl格式）从UG中导出来，然后改变它的格式，把*.stl格式变成*.stla或*.stlb。其中stl文件的文本格式是*.stla，而stl文件的的二进制格式是*.stlb。②利用UGPort程序把装配模型读取出来，然后把模型相关的一些信息保存成产品信息文件（*.mif格式），比如装配模型的层次关系、零部件信息、几何约束信息，零件的拓扑和几何信息等。③为了得到精确的生成零件模型（*.cdm格式），应该使用系统提供的工具进行生成。④采用系统提供的新建功能就可以得到初始仿真文件（*.ave），在这个过程中需要遵守文件生成向导的要求。

1.1.2 零部件实时碰撞检测的研究与实现 实时碰撞检测是在虚拟装配环境中，用户对零部件操作时的虚拟手和模型之间、模型和模型之间、模型和环境之间的实时干涉检查计算。实时碰撞检测是进行虚拟装配的前提，它是干涉检测的主要内容，能够有效的提高虚拟环境的真实性和沉浸感[4]。

现阶段，层次包围体树法是最常用的一种碰撞检测算法。层次包围体树法是对两个物体做碰撞检测时，如果发现这两者的包围盒是不相交的，就能够说明这两个物体没有相交，此外需要对物体进行第二次检测[5]。有很多种包围盒类型，比如固定方向凸包（fixed direction convex hull）、包围球（spheres）、方向包围盒OBB（oriented bounding boxs）等[6]。

在建构物体层次包围体树的过程中可以采取自顶向下的方式，也能够采取自底向上的方式。这种检测方式，比较常见的是基于OBB层次包围盒树的算法。这种方法具有很大的方向任意性[7]。

在这种背景下，本文以采用抽油机横梁的装配讲述了是怎样实现在虚拟环境中的碰撞检测的。在虚拟环境中，零件完成零件模型的加载有两种方式，一是自动排列，二是手动添加。虚拟手如果想添加到虚拟环境中，可以通过利用鼠标左键抓取想要选择的对象，然后当虚拟手和零件两者之间发生碰撞时操作对象的颜色会发生变化，变成黄色，一旦抓取的对象确定了，就可以进行相关的装配操作了。检验碰撞检测是否达到目的可以通过在两个零件发生碰撞时是否变成红色来检验，如果变成红色则表示达到目的了（如图2）。如果虚拟手抓取一个对象碰撞另一个没有进行装配的对象时，会出现约束提示，此时要想完成装配必须先把这些约束确认完毕（如图3）。如图4所示如果必要还可以生成装配过程评审报告，分析这个报告可以发现，哪些是必然干涉的、哪些是因为操作不当引起的。

1.1.3 虚拟装配工艺规划 现阶段我国对装配工艺方面的研究还比较少，一般认为虚拟装配工艺规划包括装配路径规划和装配序列规划等内容。近年来，我国的有关单位和部门对此进行了研究，发现了一种新的基于仿真拆卸的人机交互装配工艺规划方法[8]。

在UG中把抽油机整机装配模型建好是基础，然后依据自身的经验，对每个元件进行拆除，并且把拆除的过程记录下来，之后确定关键点，在这个过程中应该参考零部件的初始位置和最终位置矩阵，通过合理控制这些关键点就能够进行元件是否可拆卸的判断。拆卸结束按顺序求逆得到装配序列，就实现了抽油机整机的虚拟装配。

1.2 抽油机虚拟装配总装的实现 组成抽油机的主要部件是以下几种：连杆、支架、游梁总成、曲柄、底座、吊臂、横梁、电动机装置和刹车装置等。

图5所示的一些因素是能够影响抽油机的整机装配的精确度的主要因素，为了可以提高装配精度，在装配的过程中需要以这两个中心为基准进行装配。

按照上文所述方法，在虚拟装配仿真平台VAPlatform上完成了抽油机的总装。装配过程通过利用虚拟装配技术就可以实现可视化，如此能够有效的改变产品的传统设计和制造模式。

2 抽油机运动仿真的建立

抽油机整体运动包括以下四种，分别是曲柄连杆运动、吊绳的运动、齿轮箱内齿轮啮合运动、驴头游梁总成吊臂的运动。

2.1 抽油机中齿轮运动仿真建立 如果可以在齿轮箱的上箱盖设置一定的透明度，能够有效的增加运动的真实感，如图6 所示。实现这个目的是通过利用3Dmax强大的制作动画功能，然后结合抽油机在现场工作时的一些实际情况，并设置一定的帧数实现的。

2.2 驴头、游梁总成、吊臂等运动仿真建立 在设置曲柄连杆的运动时，利用动画中路径约束选项，连杆的运动可以以与区并连接的轴心作为中心，以曲柄为直径做圆，连杆与曲柄接触的一头做圆周运动，可以得出连杆一端的近似运动轨迹如图7所示。从图8可以看出连杆整体做的是复合运动。通常把驴头、游梁总成、吊臂命名为驴头组，调整驴头组的坐标，选择层次中仅影响轴，调整到游梁连接的中心位置再设置选择并旋转，点击自动关键帧设置动画。其运动轨迹如图9所示。

2.3 吊绳的运动仿真建立 对于抽油机来说，吊绳的运动仿真建立具有非常重要的作用，具体的设置步骤包括以下三步：

①创建吊绳，画样条线，拉伸出一定尺寸的粗绳。

②右键点击拉伸体选中转换为――点击转换为可编辑多边形。

③在确定关键帧时需要考虑到驴头运动的实际情况，然后对多边形中各点的位置进行调整和编辑。

3 结论

应用VR技术已经解决了机械产品的设计周期与成本的根本问题。应用虚拟装配技术，人们可以在虚拟环境中完成机械产品的装配，并对其性能和可装配性等进行评价[9]，本系统从零件的模型建起，先后在UG、VAPlatform中完成了抽油机整机的设计虚拟装配，装配过程中的实时碰撞检测，完成了交互式的设计方法，以及整个抽油机的运动仿真的建立，注重细节尺寸，完整的体现了抽油机运功过程的虚拟展现。

参考文献：

[1]K.Kamen，S.Tomoyuki，Designandsimulationofinteractive3D

computergames，Comput.Graphics22（2-3）（1998）281-300.

[2]孙福臻，阎勤劳，单忠德等.机械虚拟现实技术的应用与发展[J].机械设计与制造，2010，5：264-266.

[3]JAYARAM S， CONNACHER H I.Virtual assembly using virtual reality techniques[J].Computer Aided Design，1997，29（8）： 575 -584.

[4]范昭炜.实时碰撞检测技术研究[D].浙江大学，2003，10.

[5]Moore M，Wilhelms J.Collision Detection and Response for Computer Animation [A]. ACMSiggraph [C]. 1988，22（4）：289-298.

[6]石教英.虚拟现实基础及实用算法[M].北京：科学出版社，2002：216-234.

[7]胡新根，虚拟装配中实时碰撞检测方法研究[J].科技广场，2008（1）：133-135.

[8]A. Abraham， W. Zhiping， VRDD： applying virtual reality visualization to protein docking and design， J. Mol. Graphics Model.1999，17（3-4）：180-186.

[9]Helmut Haase，Symbiosis of Virtual Reality and Scientific Visualization System，J. Eurographics Association Volume 15 （1996）443-451.