一種tbm虛擬裝配系統的製作方法
2023-09-16 09:58:30 1
專利名稱：一種tbm虛擬裝配系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及TBM應用領域，尤其涉及一種TBM虛擬裝配系統。
背景技術：
TBM是國務院確定的振興民族裝備製造業16項重點扶持的重大項目之一，國家在先進位造領域重點扶持TBM的研究與開發，以製造樣機和進行工程試用為目標，爭取在2015年實現系列化和產業化。而在TBM的各種研究中，進行實物樣機試驗的效果雖然好但是周期長並且成本高。相對於實物試驗，虛擬裝配試驗具有成本低等優點。因此，建立起具有虛擬仿真功能並具有自主智慧財產權的TBM功能仿真平臺是非常有意義的，可以為實際裝配過程提供非常良好的輔助功能。並且可以一定程度上為TBM裝配操作人員提供具有視覺沉浸感的施工培訓平臺。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於虛擬試驗及操作培訓的TBM虛擬裝配系統。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下一種TBM虛擬裝配系統，包括立體投影系統和操作控制臺所述操作控制臺與所述立體投影系統相連；所述的立體投影系統，包括圖形工作站、立體轉換器和虛擬實境顯示裝置，所述立體轉換器和虛擬實境顯示裝置分別和所述圖形工作站相連，所述操作控制臺和所述的圖形工作站相連；所述圖形工作站是載有虛擬仿真主模塊的圖形工作站；所述的操作控制臺上設置有控制所述的虛擬仿真主模塊的控制按鈕；所述的虛擬仿真主模塊，包括立體模型庫、立體驅動引擎、資料庫和人機互動模塊；所述立體模型庫是存儲有環境立體模型與掘進機立體模型的立體模型庫，所述立體驅動引擎是用來驅動立體模型的立體驅動引擎，所述資料庫是用來存儲掘進機設備零件參數和部件信息的資料庫，所述人機互動模塊是用來接受輸入與展示輸出的人機互動模塊；所述的人機互動模塊，還用於接受所述零件參數和部件信息，並將接收到的所述零件參數和部件信息存入所述的資料庫；還用於接受所述的操作控制臺發出的指令，並調用所述資料庫中的所述零件參數和部件信息，並將該零件參數和部件信息和該指令一併發送給所述的立體驅動引擎；所述的立體驅動引擎，還用於調用並展現所述的立體模型庫中的立體模型；所述的立體驅動引擎，還用於將接收到的零件參數和部件信息賦予所述的立體模型，並根據所述的指令完成動態展示；所述的立體轉換器，用於將所述的立體模型轉換為可用於被動立體顯示的圖像並輸出到所述虛擬實境顯示裝置；所述虛擬實境顯示裝置，用於將立體轉換器轉換得到的可用於被動立體顯示的圖像展現出來。優選的，所述虛擬實境顯示裝置包括兩臺分別和所述立體轉換器相連的、帶有偏振光立體投影鏡頭的投影儀和金屬立體投影幕。優選的，所述的立體模型採用的數據格式為Open Flight。優選的，所述的立體驅動引擎為一個多通道的可視化資料庫處理與渲染系統；所述可視化資料庫的根處有一個場景節點，用來接收來自所述的人機互動模塊的信息；所述的場景通過一條渲染通道觀看，所述一條渲染通道通過一條管道渲染到一個屏幕窗口上，每條管道或渲染流水線渲染一個或多個窗口，每個窗口僅與一條渲染流水線相關。優選的，在所述的操作控制臺上的控制按鈕包括掘進機的盾尾後端部的拆卸和裝配按鈕，拼裝機導軌拆卸和裝配按鈕，運料小車拆卸和裝配按鈕，盾尾中端部拆卸和裝配按鈕，連接架拆卸與裝配控制按鈕，管片的拆卸和裝配按鈕，尾盾的拆卸和裝配按鈕，拼裝機的拆卸和裝配按鈕，工作檯架子的拆卸和裝配按鈕，中盾的拆卸和裝配按鈕，前盾的拆卸和裝配按鈕，以及刀盤驅動齒輪的拆卸和裝配按鈕；所述的各按鈕分別連接信號發生電路，所述信號發生電路發生的控制信號通過RS232接口輸送給所述圖形工作站。優選的，所述的人機互動模塊包括零部件庫建立模塊，用於TBM的各個部件的詳細信息的建立、修改和查詢；所述詳細信息包括=TBM零部件參數、材料、數目和裝配順序信息；驅動部件控制模塊，用於根據接收到的信號調用立體驅動引擎驅動掘進機立體模型的相關部件；通道選擇模塊，用於通道之間的轉換，以使用戶可以在不同角度觀察TBM的裝配過程；裝配工藝模塊，用於對TBM的裝配順序和裝配工藝過程進行規劃，以得出最合理的裝配工藝；單片機埠控制模塊，用於單片機與其他設備之間的通信；刀盤裝配與拆卸控制模塊，用於刀盤的裝配和拆卸操作；前盾和中盾裝配與拆卸控制模塊，用於前盾和中盾的拆卸和裝配操作；尾盾和拼裝機裝配與拆卸控制模塊，用於尾盾和拼裝機的拆卸與裝配操作；後配套臺車I裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車I的拆卸與裝配操作；後配套臺車2裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車2的拆卸與裝配操作；後配套臺車3裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車3的拆卸與裝配操作。優選的，所述的詳細信息還包括零部件名稱、零件的生產者、零件的生產部門、部件的裝配部門、裝配操作人員、檢查人員以及備註信息。優選的，所述的虛擬仿真主模塊還包括單片機控制模塊，用於在虛擬裝配仿真過程中實現TBM的人機互動作用。本發明的有益效果是用戶可通過本系統在虛擬實境環境中實現具有沉浸感的模擬TBM真實裝配情況，進行TBM裝配過程的動態仿真。本系統可以為TBM裝配過程的動態進展以虛擬實境的方式提供良好展示，可以為裝配人員提供擬實性遠好於工藝規劃文件的工程作業輔助，這對於TBM裝配過程來說是非常有意義的。另外，本系統並可用於對TBM操作手進行虛擬操作培訓。本發明基於虛擬實境技術並應用通用開發工具開發了具有自主智慧財產權的具有高級人機互動功能的TBM虛擬裝配仿真系統。該系統可以模擬真實的裝配過程，進行TBM裝配過程仿真並可用於對TBM裝配操作人員進行虛擬操作培訓。相比在實際裝配過程中對操作人員的裝配培訓，本發明具有成本低且培訓方便的優點。
圖1是本發明的TBM虛擬裝配系統的硬體連接圖；圖2是本發明的TBM虛擬裝配系統的虛擬仿真主程序的原理框圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式
僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明的TBM虛擬裝配系統，包括立體投影系統和操作控制臺所述操作控制臺與所述立體投影系統相連；所述的立體投影系統，包括圖形工作站、立體轉換器和虛擬實境顯示裝置，所述立體轉換器和虛擬實境顯示裝置分別和所述圖形工作站相連，所述操作控制臺和所述的圖形工作站相連；所述圖形工作站是載有虛擬仿真主模塊的圖形工作站；所述的操作控制臺上設置有控制所述的虛擬仿真主模塊的控制按鈕；所述的虛擬仿真主模塊，包括存儲有環境立體模型與掘進機立體模型的立體模型庫、用來驅動立體模型的立體驅動引擎、用來存儲掘進機設備零件參數和部件信息的資料庫和用來接受輸入與展示輸出的人機互動模塊；所述的人機互動模塊，用於接受所述零件參數和部件信息，並將接收到的所述零件參數和部件信息存入所述的資料庫；還用於接受所述的操作控制臺發出的指令，並調用所述資料庫中的所述零件參數和部件信息，並將該零件參數和部件信息和該指令一併發送給所述的立體驅動引擎；所述的立體驅動引擎，用於調用並展現所述的立體模型庫中的立體模型；所述的立體驅動引擎，還用於將接收到的零件參數和部件信息賦予所述的立體模型，並根據所述的指令完成動態展示；所述的立體轉換器，用於將所述的立體模型轉換為可用於被動立體顯示的圖像並輸出到所述虛擬實境顯示裝置；所述虛擬實境顯示裝置，用於將立體轉換器轉換得到的可用於被動立體顯示的圖像展現出來。所述虛擬實境顯示裝置包括金屬立體投影幕、兩臺分別和所述立體轉換器相連的、帶有偏振光立體投影鏡頭的投影儀。所述的立體模型採用的數據格式為Open Flight。所述的立體驅動引擎為一個多通道的可視化資料庫處理與渲染系統；所述可視化資料庫的根處有一個場景節點，用來接收來自所述的人機互動模塊的信息；所述的場景通過一條渲染通道觀看，所述一條渲染通道通過一條管道渲染到一個屏幕窗口上，每條管道或渲染流水線渲染一個或多個窗口，每個窗口僅與一條渲染流水線相關。在所述的操作控制臺上的控制按鈕包括掘進機的盾尾後端部的拆卸和裝配按鈕，拼裝機導軌拆卸和裝配按鈕，運料小車拆卸和裝配按鈕，盾尾中端部拆卸和裝配按鈕，連接架拆卸與裝配控制按鈕，管片的拆卸和裝配按鈕，尾盾的拆卸和裝配按鈕，拼裝機的拆卸和裝配按鈕，工作檯架子的拆卸和裝配按鈕，中盾的拆卸和裝配按鈕，前盾的拆卸和裝配按鈕，以及刀盤驅動齒輪的拆卸和裝配按鈕；所述的各按鈕分別連接信號發生電路，所述信號發生電路發生的控制信號通過RS232接口輸送給所述圖形工作站。所述的人機互動模塊包括零部件庫建立模塊，用於TBM的各個部件的詳細信息的建立、修改和查詢；所述詳細信息包括=TBM零部件參數、材料、數目和裝配順序等信息；通道選擇模塊，用於通道之間的轉換，以使用戶可以在不同角度觀察TBM的裝配過程；裝配工藝模塊，用於對TBM的裝配順序和裝配工藝過程進行規劃，以得出最合理的裝配工藝；單片機埠控制模塊，用於單片機與其他設備之間的通信；刀盤裝配與拆卸控制模塊，用於刀盤的裝配和拆卸操作；前盾和中盾裝配與拆卸控制模塊，用於前盾和中盾的拆卸和裝配操作；尾盾和拼裝機裝配與拆卸控制模塊，用於尾盾和拼裝機的拆卸與裝配操作；後配套臺車I裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車I的拆卸與裝配操作；後配套臺車2裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車2的拆卸與裝配操作；後配套臺車3裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車3的拆卸與裝配操作。這些模塊是用戶可以編輯的，用戶在使用過程中如果發現零部件的信息不完整或者是零部件的信息存在錯誤，可以及時更正。所述的裝配工藝模塊是採用虛擬環境不斷模擬裝配過程，使用不同的數學算法，可以規劃不同的裝配工藝，通過比較不同裝配工藝，可以得出最合理的裝配過程。所述的通道選擇模塊是在建立TBM的虛擬裝配場景時，建立不同的渲染通道，這樣通過該模塊之間的切換，用戶可以切換不同的視角觀察裝配過程。所述的單片機埠控制模塊被打開時，當接收到單片機發送的數據信號時，可以調用虛擬裝配程序中的裝配或者拆卸程序，進行TBM的拆卸和裝配，用戶可以通過控制不同的按鍵觀察TBM的裝配過程。刀盤裝配與拆卸控制模塊主要是控制刀盤的各個零件的裝配與拆卸，通過點擊不同的按鈕可以控制刀盤的各個零部件如刀盤連接齒輪、刀盤驅動齒輪、長臂刀組、中臂刀組等進行拆卸與裝配運動。前盾和中盾裝配與拆卸控制模塊主要負責中盾外殼、連接片等零部件的拆卸和裝配運動。尾盾與拼裝機裝配與拆卸模塊主要負責拼裝機弔頭、支撐環、拼裝機導軌等零部件的拆卸與裝配運動。後配套臺車I裝配與拆卸控制模塊主要負責各種管道、控制櫃等零部件的拆卸與裝配運動。後配套臺車2拆卸與裝配控制模塊主要負責管道1、管道2、組合體、儲氣罐、氣壓控制櫃以及電氣控制櫃的仿真控制；後配套臺車3控制模塊包括管架組合體、管道、電氣設備1、連接管、液壓罐、梁家、控制櫃1、電氣設備2、控制櫃2以及底板。所述的詳細信息還包括零部件名稱、零件的生產者、零件的生產部門、部件的裝配部門、裝配操作人員、檢查人員以及備註信息。所述的虛擬仿真主模塊還包括單片機控制模塊，用於在虛擬裝配仿真過程中實現TBM的人機互動作用。所述的單片機控制模塊接受操作者的指令，調用虛擬裝配程序中的驅動埠的程序控制TBM進行拆卸和裝配，在拆卸和裝配的過程中，操作者可以通過屏幕清晰的觀察到TBM的各個零部件的運動軌跡，還可以調用裝配工藝模塊記錄不同的裝配方法所產生的裝配路徑。所述的裝配工藝模塊在裝配的過程中，裝配人員根據自己裝配經驗及其工藝規劃經驗，規劃不同的裝配路徑同時通過虛擬裝配軟體模擬各種裝配路徑在現實場景中的過程，並進行評估對比，從而可以得出合理的裝配規劃工藝。參見附圖1，本發明的TBM虛擬裝配系統包括圖形工作站I，在圖形工作站I上連接有操作控制臺2和立體轉換器3，在立體轉換器3上連接有兩臺帶有偏振光立體投影鏡頭的投影儀4，在投影儀4的前方設置有用於接受投影的金屬立體投影幕5。在所述的操作控制臺2上設置有控制按鈕，各個控制按鈕在不同的控制模塊對應不同的功能，如刀盤控制模塊其主要控制的是刀盤各個零部件的運動、在後配套系統模塊選擇不同的後配套臺車模塊，可以控制不同臺車的零部件的拆卸和裝配操作；主機啟、停按鈕，各按鈕分別產生一個電信號，並經A/D轉換成數位訊號通過RS232接口輸送給圖形工作站，由安裝在圖形工作站上的人機互動模塊中的驅動部件控制模塊接收，驅動部件控制模塊根據接收到的信號調用立體驅動弓I擎驅動掘進機立體模型的相關部件。參見附圖2，為本發明的虛擬仿真主模塊的原理框圖，通道轉換模塊根據用戶的指令切換不同的視角觀察TBM的裝配和拆卸仿真過程，刀盤控制模塊、前盾和中盾控制模塊、盾尾和拼裝機控制模塊、後配套系統模塊(後配套臺車I控制模塊、後配套臺車2控制模塊、後配套臺車3控制模塊)根據用戶的指令控制不同零部件裝配和拆卸過程，驅動部件控制模塊接受操作控制臺的指令，調用模型資料庫中的各種DOF節點，並將該指令和DOF節點一起傳輸給立體驅動引擎，立體驅動引擎將DOF節點賦給TBM立體模型，然後根據指令完成相應的操作，包括整機拆卸和裝配控制，刀盤、前盾和中盾的拆卸裝配控制，尾盾和拼裝機的拆卸和裝配控制，後配套系統各個部件的拆卸和裝配控制；TBM零部件資料庫模塊可以根據用戶的指令將各個部件的零件信息存入資料庫，可以為各個部件的裝配過程提供依據；裝配工藝規劃模塊可以根據用戶的指令為了 TBM的各個部件的裝配和拆卸過程進行裝配工藝的規劃，指導操作者的裝配過程。整機和各個部件的裝配與拆卸過程，可由一個節點變量控制，例如刀盤部件的拆卸過程中，各個零件在程序中可以由一個自由度節點變量D0F(x、y、z、h、p、r)控制,刀盤各個零件的移動主要是靠x這個動態數值實現的,通過VC中循環程序的調用，來實現零件的移動過程。最後，操作者可以查看不同的裝配工藝過程，通過不同的嘗試得出符合生產實際的裝配工藝，同時為生產實際提供一定的指導作用。本發明的立體模型採用Open Flight格式，該格式下每一個模型都有一個組節點(Group node)，該組節點包含該模型的一切信息，包括形狀、光照、材質、自由度等。建立幾何模型後，需要為模型添加材質。Open Flight數據格式的幾何模型由多邊形構建，允許在每個面上添加不同的材質，在不增加整體模型多邊形數量的前提下，提高模型真實度，並且使模型整體上更有層次感。TBM(Tunnel Boring Machine)隧道掘進機,是利用迴轉刀具開挖，同時破碎洞內圍巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械；RS232是一種串行通信接口。通過採用本發明公開的上述技術方案，得到了如下有益的效果用戶可通過本系統在虛擬實境環境中實現具有沉浸感的模擬TBM真實裝配情況，進行TBM裝配過程的動態仿真。本系統可以為TBM裝配過程的動態進展以虛擬實境的方式提供良好展示，可以為裝配人員提供擬實性遠好於工藝規劃文件的工程作業輔助，這對於TBM裝配過程來說是非常有意義的。另外，本系統並可用於對TBM操作手進行虛擬操作培訓。本發明基於虛擬實境技術並應用通用開發工具開發了具有自主智慧財產權的具有高級人機互動功能的TBM虛擬裝配仿真系統。該系統可以模擬真實的裝配過程，進行TBM裝配過程仿真並可用於對TBM裝配操作人員進行虛擬操作培訓。相比在實際裝配過程中對操作人員的裝配培訓，本發明具有成本低且培訓方便的優點。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，包括立體投影系統和操作控制臺所述操作控制臺與所述立體投影系統相連；所述的立體投影系統，包括圖形工作站、立體轉換器和虛擬實境顯示裝置，所述立體轉換器和虛擬實境顯示裝置分別和所述圖形工作站相連，所述操作控制臺和所述的圖形工作站相連；所述圖形工作站是載有虛擬仿真主模塊的圖形工作站；所述的操作控制臺上設置有控制所述的虛擬仿真主模塊的控制按鈕；所述的虛擬仿真主模塊,包括立體模型庫、立體驅動引擎、資料庫和人機互動模塊； 所述立體模型庫是存儲有環境立體模型與掘進機立體模型的立體模型庫，所述立體驅動引擎是用來驅動立體模型的立體驅動引擎，所述資料庫是用來存儲掘進機設備零件參數和部件信息的資料庫，所述人機互動模塊是用來接受輸入與展示輸出的人機互動模塊；所述的人機互動模塊，還用於接受所述零件參數和部件信息，並將接收到的所述零件參數和部件信息存入所述的資料庫；還用於接受所述的操作控制臺發出的指令，並調用所述資料庫中的所述零件參數和部件信息，並將該零件參數和部件信息和該指令一併發送給所述的立體驅動引擎；所述的立體驅動引擎，還用於調用並展現所述的立體模型庫中的立體模型；所述的立體驅動引擎，還用於將接收到的零件參數和部件信息賦予所述的立體模型，並根據所述的指令完成動態展示；所述的立體轉換器，用於將所述的立體模型轉換為可用於被動立體顯示的圖像並輸出到所述虛擬實境顯示裝置；所述虛擬實境顯示裝置，用於將立體轉換器轉換得到的可用於被動立體顯示的圖像展現出來。
2.根據權利要求1所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，所述虛擬實境顯示裝置包括兩臺分別和所述立體轉換器相連的、帶有偏振光立體投影鏡頭的投影儀和金屬立體投影幕。
3.根據權利要求1所述的TBM虛擬施工系統，其特徵在於，所述的立體模型採用的數據格式為 Open Flight。
4.根據權利要求1所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，所述的立體驅動引擎為一個多通道的可視化資料庫處理與渲染系統；所述可視化資料庫的根處有一個場景節點，用來接收來自所述的人機互動模塊的信息；所述的場景通過一條渲染通道觀看，所述一條渲染通道通過一條管道渲染到一個屏幕窗口上，每條管道或渲染流水線渲染一個或多個窗口， 每個窗口僅與一條渲染流水線相關。
5.根據權利要求1所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，在所述的操作控制臺上的控制按鈕包括掘進機的盾尾後端部的拆卸和裝配按鈕，拼裝機導軌拆卸和裝配按鈕，運料小車拆卸和裝配按鈕，盾尾中端部拆卸和裝配按鈕，連接架拆卸與裝配控制按鈕，管片的拆卸和裝配按鈕，尾盾的拆卸和裝配按鈕，拼裝機的拆卸和裝配按鈕，工作檯架子的拆卸和裝配按鈕，中盾的拆卸和裝配按鈕，前盾的拆卸和裝配按鈕，以及刀盤驅動齒輪的拆卸和裝配按鈕；所述的各按鈕分別連接信號發生電路，所述信號發生電路發生的控制信號通過RS232 接口輸送給所述圖形工作站。
6.根據權利要求1所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，所述的人機互動模塊包括零部件庫建立模塊，用於TBM的各個部件的詳細信息的建立、修改和查詢；所述詳細信息包括TBM零部件參數、材料、數目和裝配順序信息；驅動部件控制模塊，用於根據接收到的信號調用立體驅動引擎驅動掘進機立體模型的相關部件；通道選擇模塊，用於通道之間的轉換，以使用戶可以在不同角度觀察TBM的裝配過程； 裝配工藝模塊，用於對TBM的裝配順序和裝配工藝過程進行規劃，以得出最合理的裝配工藝；單片機埠控制模塊，用於單片機與其他設備之間的通信；刀盤裝配與拆卸控制模塊，用於刀盤的裝配和拆卸操作；前盾和中盾裝配與拆卸控制模塊，用於前盾和中盾的拆卸和裝配操作；尾盾和拼裝機裝配與拆卸控制模塊，用於尾盾和拼裝機的拆卸與裝配操作；後配套臺車I裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車I的拆卸與裝配操作；後配套臺車2裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車2的拆卸與裝配操作；後配套臺車3裝配與拆卸控制模塊，用於後配套臺車3的拆卸與裝配操作。
7.根據權利要求6所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，所述的詳細信息還包括零部件名稱、零件的生產者、零件的生產部門、部件的裝配部門、裝配操作人員、檢查人員以及備註信息。
8.據權利要求6所述的TBM虛擬裝配系統，其特徵在於，所述的虛擬仿真主模塊還包括單片機控制模塊，用於在虛擬裝配仿真過程中實現TBM的人機互動作用。
全文摘要
本發明公開了一種TBM虛擬裝配系統，包括立體投影系統和操作控制臺所述操作控制臺與所述立體投影系統相連；所述的立體投影系統，包括圖形工作站、立體轉換器和虛擬實境顯示裝置，所述立體轉換器和虛擬實境顯示裝置分別和所述圖形工作站相連，所述操作控制臺和所述的圖形工作站相連；用戶可通過本系統在虛擬實境環境中實現具有沉浸感的模擬TBM真實裝配情況，進行TBM裝配過程的動態仿真。相比在實際裝配過程中對操作人員的裝配培訓，本發明具有成本低且培訓方便的優點。
文檔編號G09B5/02GK103021206SQ20131001606
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者鞏亞東, 程軍, 楊建宇, 仇健 申請人:東北大學