基于某履帶式自行裝備負重輪虛擬拆裝實現

段 玭 ， 吳 濤 ， 黃 磊 ， 蔡朝陽 ， 劉 飛

（1.總裝工程兵駐武漢地區軍代室 湖北 武漢 430073；2.總裝備部工程兵軍事代表局 北京 100850）

現代戰爭是高技術武器裝備的戰爭，也是高損耗的戰爭。隨著作戰理論的發展，裝備的維修保障也發生了深刻的變革，這對指揮員提出了更高的要求。只有熟練掌握武器裝備的各種維修技能才能對裝備維修、戰場搶修等實施正確的指揮。然而，高技術武器裝備造價昂貴、品種繁多且數量較為稀少，傳統的維修訓練方式——實裝維修不利于裝備戰斗力的保持。利用虛擬現實技術開發裝備維修系統[1]，可使指揮員在不動用實際裝備的情況下，開展維修活動、積累裝備維修經驗。虛擬拆裝的研究是實現虛擬維修的前提，是整個維修過程的基礎。本論文正是以某履帶式自行裝備負重輪的拆卸為例，探討了裝備拆裝具體的實現過程。

1 拆裝實現的軟、硬件環境

文中采用3D Max、Multigen Creator構建虛擬部件模型，并進行模型優化、賦予自由度和約束[2]，最后利用視景仿真工具 Multigen Vega的 API函數庫進行MFC編程[3]，對模型進行管理及驅動。文中基于Vega/VC++開發環境中[4]，利用虛擬現實交互設備Immersion公司的賽伯手套（Cyber Glove）、5DT數據頭盔以及 FOB位置跟蹤器（Flock of Birds）等交互設備，如圖1～圖3所示，對虛擬部件進行控制，完成拆裝過程。

圖1 賽伯手套Fig.1 Cyber glove

2 負重輪拆裝過程實現

圖2 5DT頭盔顯示器Fig.2 5DT helmet

圖3 FOB位置跟蹤器Fig.3 FOB position tracker

無論實裝維修或虛擬維修都是建立在熟練的拆裝技術基礎上的，絕大部分維修都要進行各別零部件的拆裝，才能進行檢查維修以及維護保養，所以拆裝過程的真實性與精確性決定了虛擬維修的成功與否[5]。整個拆裝過程我們大體分為兩部分，即拆的過程和裝的過程，假定裝是拆的逆過程，那么只需要實現零件從整個部件上拆下的過程就完成了拆裝的要求。文中正是基于實際考慮，實現了某履帶式自行裝備虛擬拆裝過程。

2.1 虛擬負重輪建模

負重輪是維修人員需要定期檢查和維護的部件，當發生負重輪與懸掛裝置有松動、回繞式擋油環密封不好、橡膠分離或大塊脫落、輪轂過熱和中間負重輪不著地或用大撬杠可撬起等情況時，就需要對負重輪進行拆裝。

2.1.1 自行裝備負重輪本體建模

自行裝備行動系統的負重輪每輛炮車共有12個，分左右兩邊，固定在平衡肘上[6]，其正視圖如圖4所示。圖5為本論文建立的負重輪模型。

圖4 負重輪正視圖Fig.4 Elevation of loading wheel

圖5 負重輪模型Fig.5 Model of loading wheel

圖6 懸掛裝置構造圖Fig.6 Structure of hanging device

圖7 懸掛裝置模型Fig.7 Model of hanging device

2.1.2 懸掛裝置建模

負重輪固定在懸掛裝置上，拆卸時需要體現出負重輪從懸掛裝置上脫離出來的動作 （懸掛裝置結構如圖6所示），所以有必要對懸掛裝置進行建模。懸掛裝置模型如圖7所示。

2.2 拆裝工具建模

主要建立了5噸千斤頂、扭矩扳手和撬棍[7]。復雜工具千斤頂模型如圖8所示。

圖8 5噸千斤頂Fig.8 Model of jack

2.3 拆裝過程仿真

2.3.1 拆裝想定設計

本文仿真假定：有一部裝備發生故障需要維修，已經知道負重輪掛膠有橡膠分離甚至大塊的脫落，影響正常行駛，需要將負重輪拆下并進行更換。本次故障維修活動主要涉及的就是負重輪拆卸和安裝。在維修過程中認為安裝是拆卸的逆[8]，所使用的專用工具有5噸千斤頂、扭矩扳手和撬棍，所需人員：2人。拆裝順序和內容如圖9和表1所示。

2.3.2 拆裝流程設計

圖10是負重輪虛擬拆裝活動流程圖。

圖9 負重輪拆裝順序示意圖Fig.9 Process of assembly and disassembly

表1 維修活動內容Tab.1 Maintenance content

圖10 負重輪虛擬拆裝活動流程圖Fig.10 Flow of assembly and disassembly

圖11 負重輪虛擬拆裝界面Fig.11 User interface

2.3.3 程序實現

在Visual C++6.0集成開發環境中，運用MFC消息響應機制，本文對負重輪拆裝活動進行了設計與實現[9]。圖11是負重輪虛擬拆裝界面。

3 結 論

綜上所述，虛擬拆裝是一個非常復雜的活動，一個簡單的拆裝過程需要分解成幾個小的動作單元，利用數據手套獲得的實時數據，準確的碰撞檢測和一定的虛擬物體定位技術等才能實現。其中，它需要頻繁的碰撞檢測和操作動作的識別，因此高效的碰撞檢測算法和拆裝動素算法在虛擬維修中是必須解決的問題，而且還必須要有強大的數據庫支撐，包括所有零部件和工具模型的建立、拆裝順序專家庫的搭建。本文正是基于前人研究的基礎之上，利用穩定的、健壯的算法實現了靈活的虛擬拆裝，主要完成了以下3點：

1）實現了某履帶式自行裝備負重輪虛擬拆裝；

2）構建了拆裝工具模型，定義了運動序列和路徑；

3）本文所建立的虛擬拆裝系統，為其他武器裝備乃至地方工業產品的虛擬裝配提供了開發平臺。

[1]崔曉風，馮武斌，項昌樂，等.基于虛擬維修的裝甲裝備維修性分析與驗證方法研究[J].兵工學報，2009，30（11）:1430-1434.CUI Xiao-feng，FENG Wu-bin，XIANG Chang-1e，et al.Research of maintainability and validation methods in armored equipment based on virtual maintenance[J].Acta Armamentarii，2009，30（11）:1430-1434.

[2]MultiGen Paradigm Inc.The multiGen creator desktop tutor[M].Version 2.4，for Window and IRIX.USA:MultiGen Paradigm Inc，2000.

[3]MultiGen Paradigm Inc.Vega programmer’s guide[M].USA:MultiGen Paradigm Inc，2001.

[4]王樹堅.Visual C++面向對象編程教程[M].北京:清華大學出版社，2003.

[5]周利江，孫丕波.機械拆裝方針教學平臺研究[J].電子設計工程，2012，20（5）:36-38.ZHOULi-jiang，SUNPi-bo.Research of mechanical disassembly simulation teachingplatform[J].Electronic Design Engineering，2012，20（5）:36-38.

[6]張戰平.JD2532履帶式自行火炮中型通用底盤構造與使用[M].北京:海軍出版社，2002.

[7]Antonino G，Gab riel Zachmann.Virtual reality as a tool for verification of assembly and maintenance process[J].Computer and Graphics，1999，23（3）:389-403.

[8]胡畔.基于SolidWorks的虛擬設備拆裝系統研究[J].軟件導刊，2011，10（10）:9-10.HU Pan.Research on virtual assembly system based on SolidWorks[J].Software Guide，2011，10（10）:9-10.

[9]李冰梅，吳強.船舶柴油機虛擬拆裝系統基于SolidWorks的實現[J].中國修船，2008，21（S1）:27-30.LIBing-mei，WUQiang.The reslization on virtual disassembly and assembly system of a marine diesel engine based on SolidWorks[J].China Shiprepair，2008，21（S1）:27-30.