三峽升船機齒輪箱維修輔助系統的研究與實現

禹星屹，范世東

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

三峽升船機作為三峽水利樞紐的永久通航設施之一，自通航以來，其運行的好壞備受社會各界的高度重視。齒輪箱作為三峽升船機的核心設備，一旦發生故障，勢必會影響三峽升船機運行的安全性和穩定性。因此，為了確保齒輪箱長期保持良好的運行狀態，就需要對其開展必要的維修保障工作。

準確的維修知識和信息資料是開展維修保障工作的重要前提[1]。傳統的紙質技術資料存在攜帶及保存不便、更新困難、查閱效率低等問題，在一定程度上制約了設備維修保障的效率。交互式電子技術手冊(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)作為設備維修保障信息化的重要技術手段[2]，不僅能解決紙質技術資料的弊端，還能提高設備的可靠性以及維修性[3]。

拆裝作為機械設備維修的主要手段，是維修過程中的關鍵環節[4]；提高設備拆裝的準確性和效率，一定程度上可以提高其維修的效率。虛擬拆裝技術作為虛擬現實技術在設備維修領域具有重要應用，維修人員在具有交互性和沉浸感的虛擬拆裝場景中對設備的數字化樣機開展拆裝訓練，可以有效彌補實物拆裝訓練的不足、提高拆裝訓練的效率和效果，提升維修人員的拆裝技能水平。

本文以三峽升船機齒輪箱為研究對象，基于IETM技術和虛擬拆裝技術，研發了相應的維修輔助系統，該系統不僅能為維修人員提供可靠、快捷、準確的技術信息支持，而且能提供一個良好的虛擬拆裝訓練平臺，進而為提高該齒輪箱的維修保障能力及效率提供一定的幫助。

1 系統研發框架

系統研發框架示意圖如圖1所示，該框架由基礎層、數據層、功能層、用戶層組成。基礎層是系統研發的基礎，主要包括系統研發所用到的關鍵技術與方法、開發工具與方案。數據層是系統研發的關鍵，主要包括用戶信息、模型數據、技術資料等，為系統研發提供可靠、有效的數據支撐。功能層是系統研發的核心，主要包括IETM、虛擬拆裝等功能模塊，各功能模塊既相互獨立、又相互聯系，它們之間采用接口進行參數傳遞。用戶層是系統研發的目的，用戶(維修人員)通過交互設備(鼠標、鍵盤等)和交互界面(IETM界面、虛擬拆裝界面等)來實現與系統的人機交互。

圖1 系統研發框架示意圖

由圖1可見，相關的關鍵技術與方法是實現三峽升船機齒輪箱維修輔助系統的基礎。因此，本文將重點闡述系統研發過程中所涉及的齒輪箱模型構建、IETM、虛擬拆裝等關鍵技術與方法。

2 關鍵技術與方法

2.1 齒輪箱模型的構建

1)齒輪箱三維模型。設備的三維模型是實現設備虛擬拆裝的基礎，在構建模型的過程中不僅要考慮模型結構的合理性和外形的真實感，還要考慮模型對系統運行穩定性的影響[5]。為此，本文將從2個方面來構建一個良好的齒輪箱三維模型。

(1)模型的建立。在梳理齒輪箱各零部件的結構特點、尺寸數據以及裝配關系的基礎上，利用SolidWorks軟件建立了齒輪箱的初步模型見圖2。

(2)模型的優化。基于3ds Max軟件開展相關優化工作，主要包括：①貼圖渲染，增強模型的質感、提升模型的視覺效果；②減少模型面數，降低模型對系統資源的消耗。

圖2 齒輪箱初步模型

2)齒輪箱拆裝層次模型。合理地劃分齒輪箱的層次結構，構建齒輪箱拆裝層次模型，不僅可以更好地梳理齒輪箱的拆裝邏輯，而且更有利于制作齒輪箱的IETM。

本文將齒輪箱劃分為若干個不同的拆裝層次和拆裝單元，并按照“系統→子系統→拆裝單元”的層次關系，自上而下構建了齒輪箱拆裝層次模型，如圖3所示。同時，為了實現零部件的有序管理，本文引入了S1000D規范，并基于該規范的編碼體系對零部件進行編碼。所采用的編碼結構為“XX-XX-XX”，其中第一段代碼表示系統(機殼、傳動機構)；第二段代碼表示子系統(上箱體、輸入軸等)；第三段代碼表示拆裝單元(齒輪、軸承等)。其層次順序和具體代碼見圖3。

2.2 齒輪箱數據模塊的研制

數據模塊作為S1000D規范提出的核心概念之一，是包含了設備一部分完整技術信息的最小數據單元；以數據模塊的形式來組織和管理技術信息，更有利于技術信息的共享與重用[6]。數據模塊的研制是IETM研制的關鍵環節[7]，本文將著重闡述齒輪箱IETM中數據模塊的研制要點。

1)數據模塊的內容。數據模塊內容作為數據模塊的主體，它是以XML格式組織的技術信息。編制數據模塊內容的主要步驟：①確定數據模塊內容的類型及結構(描述類數據模塊、故障類數據模塊等)；②利用XMLSpy編輯器搭建數據模塊內容框架，在此框架內填入具體的技術信息，生成相應的XML文檔。

圖3 齒輪箱拆裝層次模型

2)數據模塊的標識。為了實現數據模塊的分類管理、提高數據模塊的查找效率，采用數據模塊編碼對其進行標識。數據模塊編碼由不同的碼段組成，其中具有重要作用的碼段有：系統劃分碼(用于標識設備及其層次劃分關系)、信息碼(用于標識數據模塊所描述信息類型)等。

3)數據模塊的存儲。利用關系數據庫來存儲數據模塊，將數據模塊編碼、標題等存儲到關系數據庫表的對應字段中，將數據模塊內容以XML數據類型進行存儲。

2.3 齒輪箱的虛擬拆裝技術

1)碰撞檢測。碰撞檢測[8]是虛擬拆裝技術的核心之一。應用碰撞檢測的主要目的：①避免在虛擬拆裝過程中出現模型之間的重疊與穿透現象、提高虛擬拆裝的真實感和體驗感；②使用鼠標點擊位于屏幕中的目標模型，由此產生一條經過鼠標點擊的拾取射線，利用該射線與目標模型進行碰撞檢測來實現鼠標對目標模型的拾取。

本文采用Unity3D來搭建齒輪箱的虛擬拆裝場景，而Unity3D中的碰撞檢測通常是由包圍在各模型上的碰撞器來實現。Unity3D作為一款功能強大的虛擬現實引擎，它為使用者提供了多種形狀、性能各不相同的碰撞器，例如網格碰撞器、盒碰撞器、膠囊碰撞器等。為了兼顧齒輪箱虛擬拆裝過程中碰撞檢測的實時性和精確性，本文綜合應用了各種碰撞器；對于傳動軸等形狀規則的零部件模型，則使用膠囊碰撞器、盒碰撞器等；對于上箱體等形狀復雜的零部件模型，則使用網格碰撞器。

2)拆裝能力評估。為了達到理想的拆裝訓練效果、使用戶更好地了解其拆裝訓練的情況，本文提出了一種基于拆裝操作和拆裝時間的拆裝能力評估算法，該算法的流程如下。

(1)按照該齒輪箱的實際拆裝流程，將其劃分為n個拆裝步驟，然后分別計算每個拆裝步驟的操作得分和時間得分。

(2)計算每個拆裝步驟的操作得分。操作可分為2項：①正確選擇當前拆裝步驟所需的零部件及工裝工具；②使待拆裝零部件沿著正確的路徑進行拆裝，即拆裝路徑上不能發生碰撞。操作得分的計算公式為：

(1)

式中，GOi為步驟i的操作得分；GOiS為步驟i的操作標準分；Ci為步驟i中錯誤操作的次數；CiMax為步驟i中錯誤操作的極限次數。

(3)計算每個拆裝步驟的時間得分，時間得分的計算公式為：

GTi=

(2)

式中，GTi為步驟i的時間得分；GTiS為步驟i的時間標準分；Ti為步驟i所用的時間；TiS為步驟i的標準用時；TiMax為步驟i的極限用時。

(4)計算所有拆裝步驟的總得分，總得分的計算公式為：

(3)

式中，G為所有拆裝步驟的總得分；λi為步驟i在所有拆裝步驟中的權重系數，對于拆裝難度較大、拆裝零部件較重要的步驟，其權重系數越高，并且所有權重系數之和為1；λOi為步驟i的操作得分權重系數，λTi為步驟i的時間得分權重系數，且λOi+λTi=1。

(5)不同的總得分對應不同的評估等級，即總得分越高、評估等級越高，則表明該用戶的拆裝訓練效果越好、拆裝熟練度越高、拆裝能力越強。

3 系統的實現

首先，基于上述關鍵技術與方法完成齒輪箱模型、數據模塊等基礎項目的制作；其次，采用模塊化的開發方式，逐一完成各個功能模塊的開發工作；最后，對系統進行測試及發布，系統界面展示如圖4所示。系統的IETM模塊除了提供按數據模塊類型組織而成的信息導航欄以及按數據模塊內容組織而成的技術資料，還提供檢索功能，以便于用戶快速查閱所需的技術信息。系統的虛擬拆裝模塊提供了自動拆裝和手動拆裝，其中自動拆裝起到了拆裝演示的作用，幫助用戶更好地掌握該齒輪箱的結構特點以及拆裝流程；手動拆裝起到了拆裝訓練的作用，用戶可進行齒輪箱的拆裝訓練，并且系統可根據用戶拆裝訓練的情況給予相應的反饋。

圖4 系統界面展示

4 結束語

本文綜合運用IETM技術和虛擬拆裝技術，成功研發三峽升船機齒輪箱維修輔助系統。本系統實現了齒輪箱技術資料的有效管理，能夠快速、準確地為維修人員開展相關維修保障工作提供所需的維修知識和信息，在一定程度上提高了維修保障的能力和效率；同時，為維修人員提供了一個不受時間、空間等因素限制的虛擬拆裝訓練平臺，降低了拆裝訓練的風險和成本，提升了拆裝訓練的效率和效果，為維修人員掌握該齒輪箱的拆裝工藝、提高其拆裝能力提供了有效的幫助和支持。經測試表明：本系統功能實用、運行穩定、具有較強的交互性和拓展性，對開展三峽升船機齒輪箱的維修保障工作起到了較好的輔助作用。