三峡升船机齿轮箱维修辅助系统的研究与实现

禹星屹，范世东

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

三峡升船机作为三峡水利枢纽的永久通航设施之一，自通航以来，其运行的好坏备受社会各界的高度重视。齿轮箱作为三峡升船机的核心设备，一旦发生故障，势必会影响三峡升船机运行的安全性和稳定性。因此，为了确保齿轮箱长期保持良好的运行状态，就需要对其开展必要的维修保障工作。

准确的维修知识和信息资料是开展维修保障工作的重要前提[1]。传统的纸质技术资料存在携带及保存不便、更新困难、查阅效率低等问题，在一定程度上制约了设备维修保障的效率。交互式电子技术手册(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)作为设备维修保障信息化的重要技术手段[2]，不仅能解决纸质技术资料的弊端，还能提高设备的可靠性以及维修性[3]。

拆装作为机械设备维修的主要手段，是维修过程中的关键环节[4]；提高设备拆装的准确性和效率，一定程度上可以提高其维修的效率。虚拟拆装技术作为虚拟现实技术在设备维修领域具有重要应用，维修人员在具有交互性和沉浸感的虚拟拆装场景中对设备的数字化样机开展拆装训练，可以有效弥补实物拆装训练的不足、提高拆装训练的效率和效果，提升维修人员的拆装技能水平。

本文以三峡升船机齿轮箱为研究对象，基于IETM技术和虚拟拆装技术，研发了相应的维修辅助系统，该系统不仅能为维修人员提供可靠、快捷、准确的技术信息支持，而且能提供一个良好的虚拟拆装训练平台，进而为提高该齿轮箱的维修保障能力及效率提供一定的帮助。

1 系统研发框架

系统研发框架示意图如图1所示，该框架由基础层、数据层、功能层、用户层组成。基础层是系统研发的基础，主要包括系统研发所用到的关键技术与方法、开发工具与方案。数据层是系统研发的关键，主要包括用户信息、模型数据、技术资料等，为系统研发提供可靠、有效的数据支撑。功能层是系统研发的核心，主要包括IETM、虚拟拆装等功能模块，各功能模块既相互独立、又相互联系，它们之间采用接口进行参数传递。用户层是系统研发的目的，用户(维修人员)通过交互设备(鼠标、键盘等)和交互界面(IETM界面、虚拟拆装界面等)来实现与系统的人机交互。

图1 系统研发框架示意图

由图1可见，相关的关键技术与方法是实现三峡升船机齿轮箱维修辅助系统的基础。因此，本文将重点阐述系统研发过程中所涉及的齿轮箱模型构建、IETM、虚拟拆装等关键技术与方法。

2 关键技术与方法

2.1 齿轮箱模型的构建

1)齿轮箱三维模型。设备的三维模型是实现设备虚拟拆装的基础，在构建模型的过程中不仅要考虑模型结构的合理性和外形的真实感，还要考虑模型对系统运行稳定性的影响[5]。为此，本文将从2个方面来构建一个良好的齿轮箱三维模型。

(1)模型的建立。在梳理齿轮箱各零部件的结构特点、尺寸数据以及装配关系的基础上，利用SolidWorks软件建立了齿轮箱的初步模型见图2。

(2)模型的优化。基于3ds Max软件开展相关优化工作，主要包括：①贴图渲染，增强模型的质感、提升模型的视觉效果；②减少模型面数，降低模型对系统资源的消耗。

图2 齿轮箱初步模型

2)齿轮箱拆装层次模型。合理地划分齿轮箱的层次结构，构建齿轮箱拆装层次模型，不仅可以更好地梳理齿轮箱的拆装逻辑，而且更有利于制作齿轮箱的IETM。

本文将齿轮箱划分为若干个不同的拆装层次和拆装单元，并按照“系统→子系统→拆装单元”的层次关系，自上而下构建了齿轮箱拆装层次模型，如图3所示。同时，为了实现零部件的有序管理，本文引入了S1000D规范，并基于该规范的编码体系对零部件进行编码。所采用的编码结构为“XX-XX-XX”，其中第一段代码表示系统(机壳、传动机构)；第二段代码表示子系统(上箱体、输入轴等)；第三段代码表示拆装单元(齿轮、轴承等)。其层次顺序和具体代码见图3。

2.2 齿轮箱数据模块的研制

数据模块作为S1000D规范提出的核心概念之一，是包含了设备一部分完整技术信息的最小数据单元；以数据模块的形式来组织和管理技术信息，更有利于技术信息的共享与重用[6]。数据模块的研制是IETM研制的关键环节[7]，本文将着重阐述齿轮箱IETM中数据模块的研制要点。

1)数据模块的内容。数据模块内容作为数据模块的主体，它是以XML格式组织的技术信息。编制数据模块内容的主要步骤：①确定数据模块内容的类型及结构(描述类数据模块、故障类数据模块等)；②利用XMLSpy编辑器搭建数据模块内容框架，在此框架内填入具体的技术信息，生成相应的XML文档。

图3 齿轮箱拆装层次模型

2)数据模块的标识。为了实现数据模块的分类管理、提高数据模块的查找效率，采用数据模块编码对其进行标识。数据模块编码由不同的码段组成，其中具有重要作用的码段有：系统划分码(用于标识设备及其层次划分关系)、信息码(用于标识数据模块所描述信息类型)等。

3)数据模块的存储。利用关系数据库来存储数据模块，将数据模块编码、标题等存储到关系数据库表的对应字段中，将数据模块内容以XML数据类型进行存储。

2.3 齿轮箱的虚拟拆装技术

1)碰撞检测。碰撞检测[8]是虚拟拆装技术的核心之一。应用碰撞检测的主要目的：①避免在虚拟拆装过程中出现模型之间的重叠与穿透现象、提高虚拟拆装的真实感和体验感；②使用鼠标点击位于屏幕中的目标模型，由此产生一条经过鼠标点击的拾取射线，利用该射线与目标模型进行碰撞检测来实现鼠标对目标模型的拾取。

本文采用Unity3D来搭建齿轮箱的虚拟拆装场景，而Unity3D中的碰撞检测通常是由包围在各模型上的碰撞器来实现。Unity3D作为一款功能强大的虚拟现实引擎，它为使用者提供了多种形状、性能各不相同的碰撞器，例如网格碰撞器、盒碰撞器、胶囊碰撞器等。为了兼顾齿轮箱虚拟拆装过程中碰撞检测的实时性和精确性，本文综合应用了各种碰撞器；对于传动轴等形状规则的零部件模型，则使用胶囊碰撞器、盒碰撞器等；对于上箱体等形状复杂的零部件模型，则使用网格碰撞器。

2)拆装能力评估。为了达到理想的拆装训练效果、使用户更好地了解其拆装训练的情况，本文提出了一种基于拆装操作和拆装时间的拆装能力评估算法，该算法的流程如下。

(1)按照该齿轮箱的实际拆装流程，将其划分为n个拆装步骤，然后分别计算每个拆装步骤的操作得分和时间得分。

(2)计算每个拆装步骤的操作得分。操作可分为2项：①正确选择当前拆装步骤所需的零部件及工装工具；②使待拆装零部件沿着正确的路径进行拆装，即拆装路径上不能发生碰撞。操作得分的计算公式为：

(1)

式中，GOi为步骤i的操作得分；GOiS为步骤i的操作标准分；Ci为步骤i中错误操作的次数；CiMax为步骤i中错误操作的极限次数。

(3)计算每个拆装步骤的时间得分，时间得分的计算公式为：

GTi=

(2)

式中，GTi为步骤i的时间得分；GTiS为步骤i的时间标准分；Ti为步骤i所用的时间；TiS为步骤i的标准用时；TiMax为步骤i的极限用时。

(4)计算所有拆装步骤的总得分，总得分的计算公式为：

(3)

式中，G为所有拆装步骤的总得分；λi为步骤i在所有拆装步骤中的权重系数，对于拆装难度较大、拆装零部件较重要的步骤，其权重系数越高，并且所有权重系数之和为1；λOi为步骤i的操作得分权重系数，λTi为步骤i的时间得分权重系数，且λOi+λTi=1。

(5)不同的总得分对应不同的评估等级，即总得分越高、评估等级越高，则表明该用户的拆装训练效果越好、拆装熟练度越高、拆装能力越强。

3 系统的实现

首先，基于上述关键技术与方法完成齿轮箱模型、数据模块等基础项目的制作；其次，采用模块化的开发方式，逐一完成各个功能模块的开发工作；最后，对系统进行测试及发布，系统界面展示如图4所示。系统的IETM模块除了提供按数据模块类型组织而成的信息导航栏以及按数据模块内容组织而成的技术资料，还提供检索功能，以便于用户快速查阅所需的技术信息。系统的虚拟拆装模块提供了自动拆装和手动拆装，其中自动拆装起到了拆装演示的作用，帮助用户更好地掌握该齿轮箱的结构特点以及拆装流程；手动拆装起到了拆装训练的作用，用户可进行齿轮箱的拆装训练，并且系统可根据用户拆装训练的情况给予相应的反馈。

图4 系统界面展示

4 结束语

本文综合运用IETM技术和虚拟拆装技术，成功研发三峡升船机齿轮箱维修辅助系统。本系统实现了齿轮箱技术资料的有效管理，能够快速、准确地为维修人员开展相关维修保障工作提供所需的维修知识和信息，在一定程度上提高了维修保障的能力和效率；同时，为维修人员提供了一个不受时间、空间等因素限制的虚拟拆装训练平台，降低了拆装训练的风险和成本，提升了拆装训练的效率和效果，为维修人员掌握该齿轮箱的拆装工艺、提高其拆装能力提供了有效的帮助和支持。经测试表明：本系统功能实用、运行稳定、具有较强的交互性和拓展性，对开展三峡升船机齿轮箱的维修保障工作起到了较好的辅助作用。