数字孪生驱动的矿用设备维修MR辅助指导系统

【摘要】：煤矿机电设备因恶劣工况环境导致故障频发,加之井下环境和场地限制,专业维修困难且效率低。随着高产高效工作面建设,采掘装备现场维修矛盾日益突出,因维修人员水平限制或者不能及时到位,设备难以有效维修,经常造成停工引起巨大经济损失。传统矿用设备故障维修方法存在维修知识获取不直观、对人依赖性大、专家维修指导不及时等问题,复杂故障甚至要升井返厂维修,现场急需强有力的维修指导技术。数字孪生(Digital Twin,DT)驱动维修指导过程,以混合现实(Mixed Reality,MR)连接维修现场和虚拟指导过程,实现维修虚拟指导和专家远程协同的复杂系统维修技术是解决上述问题的最佳策略。论文提出了一种数字孪生驱动的矿用机电设备维修MR辅助指导方法,研究MR辅助维修模型、技术框架及使能技术,促进现实和虚拟维修环境的虚实融合、双向映射、仿真预警,实现机电设备的可视化辅助维修指导,对提高复杂故障维修能力意义重大。针对零部件多、维修过程复杂,指导流程多样等问题,提出基于故障树分析的矿用设备维修行为模型,通过矿用设备故障机理研究和总结,采用故障树分析法建立设备失效模型,根据目标设备的关键失效因素分析维修行为,建立有效的维修行为树模型,奠定了系统开发理论基础,提高了系统开发效率。针对辅助维修指导过程中的流程表达、可视化指导等难题,研发基于DT+MR的矿用设备辅助维修指导原型系统,促进现实维修空间与虚拟维修空间虚实融合,搭建混合现实虚拟仿真开发环境,通过人工标识和自然特征点相结合的MR三维注册虚实融合方法改善虚实融合效果,并设计适用于矿用设备故障维修指导的标准示意图,形成匹配典型过程的维修指导流程虚拟仿真片段,实现了矿用设备故障维修指导过程的流程化表达。针对设备辅助维修指导缺乏信息交互的问题,研发数字孪生驱动的虚实空间数据反馈技术,从设备故障数据交互、MR人机交互和远程专家在线交互三个方面,实现虚拟维修空间与真实维修空间的双向映射和仿真预警,达到设备运行状态数据监测下实时性故障维修指导的目标。最后,搭建数字孪生驱动的复杂机电设备MR故障维修指导系统,以电牵引采煤机摇臂部传动系统故障为对象搭建实验平台,对系统的实时维修指导功能进行实验验证。实验测试结果表明,维修人员佩戴一台HoloLens眼镜便可按照虚拟辅助维修系统的提示独立完成维修过程,随时可调用维修知识和请求远程专家指导,按照直观的故障维修指导流程完成维修作业,对解决恶劣环境或危急场景下的复杂故障维修具有重要意义和应用价值。