礦山設備一般工況較差，受環境場地的影響很大，通過現有的CAD方法無法預知設計的設備是否適合某些工作環境。當生成物理樣機后，進行現場操作時，發現設計缺陷，再修改設計，必將造成人力、物力和財力的浪費、開發周期的延長。為了彌補已有的CAD設計的不足，在集成現有數字仿真程序和視景仿真平臺，再充分發揮視景仿真直觀逼真效果的基礎上，結合計算機圖形學，設計了一套礦山設備虛擬現實系統。在礦山設備虛擬現實系統中，可以模擬各種工況，及早地發現不足，在設計時及時進行修改。礦山設備虛擬現實系統不僅是降低風險和生產成本的有效途徑之一，而且對進一步的分析和研究也有著非常重要的意義。
1、礦山設備虛擬現實系統的結構與功能分析
從結構上分析，礦山設備虛擬現實系統包括多個功能模塊，其中有立體顯示、運行模擬、各零部件的信息查詢和虛擬裝配等。先做好系統框架，然后自下而上逐步實現各項子功能。該系統主要實現礦山設備的交互式虛擬可視化顯示和操作，可以加深使用者對生產制造過程的認識和理解，更好地指導實際設計生產，可以及時發現問題并做出正確決策。
1.1礦山設備的立體顯示
立體顯示是虛擬實現系統中基本而又獨特的功能．在該系統中包括：礦山設備被動式立體顯示，即輸出至e - desk硬件系統，通過立體眼鏡即可觀看到立體的礦山設備；各種顯示方式以及相互疊加、切換，如線框方式，光照效果，是否帶紋理顯示等；鍵盤、鼠標或操縱桿交互操作，從不同的視角瀏覽礦山設備按照系統預設的路徑自動在場景中漫游導航；環境聲音的應用；任意零部件的顯示和隱藏。
1.2礦山設備的運行模擬功能
運行模擬功能是指系統模擬設備在工作時的運轉狀況并且可以進行人機交互控制，鼠標或操縱桿交互控制整個設備的運行和停止；對于一些自由度沒有完全限制，但設備運行時不參與的零部件，需要對其進行單獨的交互仿真，比如使用鼠標左鍵點擊門以模擬檢修門的打開與關閉等。
1.3各零部件的信息查詢功能
利用數據庫原理實現信息的查詢功能。將設備中的零部件的信息、如零部件的介紹、作用、機械性能、材料、數量等記錄在數據庫中，系統將圖形界面與數據庫連接以實現信息查詢功能。而且，一旦零部件的信息改變，只需改變數據庫中的相關內容即可，方便日后數據的維護和更新。
1.4虛擬裝配功能
虛擬裝配在虛擬設計和虛擬制造中有著舉足輕重的作用。虛擬裝配可以更直觀地表達礦山設備的內部結構，各個零部件的相對位置以及裝配關系，模擬出裝配過程中的各種狀態，可以使設計工程師更好地理解產品，及時發現裝配過程中可能出現的問題，以便正確地制定出合理的裝配工藝，縮短設計周期；使用產品時，配合系統中的信息查詢功能，能很好地理解產品的結構和性能，并可以作為產品調試和維修的依據。
2、礦山設備三維交互仿真系統的實現
從實際應用出發，以一種經典的
顎式破碎機為例，將原有的Solidworks模型轉化為MultiGen Crea-tor支持的VR模型（Openflight格式），以Vega和Visual C++作為軟件平臺，實現了其三維交互仿真系統。
2.1破碎機VR模型的建立
虛擬現實系統中建模包括幾何建模、運動建模、物理建模和行為建模。本系統需要的是顎式破碎機VR模型的建立。
(1)利用原有的CAD資源，將Solidworks的三維模型通過中間格式轉換成Creator支持的Open-flight格式的VR模型，并將其模型數據庫簡化、優化和完善，包括添加紋理映射、燈光、材質、場景模型等。
(2)在MultiGen Creator軟件中進行運動建模，如觀察者Observer的視角等；物理建模，如碰撞檢測等；行為建模和模型管理，包括構造LOD層次，設定DOF和Switch節點等。生成flt格式的模型數據庫。
(3)將優化的模型（．nt格式）導入Vega提供的圖形化的用戶界面Lynx中，并在Lynx中建立系統所必需的對象，包括場景、窗口、通道、運動方式、觀察者、碰撞方式等，建立對象之間的相互聯系，生成一個ADF( Application Definition File)格式的文件。
(4)將生成的ADF文件在DOS窗口中使用命令“objconvert -A crusher. adf -s fst -i”轉化成FST格式的文件。FST文件格式是Vega的Fast格式，包含場景中模型的紋理等信息，為系統快速加載模型到場景中提供了有效的途徑，可提高運行效率。
具體方案如圖2所示。
2.2系統應用程序框架
在Windows NT平臺上的Vega應用，主要有3種類型，即控制臺程序、傳統的Windows應用程序和基于MFC( Microsoft Foundation Classes)的應用。無論是哪一種Vega應用程序，都有3個必需的步驟：
(1)初始化。這一步初始化Vega系統并創建共享內存以及信號量等。
(2)定義。通過．ADF應用定義文件創建三維模型或是通過顯式的函數調用來創建三維模型。
(3)配置。通過調用配置函數來完成配置設置完Vega系統后，就開始了Vega應用的主循環，主循環的作用是對三維視景進行渲染驅動。它主要分2步：①對于給定的幀速進行幀同步；②對當前的顯示幀進行必要的處理。
為了便于開發者能容易地開發出基于MFC的Vega應用程序，Vega通過繼承MFC中的CView類而派生出一個子類zsVegaView。其類層次結構如圖3所示。
因此，創建基于MFC的Vega應用程序的具體步驟如下：
(1)創建基于單文檔的MFC應用程序，視圖類的基類確定為CView類；
(2)將zsVegaView的.h和．cpp文件引入到工程；
(3)修改單文檔的視圖基類，即將CView類修改為zsVegaView類；
(4)重載必要的虛函數；
(5)使用vzsVegaView：：runVega()啟動Vega。
2.3 Vega API和OpenCL混合編程實現交互仿真功能
從底層實現來看，Vega實際上是基于場景圖(Scene Craph)之上的，而場景圖管理系統本身又建立在OpenGL標準圖形庫之上。Vega提供的一個圖形界面的應用程序定義文件工具-LynX，可以大大降低視景仿真應用開發難度。但要完成比較復雜的功能還是必須通過Vega API編程實現，更復雜的功能或一些特殊操作則需要使用更底層的OpenGL編程實現。
Vega與OpenCL進行混合編程時，OpenGL所要實現的功能一般都是在Vega的回調函數中來實現的，但因為兩者坐標系的不一致，所以必須要將場景融合。
(1)在VC中首先要配置編譯系統為多線方程式，因為Vega本身就是基于多線程的。
(2)在Vega中混合OpenCL代碼主要是使用回調函數AddFunc，在MyFun函數中，進行OpenGL的代碼加入．
(3)回調函數在主循環之前調用，在系統配置之后調用。
使用Vega API提供的函數庫，結合進行Open-GL編程技術實現系統的各項子功能。如：使用Vg-Picker類實現系統中對象的拾取；調用vgSyncFrame()和vgFrame()函數控制場景中對象的運動；使用OpenGL實現漢字的繪制等。將這些功能模塊添加到系統應用程序框架中即可生成完整的礦山設備虛擬現實系統。
2.4礦山設備三維交互仿真系統的運行界面
礦山設備三維交互仿真系統的運行界面如圖4所示。
3、結論
對虛擬現實技術應用于破碎機進行了研究，提出了一套開發礦山設備三維交互仿真系統的有效方法。所實現的虛擬現實系統具有通用性和可移植性。這一技術適用于各種產品，其應用和推廣必將大大縮短設計周期和減少設計費用。
