虚拟选矿厂仿真平台搭建.pdf

2 3 , 1 有色金属 选矿部分2 0 1 1 年增刊1 D O I 1 0 3 6 3 9 ，j ．i s s n l 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 11 ．z 1 ．0 5 4 虚拟选矿厂仿真平台搭建 郭振宇，高扬 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 摘要搭建用于虚拟选矿厂工艺过程的仿真平台，基于C H A I3 D 类库建模，可进行图形反馈的虚拟选矿厂仿真。 介绍平台总体结构、系统硬软件构成，阐述仿真环境的建立、平台搭建过程及搭建过程中应注意的问题。平台的运行表明 该平台具有较好的交互性和扩展性，适合在选矿过程研究中推广使用。 关键词虚拟现实；选矿厂；仿真研究；仿真平台搭建 中图分类号T D 9 2 8 ．9文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 1 S 0 - 0 2 3 4 - 0 5 E s t a b l i s h m e n to fV i r t u a lC o n c e nt r a t o rS i m u l a t i o nP l a t f o r m G U t Z h e n y u ，G A OY a n g B 咧叼G e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i f i n O10 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t ’1 1 1 1 ep l a t f o r mf o rs i m u l a t i n gt h ev i r t u a lc o n c e n t r a t o ri sd i g i t a l l ye s t a b l i s h e d ．，1 1 l ep l a t f o r mi s m o d e l e db a s e do nC H A I3 Dc l a s sl i b r a r y ．a n dt h eg r a p h i cf e e d b a c kc a nb eo b t a i n e db yt h ev i r t u a l s i m u l a t i o np l a f f c I r mo ft h ec o n c e n t r a t o r ．T h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep l a t f o r ma r e i n t r o d u c e d 。a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ec o n s t r u c t i n gp r o c e d u r ea n dt h ep r o b l e m s w h i c hs h o u l db ee m p h a s i z e dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i n gp r o c e d u r eo ft h ep l a t f o r ma r ed e s c r i b e d ．’1 1 1 ep l a t f o r m o p e r a t i o ns h o w st h a tt h ep l a t f o r m i so fg o o di n t e r a c t i o na n de x p a n s i b i l i t y ，a n da p p l i c a b l ef o rw i d e l yu s ei n m i n e r a lp r o c e s s i n gr e s e a r c h ． K e yw o r d s v i r t u a lr e a l i t y ；c o n c e n t r a t o r ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h ；s i m u l a t i o np l a t f o r me s t a b l i s h m e n t 近年来，随着虚拟现实技术 V i r t u a lR e a l i t y T e c h n o l o g y 的发展，在工程设计、数据可视化、 航空航天、建筑设计、军事、多媒体远程教育等方 面的应用也越来越广泛[ 1 。。利用虚拟现实技术，可 在计算机中产生一个具有三维效果的接近于真实的 环境，用户通过良好的人机界面可以获得较为真实 的沉浸感[ 引。将虚拟现实技术引入到选矿厂仿真 研究中，非常适合培训教学、选矿厂整体展示、布 局设计、工艺仿真等。针对虚拟选矿厂仿真，介绍 基于虚拟现实技术的具有交互功能的虚拟选矿仿真 平台。仿真实验表明，该仿真平台交互性和扩展性 均较好。 1 仿真平台总体结构 仿真平台分为硬件系统和软件系统两部分，硬 件系统包括计算机主机、显示器、键盘和鼠标，软 件系统包括仿真环境和基本模块，仿真平台具体结 构如图1 所示。仿真环境即为虚拟选矿厂，是一个 虚拟“世界”。仿真平台初始化时，各模块初加载 完毕。在每次仿真时，根据不同的仿真需要，通过 设备对象模块导入不同的设备对象、甚至整个选矿 厂布局到仿真环境中，操作者通过鼠标、键盘等外 设与虚拟选矿厂进行交互，图形反馈通过交互模块 由显示器显示给操作者。 仿真平台的建立采用M i c r o s o f tV C 6 ．0 开发 工具，并结合O p e n G L 图形库、基于开源类库 C H A I3 D 的A P I ，仿真环境是C H A I3 D 封装的 O p e n G L 环境。C H A I3 D 是应用于虚拟现实环境中 的开源类库。C H A I3 D 中封装了O p e n G L 的A P I ， 具备为开发者提供对三维实体的创建、操纵和渲染 收稿日期2 0 1 l 0 5 1 1 作者简介郭振宇 1 9 8 4 _ ，男，辽宁铁岭人，助理工程师，硕士，主要从事选矿自动化、虚拟仿真等方面的研究。 万方数据 2 0 11 年增刊l郭振宇等虚拟选矿厂仿真平台搭建 2 3 5 等功能，并提供相应的A P I ，使开发工作变得简单。 C H A I3 D 可在包括M i c r o s o f tV C6 ．0 、M i c r o s o f t V C ．N E T 、B o r l a n dC B u i l d e r 及L i n u x 等环境下 编译运行[ 3 ] 。 2 平台基本模块实现 基于C H A I3 D 的A P I 开发的基本模块有交互 模块、设备对象模块和碰撞检测模块共三个模块。 2 ．1 交互模块 交互模块可使观察者在虚拟选矿厂中获得较为 逼真的“沉浸”感，可使观察者更好地观察虚拟环 境。利用交互模块，观察者可以通过鼠标的操作实 现视窗的平移、缩放和旋转。此外，交互模块还可 以对光源的亮度、方向等进行调整。 基本 模块 i 圆函栅函嘲j 逛剿翻剃燃骼墅鞘瞬 F 虚拟选矿厂溺 ＼ 仿真环境 。童 I 晨未嚣} _ 匦鱼办{ 基圈 图1 仿真平台总体结构 F i g ．1 S t r u c t u r ef o rs i m u l a t i o np l a t f o r m 件 统 交互模块使用C H A I3 D 类库实现，该类库在 视图创建上继承了O p e n G L 的思想，即虚拟环境是 个“世界”，操作者通过一个“照相机”观察 “世界”。 在平移操作过程中，仿真平台先计算出鼠标初 始点和终止点在屏幕坐标系x 轴和l ，轴的坐标增 量，再将这两个增量分别乘以一个系数作为“照相 机”移动增量。在缩放操作过程中，仿真平台将鼠 标沿屏幕坐标系x 轴和l ，轴的移动变化值乘以一 个系数作为“照相机”前后移动的变化量。在旋转 操作过程中，先在屏幕上建立屏幕二维坐标系，再 在世界坐标系处建立一个虚拟坐标系，如图2 a 所示，虚拟坐标系的z 轴垂直于屏幕指向外，屏幕 坐标系原点在虚拟坐标系的z 轴上的值即为“照相 机”到世界坐标系原点的距离。虚拟坐标系相对 于观察者始终保持不动。程序运行时，虚拟坐标 系和世界坐标系始终重合，直到第一次按下并移动 鼠标。 鼠标初始向量y 。由虚拟坐标系的原点指向鼠 矗‘拟z 轴旋转轴 屏幕y 轴廿再z 妙 鼠标初始向量 _I世界y 轴 t 世界j矿 虚拟y ＼． 虚拟x 辊 I 屏暮工翱 鼠标终止向量 a 图2 视窗旋转前后坐标关系 F i g ．2 C o n v e r s i o no fc o o r d i n a t e sb e f o r e ／a f t e r w i n d o wr o t a t i o n a 视窗旋转前； b 视窗旋转后 标按下的初始点，鼠标终止向量y 。由虚拟坐标系 的原点指向鼠标按下的终止点，旋转轴K 向量由 ‰和y ，叉乘得到。y 。和y 。之间的夹角乘以某一 系数可以作为旋转角度p ，在此取系数为1 。世界 坐标系和虚拟机器人同时绕K 轴转动0 角度，如 图2 b 所示，而虚拟坐标系保持不动。 第疗 n 0 次旋转后，得到世界坐标系相对于 虚拟坐标系的姿态矩阵 1 ，其中s O - - s i n O ； c 0 - - c o s O ；V e r s O - - l - c o s o o 新向量K 是相对于虚拟坐标系的，所以要通 过式 2 将K 转化到世界坐标系中。 9 涮k 尺 K ，p l 疋砭y e 巧m pK , K , V e r s O - K , s OK , K , V e r s O K y s Of lK , K y V e r s O K , s OK ，K , V e r s O c OK , K T V e r s O - K , s Ol ， 、 L L K y e r s 蛳0K y K , V e r s O K , s OK , K , V e r s 0 4 t Oj K w d F 聊Ⅻ孔删 。1 K w 柚 2 反复进行上述过程即可实现视窗的旋转。 仿真环境中建立了一个光源，该光源的调整包 括光源位置调整和光源强度调整，通过直接调用 C H A I3 D 的A P I 来调整光源的位置和强度。 2 ．2 设备对象模块 通过设备对象模块，可以在虚拟环境中的指定 坐标处添加需要的选矿设备模型，从而可构建整个 虚拟选矿厂的设备联络图。 仿真平台采用C H A I3 D 类库建立虚拟环境 即仿真“世界” ，而C H A I3 D 类库只能导入 c M e s h 类对象 即以．o b i 文件存储的设备模型 ，因 此，需在P r o ／E 中建立设备模型，再通过一定步骤 导人到虚拟环境中成为操作对象。 为此，首先建立各个对象对于“世界”和其他 对象的父子关系，由此可确定各个部件对象的运动 关系，为设备的父对象的坐标、姿态分别关联位置 万方数据 2 3 6有色金属 选矿部分 向量及姿态向量．这两个向量各个元素可由用户输 出．由此可确定整个虚拟设备在环境中的位置和朝 向．利用C H A l3 D 的s c a l e 函数对整个设备进行 适当缩放，以满足规察要求 2 ．3 碰撞检测模块 在虚拟选矿厂中，流动的矿浆不能从管道的侧 壁“流出”，浮选机的排矿锥阀不能“穿过”下端 的阀座，球磨机内充填的钢球不能从筒体“滚出”， 碰撞检测模块就是为解决此类问题而创建。仿真平 台的碰撞检测模块基于包嗣盒层次树的碰撞检测方 法创建，即为设备对象、矿浆等实体 M e s h 建立包 围盒，采用坐标轴的轴向包围盒 A A B B 检测法检 测体与体之间的碰撞情况”。 检测对象的A A B B 包围盒被定义为包含该对象 H 各边平行于坐标轴的最小六面体“。图3 是被 A A B B 包围盒包围的三维实体的二维投影示意图。 在仿真环境中的实体都是由i 角片包络而成的，这 就要为每个实体建立一个A A B B t r e e 的二叉树数据 结构。计算思路是用一个A A B B 包围盒将实体围 住，当对两个物体作碰撞检测时，首先检测两者的 A A B B 包围盒是否相交，即树枝是否有交集，若不 相交，则说明两个物体未相交．否则再进一步对两 物体作检测- ⋯。通过对两个实体外表的i 角片的 N A B B 包围盒遍历求交运算，直至遍历到A A B B t r e e 叶子，以求得两个实体的碰撞情况。 A A B B 包围盒的计算需分别计算组成对象的基 本儿何元素集合中各个元素顶点的z ，y ， 坐标的 最大值和最小值，A A B B 包围盒间相交测试的充分 必要条件是两个A A B B 包围盒相交日．它们在三个坐 标轴卜的投影区问均重磋。坐标轴的轴向包围盒检 测法 A A B B 占用资源少，不仅适合于刚体间的 碰撞检测．同样也可用于柔性体6 | 。 图3A A B B 包围盒 三维 的二维投影示意 F i g3D i a g r a mo f2 DP r o j e c t i o no fA A B Bb o x 3 仿真平台搭建过程 仿真平台搭建步骤包括五步。 第一步．准备选矿设备等研究对象的■维模 型1 在P r o ／E 中生成设备零件的i 维模型；2 在P r o ／E 中将零件二三维模型组装成为各个设备的■ 维装配模型；3 在P r o ，E 中将设备各个部件的．a s m 文件转存为．o b ；文件。 第二步，在V i s u a lc 开发环境中生成该平台 基本框架1 利用C H A I3 D 类库生成虚拟现实环 境；2 设置虚拟环境的背景颜色、照相机、光源 等；3 对指定的模型设置纹理映射。 第三步，创建仿真平台交互模块。利用前述平 移、缩放、旋转算法实现视窗的平移、缩放和旋转 功能，利用C H A I3 D 类库函数实现对光源的亮度、 方向的调整调整。 第四步，创建设备对象模块．并将研究对象模 型导人到环境中1 将设备各个部件的．o b i 文件 利用C H A I3 D 的类库函数导人到虚拟环境中，生 成虚拟选矿厂中的实体；2 在虚拟环境中依据 P r o ／E 中装配关系重新装配所导人的模型，形成设 备等对象的整体 “。 第五步，创建碰撞检测模块。基于A A B B 包围 盒建立被检测对象的包装盒，并为每个实体建立一 个A A B B t r e e 的二叉树数据结构，依据这些数据结 构进行碰撞检测。 仿真平台搭建完毕，运行后界面如图4 所示。 在每次仿真过程中，可以根据仿真内容，往虚拟环 境中添人相应的模型对象即可。 吐界” l 图4 平台运行效果 F i g4O p e r a t i n gv i e wo fs i m u l a t i o np l a t f o r m 在仿真平台搭建过程中， 1 在P r o ／E 中建模时， 要注意以下几点。 应注意模型根坐标的 蛎 r 万方数据 2 0 11 年增刊1 郭振宇等虚拟选矿厂仿真平台搭建 2 3 7 选取，否则会导致仿真环境中模型的运动与要求不 符，甚至会导致模型重建。同时要注意设备部件的 装配，所有运动时相对位置发生变化的零件不能装 配为一个装配体。 2 导入到O p e n G L 环境中的设备模型应结构 简单。如果在O p e n G L 环境里的仿真过程只涉及设 备的运动学仿真，不涉及设备的动力学仿真，则应 该在P r o ／E 中对模型进行一定简化，最合理的办法 是将设备部件等模型简化为一个内部为空的壳体， 从外观上满足仿真要求即可，这样可以极大提高仿 真实时陛。 3 在P r o ／E 中生成的模型导人到O p e n G L 环境 中后，存在冗余三角形和冗余点，如果该模型被当 作刚体使用，则无需进行额外处理。如果该模型被 当作柔性体仿真，即该模型在O p e n G L 环境中会发 生变形，则一定要去除该模型中的冗余三角形和冗 余点，否则影响碰撞检测的实时性f 7 ] 。 4 一个．o b i 文件在O p e n G L 环境中被视为一个 零件，因此，一个装配体文件在该环境中是一个整 体，它只能整体的旋转、平移和缩放，该装配体中 的所有零件相对于整个装配体是固定的，并共享一 个坐标。 5 在O p e n G L 环境中重新装配模型时，一定 要慎重确定模型中各个部件的父子关系，尤其是设 备中有并联机构时【7 1 。 6 仿真过程中，必须实时渲染交互窗口，不 然观察者将看不到“世界”中的物体运动。 4 仿真平台运行实验 为查看该仿真平台的运行效果，创建了选矿厂中 常见的K Y F - 5 0 浮选机组及浮选流程仿真环境。在 P r d E 中对浮选机组进行三维建模，如图5 a 所示， 之后对三维模型进行U V 变换将之转化成W A V 实 体，即将模型转化成曲j 文件，如图5 b 所示。 图5 浮选机实体 F i g ．5 I n s t a n c ef o rf l o t a t i o nc e Ⅱs a 浮选机三维实体； b 浮选机W A V 实体 运行仿真平台程序，利用设备对象模块导人 K Y F 一5 0 浮选机模型。人机界面如图6 所示。人机 界面分为图形反馈窗口以及操作控件，在图6 a 和图6 b 中的黑色方框分别标识。通过对控件的 操作，可实现对浮选机14 电机和2 电机的启停操 作以及设置排矿锥阀开度。当锥阀底部与阀座发生 碰撞时．碰撞检测模块会对开度自动进行调整，使 开度不小于0 ．0 ％。 图6 仿真平台人机界面 F i g ．6 H u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e o fs i m u l a t i o np l a t f o r m a 图形反馈窗口 b 仿真操作区 在仿真平台中，导入不同数量的K Y F 一5 0 浮选 机模型，可实现对浮选流程的仿真环境的创立，图 7 中建立了两槽浮选机组成的两个浮选作业流程的 仿真环境。基于此，可以导人更多的浮选机组，来 创建需要的浮选作业流程的仿真环境。 图7 浮选流程仿真环境 F i g ．7 S i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to ff l o t a t i o np r o c e s s 5 结论 基于虚拟现实技术，介绍对虚拟选矿厂仿真的 实现方法，根据选矿厂实际情况，搭建了虚拟选矿 过程的仿真平台。该仿真平台嵌入了交互模块、设 备对象模块、碰撞检测模块。仿真平台的运行表 明，该平台具有良好的交互性与扩展J 陛，为虚拟选 下转第2 4 3 页 『 万方数据 2 0 11 年增刊I朱江等湖北j 鑫金铜股份有限公司选厂磨矿自动化改造与应用 通过压力计检测给矿压力、浓度计检测溢流浓 度来间接反应溢流粒度、调节给矿泵的转速来调节 给矿压力，控制给矿压力在一定的范围内。结合给 矿浓度把溢流粒度控制在合格的范围内。 4 磨矿自动化应用效果 1 改变操作方式。自动化系统配备了自动检 测仪表和执行机构，代替了眼看、耳听、手摸、开 闭阀等传统的人工操作方式，将人从传统的工作方 式中解放出来，可有效地减少岗位操作人员。操作 者可以把更多的时间放在设备巡检上，工艺指标主 要靠自控系统来实现。 2 提质稳产。选矿自动控制系统可有效消除 由于矿量、水量、药剂量的波动带给磨浮过程的不 利影响，使控制系统能及时调整，提高质量，挖掘 出设备的潜力，提高产量。 3 节能降耗。球磨机提高了处理能力，同比 设备的电耗并未上升，同样的电耗多处理了原矿， 相比之下对原矿的单耗反而下降。自控系统改善了 球磨机的工作条件，磨机的空砸造成欠负荷的机会 大大减少，球磨机衬板的利用率得以提高，原矿的 单位衬板消耗也会下降。采用变频输送矿浆减少设 备磨损，同时将电机处于工频以下频率运行，可降 低设备的工作电流，节约能源。 选矿自动化系统经过调试和完善，及磨矿分级 的相关工艺参数试验，确定了球磨给矿量、给矿泵频 率、旋流器的给矿压力、沉砂嘴尺寸及其组合等工艺 参数，磨矿分级溢流稳定在2 够描％，入浮原矿的细 度由原来的- 0 ．0 7 5l n n l6 5 ％提高到- 0 ．0 7 5m i l l7 0 ％， 改善了分级溢流的粒度组成，降低粗粒级别比例 0 ．2 8m i l l 粒级含量由8 ％降至3 ％左右 。选厂碎 磨自动化改造后，同人工操作相比，自控系统的磨 矿台时提高了5 ％以上，分级溢流产品的粒度合格 率提高了5 ％，降低磨矿单耗2 ％。达到了预期的 目标，并为选别作业创造了条件。 2 0 1 0 年全年处理原矿量9 5 ．3 5 万t ，与技改前 2 0 0 8 年相比，原矿处理量增加2 1 ．4 6 万t ，在原矿 金、铜品位分别为1 ．7 9g ／t 、1 ．3 1 ％时，金铜回收率 分别达8 2 ．1 3 ％和9 3 ．11 ％，均超过设计指标。在入选 原矿金、铜品位有所降低情况下，矿山铜增产1 4 0 0t ，矿山金增产1 7 0k g 。 5总结 三鑫公司选厂自动化改造提升了选矿技术水 平，尤其是磨矿分级自动化，做到了磨矿作业的均 衡给矿，提高了磨矿效率，改善了分级溢流的粒度 组成，降低了难选粗粒级别矿石的比例，确保了生 产过程的稳定，也减轻了工人的劳动强度，对提高 选矿技术指标和经济效益起到了至关重要的作用。 参考文献 [ 1 ] 明平田，毕文．选矿自动化在金辉矿业的应用E J3 ．武汉 工程大学学报，2 0 1l ，3 3 2 9 1 - 9 5 ． [ 2 ] 吴东平。孙俞年．磨矿分级自动控制系统在南京银茂选 矿厂的应用[ J ] ．采矿技术，2 0 0 9 ，9 1 1 0 5 1 0 6 ． [ 3 ] 杨克琴．安庆铜矿选矿自动化改造[ J ] ．矿业快报，2 0 0 6 、 ／佘 ／佘 ／佘 ／佘 ‘ ／昏 ／；、 ／佘 石 ／；、 ／佘 令 ／仝 ／佘 ／；、 ／佘 ／小 ‘ ／仝 ／孙 ‘卜 ，仝 ／i 、 以卜 ／小 ／；、 ／；卜 ／玉 ／会 ／玉 ／奢 仓 ／；、 卜 上接第2 3 7 页 矿仿真提供了有力手段。后续的研究工作将在建立 选矿厂其他常用大型设备虚拟模型的基础上，搭建 整个虚拟选矿厂的仿真环境。 参考文献 [ 1 ] 周前祥，姜世忠，姜国华．虚拟现实技术的研究现状与 进展[ J ] ．计算机仿真，2 0 0 3 7 1 - 4 ． [ 2 ] L I UA ，T E N D I C KF 。C L E A R YK 。e ta 1 ．As u r v e yo f 8 u r g i c a ls i m u l a t i o n a p p l i c a t i o n s ，t e c h n o l o g y ，a n d e d u c a t i o n [ J ] ．P r e s e n c e ，2 0 0 3 ，1 2 6 5 9 9 6 1 4 ． [ 3 ] 郭振宇．腹腔微创手术机器人手术器械设计和操作仿真 研究[ D ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 9 3 0 3 2 ． [ 4 ] 李井辉，申静波．基于包围盒的碰撞检测技术研究[ J ] ． 高校实验室工作研究，2 0 0 6 ，1 2 4 3 1 3 4 ． [ 5 ] 郝峰．机器人辅助支撑喉镜手术虚拟仿真系统研究 [ D ] ．天津天津大学，2 0 0 7 4 7 - 4 8 ． [ 6 ] 金汉均．虚拟环境中物体碰撞检测算法研究[ D ] ．武汉 华中科技大学，2 0 0 6 l o ．1 3 ． [ 7 ] 朴明波．腹腔微创外科手术机器人仿真平台搭建及操作 仿真研究[ D ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 9 8 4 - 8 6 ． 万方数据