Design and Implementation of a Virtual Magnetic Separation Laboratory System Based on Unity3D
To address the issues of equipment shortage and safety in the laboratory, this paper utilizes virtual reality technology to establish a 3D model of experimental equipment using 3DS Max and SolidWorks, and designs a magnetic separation laboratory system based on the Unity3D development platform. This system comprehensively and multi-dimensionally simulates the magnetic separation experiment process, building a new teaching system that integrates the Internet, on-site experiments, and virtual experiments. The virtual experimental system can vividly simulate the 3D scene, instruments, and operation flow of magnetic separation laboratory, enhancing the realism of the experiment, and successfully addressing limitations in experimental content, time, resources, and expenses. It stimulates and improves students’ learning interest and efficiency. By allowing students to operate the virtual magnetic separation experiment system immersively, it helps to deepen their memory of the experimental operation process, thereby improving teaching effectiveness.
Magnetic Separation Laboratory
实验是培养工科学生动手能力的重要途径。在选矿实验中,磁选选矿工艺和指标研究扮演着关键角色。随着互联网技术的不断进步,虚拟现实(VR)技术在实验教学中的应用越来越受到关注。VR技术通过在计算机中建立高度仿真的虚拟空间,并提供身临其境的人机交互体验,为使用者带来全新的感受。由于其成本低、风险小、仿真度高等特点,VR技术已经被广泛运用于医疗、制造、化工、航天、教育、军事、海洋和能源等领域的技能培训和实践教学中。
在国内外,已经有不少研究关注虚拟现实技术在各个领域的应用。比如,赵剑锟等人设计了基于Unity3D的核事故后放射性物质大气、水体扩散虚拟仿真实验教学系统
本文聚焦于半逆流型湿式永磁圆筒式磁选机,基于Unity3D虚拟仿真技术构建了多功能一体化的综合性教学实验平台,以满足虚拟仿真实验教学项目建设的基本要求。该平台结合了便携性和功能性,并采用了第一人称视角的操作模式,充分发挥了虚拟仿真的沉浸体验优势,让操作者获得真实的代入感。此操作模式已被广泛应用于国内外各类电脑游戏和虚拟现实项目中。将这种操作视角引入教学实验平台,最大限度地发挥了虚拟仿真的优势,对于学生掌握控制理论相关课程的内容具有重要的促进意义。
基于选矿实验的需要,磁选实验室系统采用了3D仿真技术、多媒体技术和网络技术,并以半逆流型湿式永磁圆筒式磁选机选矿实验为核心内容,构建了面向服务的软件架构。该系统集实物仿真、创新设计、智能操作和虚拟实验结果于一体。
应用层:这个模块主要用于面向用户的仿真功能外在应用层面,旨在将仿真系统中的各种功能和信息进行有效封装。它使得用户可以在系统场景中进行可视化实验,并通过PC终端操作界面进行交互。
逻辑层:这个模块是虚拟实验系统运行时,Unity3D引擎的底层逻辑,包括UI交互、粒子系统、碰撞检测、模型渲染等开发技术。
数据层:这个模块是用来分别设置虚拟实验的用户信息、磁场强度、矿石位置、矿石运动轨迹、试验参数等,通过物体的位置、速度等属性来获取相关数据。
支撑层:这个模块包含开发和运行本平台的硬件、软件与网络环境
半逆流型湿式永磁圆筒式磁选机对象装置的模块包括矿石进料计量控制单元、磁场强度控制单元、矿物分离控制单元和产品收集单元等。在磁选过程中,矿石通过进料装置被均匀地送入旋转的筒体。在筒体内,矿石受到永磁系统产生的高梯度磁场的影响,导致磁感应线穿透矿石并使其磁化。磁性矿物颗粒在永磁圆筒表面形成磁性产品层,随着永磁圆筒的旋转,磁性产品沿着永磁圆筒的表面逐渐移动,并最终被收集到磁选机的出料口处。非磁性矿物颗粒则随着矿浆的流动,穿过永磁圆筒表面,最终从磁选机的底部排出,形成非磁性产品,从而实现对磁性矿石的有效选别和回收。
实验时的沉浸感直接受到三维模型和场景的影响
本系统通过使用Unity3D虚拟仿真引擎完成实时实验运动仿真。半逆流型湿式永磁圆筒式磁选设备工作受到磁场强度的影响,在满足基本物理属性的前提下,我们可以根据设备单元之间的操作逻辑和实验反应机理来编写相应的操作脚本。在Unity3D中,圆筒内部创建一个磁场区域,模拟磁选机内部的磁场,使用MonoBehavior基类进行封装绑定这些脚本,用来模拟磁场对磁性物质的吸引力或排斥力。
根据磁力公式和相关变量,编写脚本来计算磁力。将这个计算过程封装在一个方法,以便在需要时调用。根据计算得到的磁力大小和方向,使用Unity提供的物理引擎方法来施加力到游戏对象上,模拟磁场对磁性物质的作用力。
磁性产品中的磁性矿粒的运动轨迹在磁场作用下受到磁力吸附到磁极上,从而被有效地分离出来,并且吸附效果取决于磁力强度、矿物本身的磁性以及矿浆的流动速度等因素。相反,非磁性产品中的非磁性矿粒的运动路径则主要受到施加在它们身上的机械力的影响,如离心力、重力或水流的冲击
式中, 为作用在磁性强的矿粒上的磁力, 为作用在磁性弱的矿粒上的磁力, 为与磁力方向相反的机械力的合力。
确保磁性矿物颗粒被吸附于磁极上,以便顺利分离具有较大磁性差异的易处理矿物。 确保在分离磁性差异较小的难选矿石时,获得高质量的磁性成分。在磁场的作用下,具有较大磁性差异的矿物将被吸附到磁极上,而磁性较弱或非磁性的矿物则会受到其他力的作用被冲走。通过磁性矿物颗粒在运动过程中所获得的位能,可以推导出回收磁性矿粒所需的磁力计算公式。
按磁场的空间分布分类,可以划分为两种类型:均匀磁场和非均匀磁场。均匀磁场的强度和方向受到产生磁场的磁源特性的影响,例如磁体的大小、形状、磁性材料的种类等。非均匀磁场源的布局和形状会直接影响磁场的分布情况,例如磁极的位置、形状、数量等。在均匀场中,各点的磁场强度是
相等的,而在非均匀场中则各点的磁场强度存在差异。磁场的非均匀性可以通过导数 来描述,即磁
场强度H在L方向上对距离的变化率。
在不同的磁场中,矿物颗粒的受力会有所不同。在均匀的磁场中,矿物颗粒受到磁力的作用。如果矿物颗粒具有磁性,它们将在磁场中受到磁力的作用而被吸引或排斥
在半逆流型圆筒式磁选机磁场中,作用于磁性物质颗粒(磁性矿物粒子)的磁力可以通过其在磁化过程中获得的位能来确定。磁性物质颗粒在磁化时所获得的位能可以通过以下公式计算:
(1)
式中, 为被磁化颖粒的磁位; 为真空的磁导率; 为颗粒的物质体积磁化率; 为颗粒的体积元; 为颗粒体积中的磁场强度。
根据力学定律,颗粒所受到的力可以使用 的负梯度来表示。因此,作用在颗粒上的磁力又可写成:
(2)
式中,负号表示磁力 吸引颗粒所做的功导致位能的降低。
结合物料物性数据和上述公式,建立反应单元的微分方程。根据计算结果,使用刚体组件向磁性物质对象施加力,模拟磁场对其的影响。通过使用泛型方法GetComponent<>(),通过绑定矿物颗粒和磁系结构单元组件,我们可以获得包括实时实验参数在内的信息。根据欧拉法将反应物料和条件等信息进行离散化处理,以满足反应守恒方程的要求。在每一帧更新过程中,根据力的作用,更新磁性物质对象的位置和运动状态。
在磁选过程中,磁性矿石颗粒会受到磁场的吸引力,导致其向磁场强度更强的区域运动,并最终被吸附到磁极或磁性滚筒上。当矿石颗粒受到磁力吸附到筒壁上时,可能会发生与筒壁的碰撞。运用碰撞检测这个方法可以确保物料在圆筒内的运动过程中不会穿过圆筒壁或产生异常碰撞。
Unity中的两个物体要想发生碰撞,必须依赖于自身的碰撞器组件(Collider),并且至少其中一个物体必须附有刚体组件(Rigidbody),其中附带碰撞检测脚本的物体必须有刚体组件
粒子系统用于创建各种视觉效果,如火焰、爆炸、烟雾、雨、雪等。它允许开发者在游戏中添加各种动态效果,以增强游戏的真实感和视觉吸引力
用户在本系统的实验流程仿真中扮演着交互主体和核心需求的角色。在虚拟环境中模拟操作实验流程时,用户需要与虚拟孪生设备进行交互
整个实验流程逻辑如下:① 用户登录实验系统之后,可以浏览整个实验室布局、仪器和设备。实验的目的与原理、方法与步骤、安全与注意事项均可以点击相应模块进行显示,文字说明及浏览的方式可以使学生充分了解该实验。② 用户点击前处理按钮对矿物进行粉碎和研磨,然后选择磁选设备会进入到试运行步骤,点击“开始实验操作”按钮,通过调节磁场的强度和方向,可以更精确地控制磁性矿物和非磁性矿物的分选效果。③ 用户根据操作流程逻辑进行反应流程的操作,并通过设备运行状态的变化记录操作过程。其中,用户可以点击“查看试验记录”按钮,系统会根据上一次的操作判断当前进度,并基于流程信息和操作流程脚本为用户展示当前实验的具体实验记录,实验完成后,点击“查看实验结果”,界面会显示品位率、回收率和产率。实验室仿真流程如
本文通过使用MySQL数据库完成对Unity3D之间的数据对接。前台Unity3D以Windows提供的ActiveX控件为基础,在Unity中编写脚本来实时采集试验过程中的各种数据,包括磁场强度、矿石位置、矿石运动轨迹、试验参数等,通过物体的位置、速度等属性来获取相关数据。然后在服务器端用C#脚本建立一个应用程序,该应用程序负责连接MySQL数据库,并提供RESTful API或其他形式的接口供Unity客户端访问。在服务器端应用中使用相应的数据库连接库来连接MySQL数据库,并执行SQL查询和操作
本虚拟实验以半逆流型湿式永磁圆筒式磁选机为实验工具,以硫精矿为例,目的是分离选出含砷较低、含铁较高的磁性产品及含砷较高的非磁性产品。首先分别给矿物颗粒模型添加物理属性,分为磁性矿物和非磁性矿物,并且对矿物颗粒进行分组,模拟实验对象主要为硫精矿,然后根据硫精矿的化学成分为其矿物模型添加不同的元素属性,包括硫、铁、砷元素,将他们分别设置并且跟踪每个矿物组的数量,设置原料进料时的总量,并根据原始进料和分离后的产物计算产率、品位和回收率。产率是目标矿物的总量和原始进料的总量百分比,品位是所含目标矿物的重量百分比,回收率是成功提取目标矿物的百分比。最后设置不同的磁场参数,如磁场强度、方向等。对模拟的硫精矿进行了多组实验,在相同的实验条件下进行重复操作,并比较了不同实验之间的结果差异。计算了得到的矿物产率、品位和回收率数据,在不同磁场强度实验结果如
磁场强度/OE |
产率/% |
硫 |
铁 |
砷 |
|||
品位/% |
回收率/% |
品位/% |
回收率/% |
品位/% |
回收率/% |
||
1600 |
18.65 |
36.54 |
18.52 |
55.62 |
19.68 |
0.496 |
1.05 |
1800 |
19.53 |
36.21 |
22.46 |
55.60 |
21.54 |
0.598 |
2.05 |
2000 |
21.85 |
19.56 |
35.45 |
55.79 |
22.05 |
0.795 |
2.96 |
同时,在现场实验室按磁场强度分别为1600、1800、2000奥斯特磁场条件下进行试验,实验结果如
磁场强度/OE |
产率/% |
硫 |
铁 |
砷 |
|||
品位/% |
回收率/% |
品位/% |
回收率/% |
品位/% |
回收率/% |
||
1600 |
19.00 |
37.59 |
18.68 |
55.41 |
21.51 |
0.448 |
1.28 |
1800 |
20.54 |
36.24 |
22.52 |
55.30 |
23.63 |
0.593 |
2.13 |
2000 |
21.68 |
21.66 |
34.99 |
56.72 |
23.81 |
0.706 |
3.11 |
使用PC终端平台登录磁选虚拟实验仿真系统时,利用UGUI面板组件来建立用户的仿真操作界面。同时,我们可以通过观察者摄像头挂载控制脚本,让用户通过操纵鼠标和键盘来实现视角的转换。这样,用户就可以在虚拟实验室中自由地移动并进行场景漫游。系统效果及部分功能模块图如
本系统利用Unity3D仿真技术,创建了磁选实验的虚拟仿真场景,利用虚拟现实技术,构建了逼真的虚拟实验环境,通过交互设备进行操作,模拟了磁选实验。在完成真实实验的前提下,通过对硫精矿在不同磁场强度下进行磁选实验,虚拟实验结果与实际磁选实验结果进行对比后,选出了含砷较低、含铁较高的磁性产品及含砷较高的非磁性产品,验证了虚拟磁选实验室的有效性和准确性。
学生可以提前学习实验的基础知识,并通过各种交互功能熟悉实验流程,从而提高对实验仪器组成部件的认识和操作技能,丰富学习内容,并且可以在任何时间、任何地点多次进行实验操作,从而加强实验学习,有效减少实验设备的损坏,并提高实验利用效率。因此,该系统具有很高的应用价值。