高速挖掘机液压管道曲面重建及其奇异性探讨.pdf

RM CM 设 备 管 理＆ 维 修 技 术 E q u ip m e n t M a n a g c m e n t M a in te n a n c e T e c h n o lo g y 高速挖掘机液压管道曲面重建及其奇异性探讨 D i s c us s i o n o n Sur f a c e Re c o ns t r uc t i on a nd Si ng ul a r i t y of H y dr a u l i c Pi pe s of H i g h- s pe e d Ex c a va t o r 储伟俊 ， 周建钊 ， 徐婷 ， 陈明宏， 刘斌 CHU W ei j u n ， ZHOU J ian z h a o， XU Ti n g ，CHEN Mi n g h on g ，L l U Bi n 中 国 人 民 解 放 军 理 Z T _大 学工 程 兵 工 程 学 院 ， 江 苏南 京 2 1 0 0 7 Engi neer i ng I nst i t u t e of Engineer i ng Cor ps，PLA Uni ver si t y of Sci ence and Technol ogy， Na n j i n g 21 0 0 07 ，J i a n g s u Ch J na 【摘要 】 论 述 了军 用 高速 挖 掘 机液 压 系统 弯 曲异径 管 道 N U RB S 曲面 以及 复 杂管 道 曲面 的重 建 方法 、分析 了管道 曲 面 中 存 在 的 奇 异 情 形 ， 探 讨 了 管 道 曲 面 发 生 自交 的 条 件 和 对 曲 面 重 建 的 影 响 。 给 出 了 管 道 曲 面 非 奇 异 的 充 分 和 必 要 条件 ， 并 确定 了控 制 重 建 中 各种 管 路 弯 曲 的最 小 曲率 半径 ． 对 液压 系统 中复 杂 走 向管道 间 的相 交 干 涉 条件 问题 提 出 了 解 决 对 策 【 Ab s t r a c t】T h e r e c o n s t r u c t i o n o f c u r v e d NUR B S s u r f a c e a n d c o mp l e x s u r f a c e o f h y d r a u l i c s y s t e m o f h i g h s p e e d exca vat or f or m i l it ar y use w a s di scus sed． The si ngular it i es w i t h loc al di f f er ent i al geom e t r y pr oper t y an d w hol e di s t ance pr oper t y o f pi pe sur f ace w er e anal yz ed． The s elf i nt er sect i on condit i on and t he i nf l uence on t he pi pe sur f ac e r econs t r uc t ion w er e di sc ussed．The necessar y and s uf f i cien t condit i ons f or non si n gul ar it y of pipe s ur f ace w er e given． The sol ut ion t o t he i n t er sect i on pr obl em of com pl e x pipes i n hydr aul i c sys t em w as put f or w ar d 【关键 词 】 高 速 挖掘 机 ； 曲面 重 建 ； NU RB S； 奇 异 性 【 K e y wo r d s】h i g h s p e e d e x c a v a t o r ； c u r v e d s u r f a c e r e c o n s t r u c t io n ； NUR B S ； s i n g u l a r i t y 中 图 分 类 号 U4 1 5 ． 51 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 - 0 3 3 X 2 0 1 2 0 2 0 0 7 4 -0 3 0 引 言 军 用 单 斗 全 回 转 轮 式 高 速挖 掘 机 具 有 行驶 速 度 快 、 作 业 效 率 高 、 机 动 能 力 强 、 作 业 条 件 恶 劣 等 使 用 特 点 ， 广 泛 用 于 城 市 建 筑 、 道 路 施 工 、 军 事 工 程 、 抢 险 救 灾 及 农 田 水 利等 工 程 中 。 为 了满足 高 速挖 掘 机 综合 技 术 保 障 的高 要 求 ， 发挥 虚 拟训 练 系统 的作 用 ， 必须 寻 求 一种 快 速 方便 的三 维 模 型 重 建途 径和 方法 ，解 决 虚 拟 系统 中三 维 建 模 技 术 的瓶 颈 问题 因此 ， 研 究作 为 装备 虚 拟训 练 系统 关键 技 术 之 一 的 三 维 几 何 模 型 重 建 技 术 显 得 愈 来 愈 重 要 ， 它 是 生成 “ 逼 真 ” 模 拟 系 统 的核 心 ， 也是 目前研 究 的热 点 。 液 压 管 道 曲 面 的 重 建 是 高 速 挖 掘 机 重 建 的 重 要 组 成 部 分 ， 是 开发 虚 拟 系统 的基 础 ，并 有助 于 虚 拟 系统 在 综合 技 术 保 障 中发 挥应 有 的作 用 管 道 曲面 的 重建 不 同于 一 般 的 机械 零 件 ， 有其 特 殊 性 I I 。 本 文 主要 对 构 建军 用 高速 挖 掘 7 4 机 液 压 系 统 管 道 曲 面 的 方 法 和 管 道 曲 面 重 建 中 出 现 的 奇 异 性 问 题 进 行 探 讨 。 1 高 速 挖 掘 机 液 压 系 统 管 道 曲 面 的 重 建 1 ． 1 NuRBs 弯 曲异 径 管 道 曲 面 重 建 NuRBs 作 为 一 种 非 常 优 秀 的 建 模 方 式 ， 在 高 级 三 维 建 模 软 件 中 都 提供 了支 持 。但 是 ， N URB S 技 术 还 处 于 一 个 不 断 发 展 的阶 段 ， 很 多技 术 还 不成 熟 。在 N UR B S 曲面 重 建 中 ． 往 住 不 能 一 蹴 而 就 ， 必 须 结 合 多 种 处 理 方 法 和 手 段 ． 才 能 满 足 原 有 零 件 的 几 何 外 形 的 要 求 I - I 针对 高速 挖 掘 机 N UR B S 弯 曲异 径 管 道 曲面 的重 建 ． 可 以 通 过 一 截 面 线 沿着 测 量 得 到 的 脊 线 曲 线 的 方 向移 动 。 截 面 线 在 移 动 过 程 中 进 行 平 移 ． 截 面 线 形 状 变 化 则 生 成 一 变截 面 的 管道 曲面 如 图 1 所 示 ． 设脊 线 方程 l 2 l为 。 ， 1 ∑ “ 截 血 线 自 勺万 桂 分 别 力 V 1 窆 ～ R j 一 ” u 。 ，v 2 d i ,3Ri， ⋯ Rj ” ， 2 3 图 1变 截 面 臂 遭 曲 面 的 生 成 将 两截 面 曲线 进行 升 阶 处理 ． 统 一 阶数 ， 并使 其 具 有 相 同 的 节 点 矢 量 ， 则 生 成 的 曲 面 为 尸 ∑∑d ⋯ R ， 4 i 0 i o 节 点 矢 量 d ． ， ， ， 2 d． 1 -d。 ，。 门， ， di ． -d ， 权 因 子 6 ， W ，6． W ， 其 中 一 ， 6 ． 一兰 I_～ 一 d ，ldo，1d ，1di，】 一 d ，ld D，】 d 一 di l do ,1d 1 d ．1 1 ． 2 液 压 系统 的 复 杂 管 路 重 建 军 用 高 速 挖 掘 机 的 传 动 系 、 行 驶 系 、 转 向 系 、 制 动 系 、 工 作 装 置 及 操 纵 系统 中都 存 在 液 压 装 置 和 液压 管 路 ． 这 些 管 路 错 综 复 杂 ， 准 确 重 建 很 困 难 ， 其 关 键 是 要 确 定 出 管 路 的 脊 线 曲 线 。 用 脊 线 曲 线 来 表 示 管 道 的 走 向 和 空 间 的 布 局 ， 使 显 示和 处理 速 度 加 快 ， 对 复 杂 的空 间 管道 表 示 比 较 清 晰 。 图 2 所 示 为 高 速 挖 掘 机 的 转 台 液 压 管 路 重 建 图 。 管 道脊 线 曲线作 为 空 间 曲线 可 以简 化 为 由 一 系列 空 间 直 线 和 空 间 圆 弧 线 组 成 。 空 间 圆 弧 可 以描 述 为 ] cl a s s CAr e { publ i c u n s i g n e d c h a r L i n e T i p e ； ／ ／ 直 线 、 圆弧 、 圆等 线型 GF P OI NT S t a r t P， En d P， Ce n t e r ；／ ／ 圆 弧 起 点 、 终 点 和 E q u i p me n t Ma n a g e me 设 nt M 管 a i n 理 t e n a ＆ nce 维 Te 修 c h n 技 ol o 术 gy R_ V _ CM ■ ■ ■ ■ ■ 一 ■ ■ ■ 图 2转 台 液 压 管 路 宣 建 圆 弧 中心 的三 维 坐标 d o u b l e Ra d i u s ／ ／ 圆 弧 的 半 径 d o u b l e An g l e l ， An g l e 2； ／ ／ 圆 弧 起 始 和 终 止 角 度 B O OL C 1 o c k ／ ／ 圆弧 的走 向 顺 时针 或逆 时 针 d u b 】 e No r rea l 『 3 ] ／ ／ 圆 弧 所 在 平 面 的 法 向 量 d o u b l e R e f Di r [ 3 ] ／ ／ 圆弧平 面 参考 方 向 向量 2 管 道 曲 面 重 建 中 的 奇 t 1 1 t 形 分 析 2 ． 1 管 道 曲 面 的 奇 异 性 假 设 脊 线c t 是正 则 的 ， 即c t 是简 单 的 ， 且 l c l ≠ 0， 那 么 管 道 曲 面 存 在 两 种 奇 异 情 形 一 种 源 于 曲 面 的 局 部 微 分 几何 性 质 局 部 自相 交 ， 即 奇异 情 形 发 生 在 当 管道 曲面 的半 径r 超 过 曲线 的最 小 曲率 半 径 时 。如 图3 所 示 另一 种 源于 曲面 的整体 距 离 性质 全局 自相 交 ， 即奇 异情 形发 生在 脊 线上 两 个 内点 包括 两 个端 点 之 间 的最 1 J 、 距 离／ J 、 于两 倍 的半 径r 时 。全 局 自相 交可 以 分为 以下 三 类 情 况 。 圜 3雷 逗 建 模 中 的 局 邵 目 交 情 况 1 端 点 圆与 端点 圆 管 道 曲面 的两 个端 点 圆相 交 2管 道 体 与 管 道 体 管 道 曲 面 的 不 同 部 分 相 交 。 3 端 点 圆与 管道 体 一 个 管道 圆 与端 点体 相 交。 2 ． 2 管 道 曲面 非 奇 异 的条 件 在 曲 面 构 建 过 程 中 发 生 了 自 交 ． 那 么 将 导 致 建 模 的 失败 ， 一个 看似 简 单 的 问题 ， 因为 自交 情 况 的 出现就 变得