液压挖掘机三维虚拟实验设备的设计与开发.pdf

机械制造 羊玢， 等 液压挖掘机三维虚拟实验设备的设计与开发 液压挖 掘机 三维虚 拟实验设备 的设计 与开发 羊玢， 宋化卫，王玉， 江志鹏 ， 王哲 南京林业大 学 汽 车与交通工程学 院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 3 7 摘要 基 于多体动力 学分析软 件 R e c u r D y n建立液 压挖掘机 虚拟 样机 模 型， 进 行 工作装 置 建 模 和运动仿真分析 ， 并对液压挖掘机 的作 业范 围进行动 态仿 真 ， 得到挖 掘机 工作 时的最佳作 用 状态。基于虚拟现实软件 V i r t o o l s建立液压挖掘机三维虚拟 实验平台， 对液压挖掘机的不同工 作状态进行虚拟模拟， 提供液压挖掘机结构和原理的生动、 逼真的沉浸式的学习环境。 关键词 液压挖掘机 ； 虚拟 实验设备 ； R e c u r D y n ； V i o o l s 中图分 类号 T HI 2 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标志码 B 文章编 号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 4 0 2 0 0 3 2 0 4 De s i g n a n d De v e l o pme nt o f Hy dr a ul i c Ex c a v a t o r 3 D Vi r t ua l La bo r a t o r y Eq ui pme n t YANG B i n ， S ONG Hu a w e i ．WANG Yu，J I ANG Z h i p e n g ，WANG Z h e C o l le g e o f A u t o mo b i l e a n d T r a ff i c E n g i n e e r i n g， N a n j i n g F o r e s t r y U n iv e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 3 7 ，C h i n a Abs t r a c t Th e v i r t u a l p r ot o t y pe mo de l o f t h e h yd r au l ic e x c a va t o r is s e t u p ba s e d on Re c u r Dy n s o f twa r e，t h e wo r k de v ice mod eli n g a n d k i n ema t ic s simula t ion ar e c a r r i e d o u t ，t h e s c o p e o f it s wo r k is s im u l a t e d a nd t h e be s t ac t i o n s t a t e is o b t aine d． I t s 3D v i rtu a l l a bo r a‘ t o r y e q u ip me n t p la tf o r m i s s e t u p b a s e d o n t h e v i rt u a l r e a li ty s o f t wa r e V i r t o o l s a n d a c c o r d i n g t o it s d if f e r e n t wo r k c o n d it io n s ．a v i v i d a nd li f eli k e i mmer s i o n l e ar n i n g en v i r on men t o f i t s s t r u c t u r e a n d t h e ory is pr o v i d ed． Ke y wor ds h y d r a uli c e x c a v a t or ；v i r t u al la bo r a t o r y e q uipme n t ；Re c ur Dyn；Vi r t oo l s 0 引言 作 为一种经济 、 高效的土石方施工机械 ， 液压挖掘机在 各种工程建设领域 中发挥着至关重要 的作用 。随着近年来 石油价格的不断攀升以及人们环保意识的提高， 用户对挖 掘机 的节能 性与环 保性 也提 出了更 高要求 。由于挖 掘 机施工时经常铲斗装不满 ， 或是在运送过程中泼撒滴漏， 作 业效能无法达到 1 0 0 ％的发挥。这就要求铲斗能够根据作 业工况 的不 同走出适 合工况 的特定轨迹 ， 以达 到作 业效 能 的充分发挥。通过对铲斗作业范围的仿真， 来验证实现这 一 特定轨迹的可能性 ， 并对挖掘机的性能作出评价。 应用新型 的多体 动力学软件 R e c u r D y n可 以直接建立 液 压挖掘机 的模 型并 进行 仿真分析 ， 并 基于虚拟现实软件 V i o o l s 建立液压挖 掘机 三维 虚拟 实验 平 台 ， 对 液 压挖 掘 机的不 同工作状 态进行虚拟模拟 。 1 液压挖掘机 动态仿真分析 1 - 1 R e c u r D y n软件 介绍 R e c u r D y n软件是由韩国 F u n c t i o n B a y 公司开发出的多 体系统仿真优化软件。主要基于相对坐标系建模和递归 求解 ， 不但可以同时解决传统的运动学与大规模多体动力 学 问题 ， 同时是解 决 工程 机械 中机构 接触 碰撞 问题 的 专 家， 极大地拓展了多体动力学软件的应用范围。 R e e u r D y n软件基于 P r o f e s s i o n a l 模块 提供 的各 种建模 元素 ， 如齿轮 、 链 条 、 履 带 、 控制 、 液 压 、 发动 机设计 以及与 常用 三维 C A D软件 的接 口， 用 户 可 以建 立起 系 统级 机械 虚拟数字化样机 模型 ， 为仿 真研 究提供 全方 位支 持 ， 并进 行全面 的虚 拟测试验证 ， 通 过判断仿真测试 的数据 、 动画 、 曲线、 轨迹等结果 ， 进行系统功能优化实现创新设计 。 1 ． 2 液压挖掘机实体建模 液压挖掘机工作装置 主要 由动臂 、 斗杆 、 斗 杆油缸 、 动 臂油缸、 摇臂连杆 、 铲斗 、 铲斗油缸等组成 图 1 。各运动 部件之间全部采用销轴铰接， 通过动臂油缸的伸缩实现动 臂绕下铰点的转动 ， 并实现动臂升降。斗杆铰接于动臂的 1 一 下车 ； 2 一 上车及 回转马达 ； 3 一动臂 ； 4 一动臂油缸 l 5 一 动臂油缸 2 ； 6 一 斗杆油缸 ； 7 一斗杆 ； 8 一铲斗油缸 ； 9 一摇臂 ； l 0 一连杆 ； 1 1 一铲 斗 图 1 液压挖掘机 三维实体模型 基金项 目 南京林业大学实验室创新基金项 目 南林实 [ 2 0 1 2 ] 9号 ； 江苏省大学生实践创新训 练计 划项 目 苏教办高[ 2 0 1 2 ] 1 1 号 作者简介 羊玢 1 9 7 4 - ， 男 ， 湖南邵东人 ， 副教授 ， 博士学 位， 主要研究 方向 机械 C A D ／ C A E技术和车辆动态优 化设计 。 3 2 h tt p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． o n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 机械 制造 羊玢 ， 等 液压挖掘机 三维虚拟 实验设备 的设计与开发 We b服务器主要功能是对学习者基本信息、 实验相 关内容进行管理。提供 We b服务， 使学习者可以进行远 程访 问。 信息数据库由学习者信息、 实验相关信息等组成。虚 拟仪器数据库包含了实验者可 以使用及操作的全部虚拟 仪器的信息。场景数据库包括实验环境及相关的纹理、 材 质 、 声 音等 J 。 2 ． 5 开发 实例 利用 V i r t o o l s 技术设计 ， 该 虚拟 实验设 备 的功 能 主要 包括模型各部件功能的介绍、 与投影仪的连接、 与数据库 进行通信 、 读取和存储实验数据等。 2 ． 5 ． 1 三维模 型的制作装配与优 化 由于 V i r t o o l s 没有建模功能， 所 以使用三维造型软件 N X 6 ． 0建立液压挖掘机各 部件 的数字 化模 型。然后 将建 好的模型导 人到 3 D m a x中 ， 再 通 过 3 D max 以． n mo格式 导入到 V i r t o o l s 中。模 型建 立好并 成功 导入 到 3 D max 中 之后 的工 作就是给模型赋予材 质和贴 图 ， 从而增加模型 的 真实感 ， 提高显示 的刷新 速率 。 在虚 拟现实环境下 ， 重点解决 的技 术问题是 1 自动 装配的过程中快速跟踪和定位零部件的信息， 并通过屏幕 显示给操作者； 2 自动选择装配关系以及装配路径。 基于 以上两个 问题 ， 在虚拟现实软件 V i r t o o l s中 ， 经过 反复验证编译， 决定采用软件中的 S e t P i c k a b l e 模块 ， G e t R o w等模块的组合来模拟装配中定位零部件的信息； 而设 置的 S e t P o s i t i o n等模块 ， 可以实现装 配关系 和装配路 径 的 自动选择 和设 置 ， 虚 拟装 配路径规划 的脚 本流程 图如 图 5 所示。对这些模块 进行重新组合， 通过消 息发送模块 S e n d M e s s a g e 传 递交互信息 ， 进而描述 液压挖 掘机 虚拟装 配 系统 中装配路径规划 。 图 5 虚拟 装配路径规划的脚本 2 ． 5 ． 2 场景编辑 V i o o l s 场景包括三维场景和二维场景。把建好的模 型作为场景导人到 V i r t o o l s中， 并调整好其位置和大小， 再 在场景中加入灯光和摄像机来调整场景光线和视角。 二维场景主要用来放置控制按钮， 显示信息和数据， 以及美 化 实 验 室 界 面。可 以通 过 添 加 二 维 框 架 2 D F r a me 、 材质 Ma t e r i a 1 和纹理 T e x t u r e 来设计 。 3 4 2 ． 5 ． 3 交互脚本编 写 利用 V i r t o o l s的几个 行为交互模块就可实现对 三维对 象的控制 ， 下面以三维对象的旋转、 缩放为例说明行为交 互模块的使用方法。 给三维对象建立脚本， 并添加相应的行为交互模块 ， 如图 6所示。S w i t c h O n K e y行 为交互模 块用来 接收键 盘 按键 ， 不 同按键 执行不 同 的功 能 ， 可分 为放大 、 缩 小 、 顺时 针和逆时针旋转 四种情况。P e r S e c o n d用来设置每次按 键后旋转和缩放的程度。R o t a t e和 S c a l e分别实现三维对 象的旋转 和缩放功 能。 广 ⋯ _-__ l ⋯ 广～ ⋯ 一 。j 。 一 - 7 0 L 一壬 ． ， 一 ． -- 了 ． - ‘ ， ⋯⋯ ⋯ ● 一 ． r 忡 _ “ ⋯ -一 一 p 一’ 8 ’ o o _ - 。 1 j 图 6 三维对 象旋转 和缩放的脚本流程 图 2 ． 5 ． 4与数 据库通讯 V i o o l s 与数据库实现通信 ， 必须先建立数据库 ， 并通 过 O D B C o p e n d a t a b a s e c o n n e c t i v i t y 与 数据 库建 立连 接 ， 取 D S N d i s t r i b u t e d s e r v i c e n e t w o r k 别名 为 v r d s n ； 在服务器 端安装 V i r t o o l s Mu l t i u s e r S e r v e r 模块 ， 并启动 S e r v e r 服务； 在 V i o o l s S e r v e r 管理界面中选择 D a t a b a s e 模块 ， 为其添 加数据源 v r d s n ， 此时服务器端配置完成。 服务 器端 配 置 完成， 用 C o n n e c t T o S e v e r建 立 与 V i r t o o l s 服 务 器 的连 接 ， 获 取 一 个连 接 I D， 再 用 D a t a b a s e B e h a v i o r s 数据库行 为交互模块组 对数 据库进行操作 ， 就 能在 V i r t o o l s中对数据库进行通信。图7是在数据库表中 添加记 录的脚本 流程 图。 图 7 在数 据库表中添加记录 的脚本流 程图 2 ． 5 ． 5 生成 w e b页面 在 V i r t o o l s中， 点击 fi l e选择 C r e a t e We b P a g e ， 在弹出 的窗口中对导 出路径和窗 口大小进行设置 ， 设置好点击 “ O K ” 生成 网页格式。 3 结语 建立 了液压 挖掘机机械系统 的数字化 虚拟样机模型 ， h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E ma i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 -． ．山 _詈 D 机械 制造 羊玢 ， 等 液压挖掘机三 维虚拟 实验设备 的设 计与开发 对液压挖掘机进行了运动学仿真。基于 R e c u r D y n软件对 液压挖掘机工作装置进行研究， 用挖掘机虚拟样机代替传 统的物理样机 ， 可降低开发和制造成木 ， 缩短研制周期， 提 高装载机的性能。这种方法可以提高系统仿真的效率 ， 为 分析挖掘 机的性能 和改进液压 挖掘机 的设 计提供 了一种 有效的手段。 在此基础上 ， 利用虚拟现实技术， 在 V i r t o o l s 系统中开发 了一套液压挖掘机三维虚拟实验设备， 打破了设备在时间、 空间、 和地域方面的限制 ， 能够为学生提供液压挖掘机结构 和原理的生动、 逼真的沉浸式学习环境 ， 获得与真实物理实 验一样的体会， 从而加速和巩固学生学习知识的过程。 参考文献 与应用研究 [ J ] ． 农 业机 械学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4 2 1 4 9 1 5 1 ． [ 3 ]黄爱华 ， 卢炎麟．基于 P r o ／ E的反铲 式挖掘机工作 装置 的建 模与运动仿真[ J ] ． 煤矿机 械报 ，2 0 0 8 ， 2 9 9 6 7 ． 6 9 ． [ 4 ]张俊俊 ，张辉 ． 装载机 工作装 置建模 和运动学仿真 [ J ] ． 机床 与液压科技报 ， 2 0 1 0 4 ， 3 8 7 1 0 6 ． 1 0 8 ． [ 5]隋爱娜 ， 吴威 ， 赵沁平． 虚拟装 配与虚 拟原型机 的理论 与技 术研究[ J ] ． 系统仿 真学 报 ， 2 0 0 0 ，1 2 4 3 8 6 3 8 8 ． [ 6 ]方利伟． 基于 V i r t o o l s 的 三维实验室 研究 与实现 [ J ] ． 实验 技 术与管理 ， 2 0 1 2 5 8 3 8 6 ． [ 7]范孝 良， 田珍．基于 V i r t o o l s的机 械零 部件虚 拟装 配的研 究 [ J ] ． 仪器仪表用户 ， 2 0 1 2 5 7 l - 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3 5 图 4 使用 L o D技术 三维 场景可视图 型构建 的关键技术 。论文研究按 照现有 零部件原型 ， 运 用 现代数值测量技术、 计算机图形图像处理技术、 计算机辅 助建模技术构 造高 速挖 掘机 零部 件 三维 模 型 ， 运用 三角 B e z i e r 曲面为基础的曲面构建方法和以 N U R B S曲面为基 础的参数曲面拟合方法进行 自由曲面建模 ， 构建复杂的外 覆盖件 如驾驶室外壳、 发动机燃烧室、 进排气道等 ， 本 文的工作为工程机械虚拟维修训练系统提供了形象逼真 的训练对象 。 参考文献 [ 1 ]王旭华． 三 维建 模与 机械 工 程 图 [ M] ． 南京 东 南 大学 出 版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]李心成． 三角曲面造型 关键算法 的研 究与应 用 [ D] ． 济南 山 东理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ]孙玉 文， 吴宏基 ， 刘建． 基于 N UR B S的 自由曲面精确拟合方法 研究 [ J ] ． 机械 工程学报 ， 2 0 0 4 ， 4 0 3 ． [ 4 ]德芒热 ． 曲线与 曲 面的 数学 贝济埃 模 型 B一 样 条 模 型 N U R B S 模 型[ M] ． 北京 商务印书馆 ， 2 0 0 0 ． 收稿 日期 2 0 1 30 12 4 3 5