液壓支架工作狀態(tài)的虛擬現(xiàn)實(shí)研究

陳占營，鄭曉雯，張文磊，胡云龍，劉 逸

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

液壓支架是綜合機(jī)械化采煤裝備的關(guān)鍵設(shè)備，其功用是有效地支撐和控制工作面頂板，保證工人操作和機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的安全工作空間；隨著工作面推進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推移工序的機(jī)械化，并提供足夠的通風(fēng)斷面[1]。因此，無論是對(duì)液壓支架進(jìn)行實(shí)時(shí)工作狀態(tài)的研究與監(jiān)測，還是在研發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的研究均有及其重要的地位。但目前對(duì)液壓支架工作狀態(tài)的研究主要來自于監(jiān)測得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)、二維圖表，很難對(duì)液壓支架整體工作狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，看不到液壓支架在真實(shí)環(huán)境中的具體工況。本文通過三維建模軟件對(duì)液壓支架進(jìn)行三維建模，將建立的三維模型導(dǎo)入EON Studio軟件，對(duì)其進(jìn)行模型顏色、環(huán)境、燈光渲染，利用Javascript腳本語言進(jìn)行編程，使其具備參數(shù)驅(qū)動(dòng)的能力，為研究人員提供一個(gè)良好的平臺(tái)，讓研究者能夠漫游于虛擬的環(huán)境中，對(duì)液壓支架的工作狀態(tài)進(jìn)行全面深入的研究。

1 研究方法

1.1 對(duì)液壓支架進(jìn)行三維建模

對(duì)實(shí)驗(yàn)室中液壓支架物理樣機(jī)進(jìn)行三維建模，支架型號(hào)為ZZ4400/17/35掩護(hù)式液壓支架。主要由頂梁、掩護(hù)梁、護(hù)幫板、護(hù)幫板千斤頂、前后連桿、立柱、底座等部件組成。建模軟件為SolidWorks2008，建立的三維模型如圖1所示。

圖1 ZZ4400/17/35液壓支架三維模型

由于要把模型導(dǎo)入EON Studio進(jìn)行編程，使其具備參數(shù)驅(qū)動(dòng)的能力，因此建模時(shí)各部件的原點(diǎn)選擇十分關(guān)鍵，為了避免后續(xù)編程時(shí)出現(xiàn)不必要的問題，應(yīng)選擇各個(gè)部件與其他部件相連接的運(yùn)動(dòng)副的中心為各個(gè)部件的模型原點(diǎn)。

1.2 將建立的三維模型導(dǎo)入EON Studio

導(dǎo)入一個(gè)3D物體到EON模擬程式中時(shí)，必須進(jìn)行文件格式的轉(zhuǎn)換[2]。EON軟件可直接讀取x、ppm、png、avi等格式的文件，而導(dǎo)入三維模型時(shí)，必須進(jìn)行載入。導(dǎo)入文件時(shí)，EON會(huì)自動(dòng)將文件轉(zhuǎn)換成與EON相容的格式。

由于三維模型是用SolidWorks制作的，因此導(dǎo)入時(shí)應(yīng)在菜單欄中選擇SolidWorks一項(xiàng)。前期建模時(shí)最好使用英文版本的SolidWorks，而且對(duì)建好的模型文件命名時(shí)必須用英文字母或數(shù)字，否則導(dǎo)入的文件將不被EON內(nèi)部格式轉(zhuǎn)換器識(shí)別。

導(dǎo)入方式有兩種：完全導(dǎo)入方式和優(yōu)化導(dǎo)入方式。研究中主要是對(duì)模型整體形態(tài)進(jìn)行研究，而不是對(duì)各個(gè)面進(jìn)行單獨(dú)操作，因此選擇優(yōu)化方式進(jìn)行導(dǎo)入。

1.3 對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行顏色渲染

在EON中對(duì)模型進(jìn)行顏色渲染，可以通過改變模型表面材質(zhì)，環(huán)境燈光，模擬場景材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。

模型表面材質(zhì)的改變主要由EON中的材質(zhì)節(jié)點(diǎn)Material Node來實(shí)現(xiàn)。在Frame框架下放入該節(jié)點(diǎn)，通過改變材質(zhì)節(jié)點(diǎn)的屬性設(shè)置，即可達(dá)到所需的效果。

環(huán)境燈光是在Frame框架下放入燈光節(jié)點(diǎn)Light Node來實(shí)現(xiàn)的。選擇不同的燈光類型和燈光顏色可實(shí)現(xiàn)不同的燈光效果。燈光類型有Ambient、Directional、Parallel Point、Point、Spot。為了實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的視覺效果，選擇Point類型燈光節(jié)點(diǎn)，即點(diǎn)光源類型。點(diǎn)光源能均勻發(fā)散光線到各個(gè)方向。

模擬場景由全景節(jié)點(diǎn)Panorama Node來實(shí)現(xiàn)，它可以為模擬場景提供水平，天空，地面貼圖，通過對(duì)場景節(jié)點(diǎn)的屬性設(shè)置，可以獲得逼真的模擬環(huán)境，讓觀察者有漫游真實(shí)環(huán)境中的視覺效果。最終EON中的三維模型如圖2所示。

1.4 實(shí)現(xiàn)模型的參數(shù)驅(qū)動(dòng)

要使三維模型具有參數(shù)驅(qū)動(dòng)的能力，應(yīng)利用EON中的節(jié)點(diǎn)和Javascript腳本語言對(duì)建立的模型進(jìn)行編程。

圖2 EON中的三維模型

圖3 節(jié)點(diǎn)的部分邏輯關(guān)系

用到的節(jié)點(diǎn)主要有EventIn節(jié)點(diǎn)，Script節(jié)點(diǎn)。在邏輯視窗中設(shè)定各節(jié)點(diǎn)的邏輯關(guān)系，部分邏輯關(guān)系如圖3所示。EventIn節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，Script節(jié)點(diǎn)內(nèi)的程序?qū)Σ杉瘉淼臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后可得到各個(gè)關(guān)鍵的位置，從而驅(qū)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)。所采集的數(shù)據(jù)來源于VB6.0，研究者可在VB6.0集成界面中輸入所需要的液壓支架狀態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)將會(huì)驅(qū)動(dòng)EON中的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。利用Javascript腳本語言編程方法如下：

圖4 液壓支架的坐標(biāo)系

（1）建立如圖4所示的液壓支架的坐標(biāo)系。XOY為固定坐標(biāo)系F，其余坐標(biāo)系為移動(dòng)坐標(biāo)系M，坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換可通過公式[P]F=T[P']M[3]，T為4×4轉(zhuǎn)換矩陣。

（2）計(jì)算各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。在坐標(biāo)系X1O1Y1中，當(dāng)θ測出時(shí)，即可確定四桿機(jī)構(gòu)ABCD的狀態(tài)，即前后連桿，掩護(hù)梁的位置可確定。應(yīng)用方法為復(fù)數(shù)矢量法[4]。

改寫并表示為復(fù)數(shù)矢量形式：

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將上式實(shí)部和虛部分離，得：

由以上方程組即可求得θ2、θ3。因此可以在坐標(biāo)系X1O1Y1確定四桿機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。

在坐標(biāo)系X2O2Y2中當(dāng)α測出時(shí)，可以很容易的確定O3O4上各關(guān)鍵點(diǎn)的位置，即頂梁上各關(guān)鍵點(diǎn)的位置可確定。

在坐標(biāo)系X4O4Y4中當(dāng)HG測出時(shí)，根據(jù)余弦定理，可算出三角形HO4G的各個(gè)角，因此三角形HO4G上的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置可以確定，即護(hù)幫板和護(hù)幫板千斤頂?shù)奈恢每梢源_定。

（3）把以上計(jì)算方法寫入Javascript腳本語言中，Script節(jié)點(diǎn)中部分程序如圖5所示。

EON可以與其他支持ActiveX控制的工具相結(jié)合，如Visual Basic， 因此，使用EONX控制接口，可使兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在VB中編寫數(shù)據(jù)采集程序，通過上述接口與EON相連接，因此VB中采集的數(shù)據(jù)即可驅(qū)動(dòng)EON中的三維模型運(yùn)動(dòng)。

2 結(jié)束語

對(duì)液壓支架進(jìn)行三維建模，將建立的模型導(dǎo)入到EON Studio中進(jìn)行渲染，為研究人員呈現(xiàn)形象逼真的虛擬場景。利用EON中相關(guān)節(jié)點(diǎn)及Javascript腳本語言對(duì)模型編程，并集成于VB6.0中，設(shè)計(jì)出研究液壓支架工作狀態(tài)的平臺(tái)，通過手動(dòng)輸入所需狀態(tài)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)液壓支架運(yùn)動(dòng)，無論是對(duì)于煤礦工人的培訓(xùn)，還是對(duì)于研發(fā)人員測試支架性能，均提供了最有效的解決途徑。同時(shí)也可以通過傳感器采集井下液壓支架的形態(tài)參數(shù)，把采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，對(duì)井下液壓支架的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，為設(shè)計(jì)研發(fā)出一套液壓支架三維監(jiān)測軟件奠定基礎(chǔ)。

[1]曹連民，等基于Solidworks軟件的液壓支架設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2008，7.

[2]于輝，趙經(jīng)成，付戰(zhàn)平，歐海英.EON入門與高級(jí)應(yīng)用技巧[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]S K SAHA.機(jī)器人導(dǎo)論（英文版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.