液壓挖掘機(jī)三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)

羊玢，宋化衛(wèi), 王玉，江志鵬，王哲

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

液壓挖掘機(jī)三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)

羊玢，宋化衛(wèi), 王玉，江志鵬，王哲

(南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

基于多體動(dòng)力學(xué)分析軟件RecurDyn建立液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行工作裝置建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析，并對(duì)液壓挖掘機(jī)的作業(yè)范圍進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到挖掘機(jī)工作時(shí)的最佳作用狀態(tài)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)軟件Virtools建立液壓挖掘機(jī)三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)液壓挖掘機(jī)的不同工作狀態(tài)進(jìn)行虛擬模擬，提供液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的生動(dòng)、逼真的沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。

液壓挖掘機(jī)；虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備；RecurDyn；Virtools

0 引言

作為一種經(jīng)濟(jì)、高效的土石方施工機(jī)械，液壓挖掘機(jī)在各種工程建設(shè)領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著近年來石油價(jià)格的不斷攀升以及人們環(huán)保意識(shí)的提高，用戶對(duì)挖掘機(jī)的節(jié)能性與環(huán)保性也提出了更高要求[1]。由于挖掘機(jī)施工時(shí)經(jīng)常鏟斗裝不滿，或是在運(yùn)送過程中潑撒滴漏，作業(yè)效能無法達(dá)到100%的發(fā)揮。這就要求鏟斗能夠根據(jù)作業(yè)工況的不同走出適合工況的特定軌跡，以達(dá)到作業(yè)效能的充分發(fā)揮。通過對(duì)鏟斗作業(yè)范圍的仿真，來驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)這一特定軌跡的可能性，并對(duì)挖掘機(jī)的性能作出評(píng)價(jià)。

應(yīng)用新型的多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn可以直接建立液壓挖掘機(jī)的模型并進(jìn)行仿真分析，并基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Virtools建立液壓挖掘機(jī)三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)液壓挖掘機(jī)的不同工作狀態(tài)進(jìn)行虛擬模擬。

1 液壓挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)仿真分析

1.1RecurDyn軟件介紹

RecurDyn軟件是由韓國FunctionBay公司開發(fā)出的多體系統(tǒng)仿真優(yōu)化軟件。主要基于相對(duì)坐標(biāo)系建模和遞歸求解，不但可以同時(shí)解決傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與大規(guī)模多體動(dòng)力學(xué)問題，同時(shí)是解決工程機(jī)械中機(jī)構(gòu)接觸碰撞問題的專家，極大地拓展了多體動(dòng)力學(xué)軟件的應(yīng)用范圍。

RecurDyn軟件基于Professional模塊提供的各種建模元素，如齒輪、鏈條、履帶、控制、液壓、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以及與常用三維CAD軟件的接口，用戶可以建立起系統(tǒng)級(jí)機(jī)械虛擬數(shù)字化樣機(jī)模型，為仿真研究提供全方位支持，并進(jìn)行全面的虛擬測試驗(yàn)證，通過判斷仿真測試的數(shù)據(jù)、動(dòng)畫、曲線、軌跡等結(jié)果，進(jìn)行系統(tǒng)功能優(yōu)化實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[2]。

1.2 液壓挖掘機(jī)實(shí)體建模

1—下車；2—上車及回轉(zhuǎn)馬達(dá)；3—?jiǎng)颖郏?—?jiǎng)颖塾透?；5—?jiǎng)颖塾透?；6—斗桿油缸；7—斗桿；8—鏟斗油缸；9—搖臂；10—連桿；11—鏟斗圖1 液壓挖掘機(jī)三維實(shí)體模型

液壓挖掘機(jī)工作裝置主要由動(dòng)臂、斗桿、斗桿油缸、動(dòng)臂油缸、搖臂連桿、鏟斗、鏟斗油缸等組成(圖1)。各運(yùn)動(dòng)部件之間全部采用銷軸鉸接，通過動(dòng)臂油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂繞下鉸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂升降。斗桿鉸接于動(dòng)臂的上端，斗桿油缸的收縮使斗桿繞動(dòng)臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，斗桿油缸控制斗桿與動(dòng)臂的相對(duì)角度。鏟斗鉸接于斗桿前端，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)鏟斗來增大鏟斗轉(zhuǎn)角，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

1.3 挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析

通過運(yùn)動(dòng)仿真，建立測量函數(shù)得到性能參數(shù)仿真變化曲線，斗桿、鏟斗、動(dòng)臂的速度-時(shí)間曲線和加速度-時(shí)間曲線如圖2和圖3所示。

圖2 斗桿、鏟斗、動(dòng)臂的速度-時(shí)間曲線

圖3 斗桿、鏟斗、動(dòng)臂的加速度-時(shí)間曲線

從圖2和圖3可知，斗桿的最大速度、加速度分別為19.524m/s、340.271m/s2，動(dòng)臂的最大速度、加速度分別為5.223m/s、70.154m/s2，鏟斗的最大速度、加速度分別為34.124m/s、630.274m/s2[4]。為使鏟斗中物料不至于灑出，液壓挖掘機(jī)鏟斗滿載提升動(dòng)臂時(shí)，需要在動(dòng)臂舉升過程中進(jìn)行鏟斗姿態(tài)的調(diào)整。從鏟斗的速度、加速度仿真曲線可以看出存在著突變，說明鏟斗姿態(tài)的調(diào)整對(duì)運(yùn)動(dòng)中鏟斗的速度、加速度有很大的影響，調(diào)整時(shí)間越短，突變?cè)絼×?。從液壓缸設(shè)計(jì)角度出發(fā)，應(yīng)該充分考慮鏟斗姿態(tài)的調(diào)整引起的沖擊力對(duì)液壓缸的影響。同時(shí)，這個(gè)沖擊力也必然會(huì)影響到斗桿、動(dòng)臂和鏟斗的載荷分布及應(yīng)力變化，需要在斗桿和動(dòng)臂設(shè)計(jì)中考慮這些因素。

2 液壓挖掘機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)

2.1Virtools軟件介紹

Virtools是法國交互三維公司開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，具有簡單操作、交互功能強(qiáng)大、可視化界面、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、虛擬訓(xùn)練、工業(yè)仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)等方面。

2.2 虛擬樣機(jī)的理論及技術(shù)基礎(chǔ)

一種產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到定型要經(jīng)過多次設(shè)計(jì)修改，每次又都需要重新裝配實(shí)物樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)；傳統(tǒng)制造有時(shí)采用建造一系列實(shí)際尺寸模型來校驗(yàn)實(shí)際產(chǎn)品的正確性，這些過程既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，影響了產(chǎn)品性能的確定和進(jìn)一步優(yōu)化。而采用虛擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配，可使產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)之前，其全部設(shè)計(jì)就經(jīng)歷了充分的虛擬實(shí)驗(yàn)和論證。

虛擬樣機(jī)是一個(gè)最終系統(tǒng)或產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)虛擬模擬。同物理樣機(jī)相比，它可以快速制作，從而有效降低成本，可以提供聯(lián)機(jī)性能數(shù)據(jù)，更有概括性，用以論證工程分析的有效性。另外，虛擬樣機(jī)提供了非常好的內(nèi)部狀態(tài)的可觀察性，它允許用戶從不同的角度觀察系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并可快速對(duì)其進(jìn)行修改。虛擬樣機(jī)技術(shù)將仿真和建模擴(kuò)展到產(chǎn)品研制開發(fā)的整個(gè)過程，將對(duì)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生變革，提高了產(chǎn)品的競爭力[5]。

2.3 三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)的基本步驟

運(yùn)用Virtools技術(shù)進(jìn)行三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)主要包括：素材準(zhǔn)備、三維模型與簡易動(dòng)畫制作、場景編輯、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、交互腳本編寫、作品發(fā)布6個(gè)基本步驟。

1) 素材準(zhǔn)備：素材主要包括文字、圖片、聲音等，無論是制作三維模型，還是進(jìn)行場景編輯都需要用到素材，素材是進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。

2) 三維模型和簡易動(dòng)畫制作：它可以使三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備更加生動(dòng)、逼真，是進(jìn)行三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。目前Virtools支持的三維建模工具有很多，例如3Ds Max，Maya，Collada等，均便于進(jìn)行三維模型和動(dòng)畫的制作。

3) 場景編輯：其主要是考慮到三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的藝術(shù)性和易操作性，使設(shè)備不僅能符合使用者的特點(diǎn)和審美，而且還能讓實(shí)驗(yàn)者容易操作和掌握。

4) 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)庫用于存放實(shí)驗(yàn)相關(guān)的用戶基本信息、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)場景信息、虛擬儀器信息、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)等信息。其通過增加系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，使系統(tǒng)變得更加靈活、友好。

5) 交互腳本編寫：Virtools中的Building Blocks提供了強(qiáng)大的交互模塊，可以輕松實(shí)現(xiàn)三維場景中的交互功能，為三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)提供了有力保證。交互腳本的編寫是實(shí)現(xiàn)三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵。

6) 作品發(fā)布：Virtools技術(shù)開發(fā)的作品支持網(wǎng)頁格式，開發(fā)完成后可以很方便的導(dǎo)出Web格式，運(yùn)用于遠(yuǎn)程教學(xué)。

2.4 體系結(jié)構(gòu)

基于Web的三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的幾個(gè)主要部分包括服務(wù)器、實(shí)驗(yàn)集成系統(tǒng)、場景調(diào)度系統(tǒng)、儀器調(diào)度系統(tǒng)、場景數(shù)據(jù)庫、虛擬儀器庫、信息數(shù)據(jù)等，如圖4所示。

圖4 三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)

Web服務(wù)器主要功能是對(duì)學(xué)習(xí)者基本信息、實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行管理。提供Web服務(wù)，使學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

信息數(shù)據(jù)庫由學(xué)習(xí)者信息、實(shí)驗(yàn)相關(guān)信息等組成。虛擬儀器數(shù)據(jù)庫包含了實(shí)驗(yàn)者可以使用及操作的全部虛擬儀器的信息。場景數(shù)據(jù)庫包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境及相關(guān)的紋理、材質(zhì)、聲音等[6]。

2.5 開發(fā)實(shí)例

利用Virtools技術(shù)設(shè)計(jì)，該虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能主要包括模型各部件功能的介紹、與投影儀的連接、與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信、讀取和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

2.5.1 三維模型的制作裝配與優(yōu)化

由于Virtools沒有建模功能，所以使用三維造型軟件NX 6.0建立液壓挖掘機(jī)各部件的數(shù)字化模型。然后將建好的模型導(dǎo)入到3D max中，再通過3D max以.nmo格式導(dǎo)入到Virtools中。模型建立好并成功導(dǎo)入到3D max中之后的工作就是給模型賦予材質(zhì)和貼圖，從而增加模型的真實(shí)感，提高顯示的刷新速率[7]。

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，重點(diǎn)解決的技術(shù)問題是：1) 自動(dòng)裝配的過程中快速跟蹤和定位零部件的信息，并通過屏幕顯示給操作者；2) 自動(dòng)選擇裝配關(guān)系以及裝配路徑。

基于以上兩個(gè)問題，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Virtools中，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證編譯，決定采用軟件中的Set Pickable模塊，Get Row等模塊的組合來模擬裝配中定位零部件的信息；而設(shè)置的SetPosition等模塊，可以實(shí)現(xiàn)裝配關(guān)系和裝配路徑的自動(dòng)選擇和設(shè)置，虛擬裝配路徑規(guī)劃的腳本流程圖如圖5所示。對(duì)這些模塊進(jìn)行重新組合，通過消息發(fā)送模塊Send Message傳遞交互信息，進(jìn)而描述液壓挖掘機(jī)虛擬裝配系統(tǒng)中裝配路徑規(guī)劃[8]。

圖5 虛擬裝配路徑規(guī)劃的腳本

2.5.2 場景編輯

Virtools場景包括三維場景和二維場景。把建好的模型作為場景導(dǎo)入到Virtools中，并調(diào)整好其位置和大小，再在場景中加入燈光和攝像機(jī)來調(diào)整場景光線和視角。

二維場景主要用來放置控制按鈕，顯示信息和數(shù)據(jù)，以及美化實(shí)驗(yàn)室界面?？梢酝ㄟ^添加二維框架(2D Frame)、材質(zhì)(Material)和紋理(Texture)來設(shè)計(jì)。

2.5.3 交互腳本編寫

利用Virtools的幾個(gè)行為交互模塊就可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維對(duì)象的控制，下面以三維對(duì)象的旋轉(zhuǎn)、縮放為例說明行為交互模塊的使用方法。

給三維對(duì)象建立腳本，并添加相應(yīng)的行為交互模塊，如圖6所示。Switch On Key行為交互模塊用來接收鍵盤按鍵，不同按鍵執(zhí)行不同的功能，可分為放大、縮小、順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)四種情況。Per Second用來設(shè)置每次按鍵后旋轉(zhuǎn)和縮放的程度。Rotate和Scale分別實(shí)現(xiàn)三維對(duì)象的旋轉(zhuǎn)和縮放功能。

圖6 三維對(duì)象旋轉(zhuǎn)和縮放的腳本流程圖

2.5.4 與數(shù)據(jù)庫通訊

Virtools與數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)通信，必須先建立數(shù)據(jù)庫，并通過ODBC(open database connectivity)與數(shù)據(jù)庫建立連接，取DSN(distributed service network)別名為vrdsn；在服務(wù)器端安裝Virtools Multiuser Server模塊，并啟動(dòng)Server服務(wù)；在Virtools Server管理界面中選擇Database模塊，為其添加數(shù)據(jù)源vrdsn，此時(shí)服務(wù)器端配置完成。

服務(wù)器端配置完成，用Connect To Sever建立與Virtools服務(wù)器的連接，獲取一個(gè)連接ID，再用Database Behaviors(數(shù)據(jù)庫行為交互模塊組)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，就能在Virtools中對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。圖7是在數(shù)據(jù)庫表中添加記錄的腳本流程圖。

圖7 在數(shù)據(jù)庫表中添加記錄的腳本流程圖

2.5.5 生成Web頁面

在Virtools中，點(diǎn)擊file選擇Create Web Page，在彈出的窗口中對(duì)導(dǎo)出路徑和窗口大小進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好點(diǎn)擊“OK”生成網(wǎng)頁格式。

3 結(jié)語

建立了液壓挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。基于RecurDyn軟件對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行研究，用挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)，可降低開發(fā)和制造成木，縮短研制周期，提高裝載機(jī)的性能。這種方法可以提高系統(tǒng)仿真的效率，為分析挖掘機(jī)的性能和改進(jìn)液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的手段。

在此基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在Virtools系統(tǒng)中開發(fā)了一套液壓挖掘機(jī)三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，打破了設(shè)備在時(shí)間、空間、和地域方面的限制，能夠?yàn)閷W(xué)生提供液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的生動(dòng)、逼真的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，獲得與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)一樣的體會(huì)，從而加速和鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程。

[1] 陳桂芳，郭勇，劉鋒. 挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)建模仿真及能耗分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2011, 27(5 ): 101-103.

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[3] 黃愛華, 盧炎麟. 基于Pro/E的反鏟式挖掘機(jī)工作裝置的建模與運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 煤礦機(jī)械報(bào), 2008, 29(9):67-69.

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Design and Development of Hydraulic Excavator 3D Virtual Laboratory Equipment

YANG Bin,SONG Hua-wei, WANG Yu, JIANG Zhi-peng, WANG Zhe

(College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The virtual prototype model of the hydraulic excavator is set up based on RecurDyn software, the work device modeling and kinematics simulation are carried out, the scope of its work is simulated and the best action state is obtained.Its 3D virtual laboratory equipment platform is set up based on the virtual reality software Virtools and according to its different work conditions, a vivid and lifelike immersion learning environment of its structure and theory is provided.

hydraulic excavator; virtual laboratory equipment; RecurDyn; Virtools

南京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金項(xiàng)目：(南林實(shí)〔2012〕9號(hào))；江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：(蘇教辦高〔2012〕11號(hào))

羊玢(1974-)，男，湖南邵東人，副教授，博士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)械CAD/CAE技術(shù)和車輛動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0032-04

2013-01-28