液壓卸貨平臺的運(yùn)動仿真及可視化

李 銳，陳 暉

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099)

液壓卸貨平臺的運(yùn)動仿真及可視化

李 銳，陳 暉

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099)

為了在實(shí)際制造之前對液壓卸貨平臺進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提出并實(shí)現(xiàn)了一種單叉液壓卸貨平臺的運(yùn)動學(xué)仿真和可視化的方法，即利用CAD模型、約束關(guān)系、運(yùn)動學(xué)分析數(shù)據(jù)，綜合使用UG、MAYA、RTT等多種工具相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。仿真結(jié)果顯示設(shè)計(jì)方案滿足功能要求。

運(yùn)動仿真；可視化；實(shí)時渲染

隨著以計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在當(dāng)今的制造業(yè)中，計(jì)算機(jī)仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的作用越來越重要，計(jì)算機(jī)仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品研制全生命周期的各個階段。仿真及可視化技術(shù)是指基于數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，利用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、行為、控制等方面進(jìn)行高保真的模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證方案設(shè)想，并把試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)以可視化圖形的方式顯示出來的綜合技術(shù)。仿真及可視化技術(shù)已經(jīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要手段，它使得產(chǎn)品可以在實(shí)際制造之前就能進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，綜合考慮方案的可行性、可制造性、可用性等方面的因素來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的液壓卸貨平臺設(shè)計(jì)方法是通過試制卸貨平臺實(shí)物來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，成本高、周期長，通過計(jì)算機(jī)仿真可以有效避免因初期設(shè)計(jì)不成熟而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，并縮短研制周期。

1 液壓卸貨平臺模型建立、運(yùn)動仿真及可視化

1.1設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建

液壓卸貨平臺的用戶需求和功能要求如下：(1)放貨臺平面最高能升至1.3m；(2)平臺最大載荷300kg；(3)為配合貨物箱底部尺寸，卸貨臺應(yīng)達(dá)到的最大尺寸為1 150 mm×1 500mm；(4)設(shè)備需要的操作人員最多不超過3人。

首先根據(jù)用戶的需求，該自動卸貨平臺采用常規(guī)的單叉機(jī)構(gòu)升降重物的方式，使用兩個同步液壓缸做同步驅(qū)動，來達(dá)到升降貨物的目的。

其次建立結(jié)構(gòu)模型，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用NX6.0作為建模工具。圖1所示為所建立的設(shè)計(jì)模型的側(cè)視圖。在仿真之前編輯并理清運(yùn)動組建之間的關(guān)系是進(jìn)行運(yùn)動分析的前提條件，因此必須整理模型的結(jié)構(gòu)樹。各個組件的位置如圖1所示，其中組件之間的關(guān)系是：液壓缸一、液壓缸二為主動件，其余運(yùn)動部件為從動件。液壓缸一、液壓缸二作同步運(yùn)動，通過各自的活塞桿伸縮帶動連桿，連桿帶動中心轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸驅(qū)動前后轉(zhuǎn)動架圍繞中心旋轉(zhuǎn)，兩組轉(zhuǎn)動架旋轉(zhuǎn)來升起放貨平臺；其中底座主要起支撐穩(wěn)定作用，將轉(zhuǎn)動架的作用力傳遞到地基上。

1—安裝螺栓；2—滑軌；3—后轉(zhuǎn)動架；4—底座；5—底座前滑塊；6—液壓缸一、液壓缸二；7—放貨臺；8—前轉(zhuǎn)動架；9—連桿一、連桿二；10—中心轉(zhuǎn)軸；11—平臺后滑塊；12—底座后滑塊

1.2運(yùn)動學(xué)分析與仿真動畫實(shí)現(xiàn)

1.2.1運(yùn)動學(xué)分析

NX6.0軟件可以通過模擬三維模型中液壓缸的工作行程，驅(qū)動液壓卸貨平臺中各個零件的運(yùn)動。運(yùn)動學(xué)分析的驅(qū)動參數(shù)為液壓缸一、液壓缸二的行程，關(guān)注的參數(shù)包括轉(zhuǎn)動架水平方向夾角和轉(zhuǎn)動角度、被升降貨物的角度和高度、放貨臺最高點(diǎn)高度。

以液壓卸貨平臺的初始位置為研究對象，開始進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。初始狀態(tài)時，液壓缸一行程0，液壓缸二行程0，轉(zhuǎn)動架夾角15°，轉(zhuǎn)動角度0°，放貨平臺的角度0°，放貨臺的最高點(diǎn)與底座下表面高度差為302mm，放貨臺最高點(diǎn)為1 354mm。當(dāng)液壓缸一運(yùn)行活塞伸出時，此時液壓卸貨平臺各零部件隨動。當(dāng)液壓缸一運(yùn)行600mm時，液壓卸貨平臺頂部平面距離目標(biāo)區(qū)域基本處于最近位置，兩者間距16mm左右，上述運(yùn)動過程中，液壓卸貨平臺各零部件的運(yùn)動學(xué)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 運(yùn)動學(xué)分析數(shù)據(jù)

1.2.2仿真動畫實(shí)現(xiàn)

考慮到卸貨平臺機(jī)構(gòu)運(yùn)動較復(fù)雜，且RTT支持MAYA動畫數(shù)據(jù)，因此這里使用MAYA軟件來制作產(chǎn)品仿真動畫，再將制作的動畫輸出成WRL格式的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包，然后把WRL格式的數(shù)據(jù)包導(dǎo)入RTT來實(shí)現(xiàn)整個運(yùn)動仿真的動畫。

根據(jù)上一節(jié)運(yùn)動分析結(jié)果創(chuàng)建機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的約束關(guān)系，其中液壓缸一、液壓缸二為驅(qū)動部件，帶動連桿以及其他部件運(yùn)動。在MAYA中按照如下步驟添加約束：(1)在底座上，分別在后轉(zhuǎn)動架、連桿一的轉(zhuǎn)動圓心位置創(chuàng)建Locator1，然后添加點(diǎn)約束關(guān)系，從而約束后轉(zhuǎn)動架繞固定點(diǎn)Locator2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。(2)用同樣的方法在連桿一與液壓缸一連接點(diǎn)圓心位置創(chuàng)建Locator3，用其來約束液壓缸一的缸體的底部，使缸體的轉(zhuǎn)動中心約束在連桿一的連接點(diǎn)。(3)在后轉(zhuǎn)動架上為液壓缸一的推桿添加一個點(diǎn)約束Locator4。在液壓缸一的缸體上，為液壓缸一的推桿添加一個方向約束，以同樣的方法為液壓缸一的缸體添加一個方向約束；后轉(zhuǎn)動架帶動放貨臺，進(jìn)而帶動整個平臺向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動，同時后轉(zhuǎn)動架驅(qū)動連桿二。(4)在后轉(zhuǎn)動架的頂部與放貨臺的連接點(diǎn)圓心位置創(chuàng)建Locator5，建立點(diǎn)約束關(guān)系約束放貨臺的運(yùn)動，圓心位置創(chuàng)建點(diǎn)約束Locator6，約束前轉(zhuǎn)動架連接點(diǎn)。最終平臺運(yùn)送貨物到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，放下貨物，液壓卸貨平臺自動返回初始位置，結(jié)束一個自動工作循環(huán)。(5)在后轉(zhuǎn)動架上與連桿二連接點(diǎn)處圓心位置創(chuàng)建Locator7，用它來約束連桿二的運(yùn)動。(6)在連桿二與前轉(zhuǎn)動架的連接點(diǎn)處圓心位置創(chuàng)建Locator8，用它來約束前推架的運(yùn)動。(7)在前轉(zhuǎn)動架與放貨臺的連接點(diǎn)處圓心位置創(chuàng)建Locator9，用它來約束放貨臺的運(yùn)動。

根據(jù)表1中的運(yùn)動數(shù)據(jù)，確定液壓缸一、液壓缸二行程(0mm)、初始轉(zhuǎn)動架夾角(15°)、平臺最高點(diǎn)高度(1 354mm)等關(guān)鍵位置，在時間軸上依次制作關(guān)鍵幀動畫。完成以后將動畫導(dǎo)出為WRL格式運(yùn)動數(shù)據(jù)。

1.3三維可視化(實(shí)時渲染)

產(chǎn)品三維可視化選用基于GPU的實(shí)時渲染技術(shù)[1]，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)可以做到高保真的實(shí)時渲染。具體使用軟件RTT來實(shí)現(xiàn)可視化渲染。RTT全稱Real Time Technology，它是由德國慕尼黑的RTT公司研發(fā)的高端實(shí)時虛擬現(xiàn)實(shí)可視化軟件。該款軟件可以提供逼真的、基于物理真實(shí)的、實(shí)時的三維可視化。它能幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、裝配、市場銷售等各個環(huán)節(jié)提高工作流程的效率、節(jié)省時間，具有很強(qiáng)的靈活性。

可視化實(shí)現(xiàn)方法：(1)將卸貨平臺的UG模型導(dǎo)出為輕量化的JT格式，創(chuàng)建廠房地板和貨物的其他模型。(2)按照仿真要求對模型結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行重新編輯，對模型進(jìn)行輕量化處理，輕量化轉(zhuǎn)化參數(shù)如圖2所示。(3)選擇整個場景的所有模型添加一個替代材質(zhì)，創(chuàng)建主光源和輔助光源，計(jì)算陰影[1]。(4)從材質(zhì)庫中選取合適的材質(zhì)。在RTT中導(dǎo)入MAYA軟件輸出的WRL運(yùn)動數(shù)據(jù)，以驅(qū)動RTT中的輕量化模型。最后渲染輸出成為交互式程序或動畫，如圖3所示。在有客戶參加的設(shè)計(jì)評審中，客戶從計(jì)算機(jī)最終輸出的動畫可以直觀地看出設(shè)計(jì)方案能否滿足要求。

2 三維可視化的應(yīng)用

目前，制造業(yè)正在向著綜合性的協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系方向發(fā)展，一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是如何協(xié)同。工程可視化利用三維模型把復(fù)雜的工程問題透明化、可視化，克服了不同專業(yè)之間的語言障礙[2]，使得技術(shù)人員在產(chǎn)品開發(fā)的前期就能充分考慮影響產(chǎn)品使用的諸多因素?？梢暬治鲆呀?jīng)成為一個重要的進(jìn)行技術(shù)決策和分析的手段[3]，使生產(chǎn)執(zhí)行層、管理層、投資者、消費(fèi)者能更易于理解設(shè)計(jì)方案和目的，便于將產(chǎn)品快速推向市場。

圖2 模型的輕量化參數(shù)

圖3 最終輸出結(jié)果

基于工程模型的三維可視化可以有以下方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用：(1)交互式可視化模型可以用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證和關(guān)鍵里程碑節(jié)點(diǎn)評審，工程可視化利用工程CAD模型，打破了各個專業(yè)之間的限制，使不同角色崗位的人員能夠協(xié)同工作，綜合分析工程技術(shù)問題。(2)在產(chǎn)品未投產(chǎn)之前，利用三維可視化模型進(jìn)行展示，這種展示方式便于管理層、投資者接受理解，增加其對產(chǎn)品方案和承制方的信任。(3)在量產(chǎn)階段，三維可視化動畫可以作為工人的可視化作業(yè)指導(dǎo)書。(4)在使用維護(hù)保障階段，用于制作交互式電子手冊、技術(shù)出版物等。

3 結(jié)束語

基于液壓卸貨平臺的CAD模型，利用UG 、MAYA 、RTT等專用工具相互配合完成產(chǎn)品方案的運(yùn)動仿真及可視化，從仿真結(jié)果可以看出，卸貨平臺可以運(yùn)動到指定的高度，可以放置用戶要求的最大尺寸貨物，并且整個運(yùn)動過程無干涉現(xiàn)象和明顯的設(shè)計(jì)缺陷。最后通過與用戶溝通，用戶提出了進(jìn)一步優(yōu)化的建議：是否可以在保證安全的前提下盡量縮短整個卸貨的時間，采用無線控制，并且添加聲音提示。這些要求將是下一步卸貨平臺設(shè)計(jì)方案改進(jìn)、完善的主要內(nèi)容。

[1] 登普斯基．DirectX實(shí)時渲染技術(shù)詳解[M]．于忠德，吳紅艷，林鋒,譯．重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

[2] ESI中國．ESI虛擬樣機(jī)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2010.

[3] 聶海濤．臭鼬工廠傳奇[M]．北京：中航出版?zhèn)髅接邢挢?zé)任公司，2011.

TheMotionSimulationandVisualizationoftheHydraulicUnloadingPlatform

LI Rui, CHEN Hui

(China Air-to-air Missile Academy, Henan Luoyang, 471099, China)

In order to build the hydraulic unloading platform for simulation in the practice of production prior, it designs the kinematics simulation and visualization of a single fork hydraulic unloading platform. Based on the CAD model, constraint, kinematic analysis of data and UG, MAYA, RTT and other tools, it realizes the motion simulation of complex mechanism. The simulation results show that the design scheme meets the functional requirements.

Dynamic Simulation; Visualization; Real-time Rendering

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.020

2014-05-21

李銳(1986—)，男，陜西渭南人，中國空空導(dǎo)彈研究院助理工程師，主要研究方向?yàn)樘摂M樣機(jī)、工程可視化技術(shù)。

TP319

B

2095-509X(2014)07-0083-03