冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李文越，胡 ?。ㄖ袊?guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

李文越，胡 ?。ㄖ袊?guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330000）

冶金機(jī)械設(shè)備體積通常較大，冶金設(shè)備企業(yè)要向客戶展示冶金機(jī)械設(shè)備的功能，對(duì)展示環(huán)境、展示角度等方面均方面均提出了較高的要求，而計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、三維仿真技術(shù)等具有虛擬、仿真功能的信息化技術(shù)的發(fā)展，為大體積冶金機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)仿真演示提供了可能，為設(shè)計(jì)人員與客戶更好的溝通提供了“工具”，在此背景下，本文針對(duì)冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題展開研究，為冶金機(jī)械虛擬仿真演示提供參考。

冶金機(jī)械；動(dòng)態(tài)仿真；演示系統(tǒng)

前言

將冶金機(jī)械的功能直觀的、全面的向客戶展示，是推動(dòng)客戶選擇冶金機(jī)械設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，但冶金機(jī)械設(shè)備復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、龐大的工作任務(wù)、惡劣的工作環(huán)境等方面決定冶金機(jī)械設(shè)備通常體積非常大，運(yùn)行原理較為復(fù)雜，要讓非專業(yè)的客戶在短時(shí)間內(nèi)通過冶金機(jī)械，準(zhǔn)確的了解冶金機(jī)械的功能和設(shè)計(jì)特色存在較大的難度，所以人們嘗試通過平面化的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)向客戶展現(xiàn)冶金機(jī)械的性能。

1 單機(jī)展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冶金機(jī)械中的部分單機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如復(fù)擺顎式破碎機(jī)等，在對(duì)此類單機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要對(duì)其具體的工作原理、功能、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行準(zhǔn)確、全面的掌握，然后進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)的過程中要從以下方面著手：

1.1 在選擇應(yīng)用的設(shè)計(jì)軟件中完成準(zhǔn)備工作

在建模和動(dòng)畫制作等方面功能較突出，且對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件適應(yīng)性較強(qiáng)、工作效率較高的Auto CAD軟件中進(jìn)行設(shè)備仿真建模，在此過程中需要注意，由于建模過程中，任何參數(shù)不準(zhǔn)確都會(huì)影響到冶金機(jī)械的聯(lián)動(dòng)效果或模型整體的精度，所以在建模的過程中，應(yīng)盡可能應(yīng)用冶金機(jī)械零件和裝配的電子圖紙，然后在軟件中對(duì)電子圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，并利用3ds Max軟件中的捕捉、繪制等功能，對(duì)建模中的局部設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 完成冶金機(jī)械金屬材質(zhì)的仿真設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的過程中，要在單色背景中向客戶真實(shí)的展示出冶金機(jī)械的金屬材質(zhì)，要用非真實(shí)反射環(huán)境體現(xiàn)冶金機(jī)械的材質(zhì)，并利用光線跟蹤反射功能，體現(xiàn)出不同位置下金屬材質(zhì)的光線差異，完成材質(zhì)制作過程，圖1為冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)截圖。

1.3 完成可烘托仿真真實(shí)性的燈光設(shè)計(jì)

圖1 冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)截圖

在設(shè)計(jì)的過程中，考慮到只有普通燈光或掃描線渲染器可以烘托出冶金機(jī)械設(shè)備的真實(shí)性，所以要在建設(shè)單個(gè)泛光燈的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多次復(fù)制、粘貼，形成半球狀的泛光燈排列矩陣，此時(shí)將燈光強(qiáng)度統(tǒng)一調(diào)整到0.02，并用強(qiáng)度為0.2的主燈對(duì)所有泛光燈進(jìn)行照射，形成具有烘托作用的光線陰影[1]。

1.4 完成冶金機(jī)械演示動(dòng)作的仿真設(shè)計(jì)

另外，對(duì)需要展示的具體冶金機(jī)械功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，此部分設(shè)計(jì)是單機(jī)展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要引起設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注。例如在針對(duì)圓錐式破碎機(jī)的偏心主軸和破碎圓錐進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，忽視兩個(gè)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過程中會(huì)在偏心套的作用下，會(huì)以腔體結(jié)構(gòu)為中心進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，就會(huì)導(dǎo)致演示的過程中，客戶不能準(zhǔn)確的了解此類冶金機(jī)械的運(yùn)行原理，加大冶金機(jī)械運(yùn)行故障的發(fā)生概率。筆者認(rèn)為在具體設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)先通過鏈接工具，將主軸和除偏心主軸外的零件建立鏈接關(guān)系，以此保證仿真演示動(dòng)畫可以反應(yīng)出偏心主軸在外力作用下的自轉(zhuǎn)過程[2]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員再通過鏈接工具，將偏心主軸和偏心套之間建立鏈接關(guān)系，使原本獨(dú)立的各結(jié)構(gòu)之間形成相互影響的關(guān)系。在以上互動(dòng)影響關(guān)系形成后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)有意識(shí)的將二維圖像轉(zhuǎn)化為三維的動(dòng)畫過程，具體操作是，先將坐標(biāo)的格式調(diào)整成為自身坐標(biāo)，使界面中原本處于傾斜狀態(tài)的部件方向得到調(diào)整，然后通過旋轉(zhuǎn)工具對(duì)部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，在操作的過程中完成整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程的動(dòng)畫記錄，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)記錄的旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫在播放的過程中，按照之前的鏈接關(guān)系和軟件自身默認(rèn)的動(dòng)力學(xué)原理，可以基本反應(yīng)出偏心主軸和破碎圓錐的運(yùn)動(dòng)軌跡。

出上述功能仿真設(shè)計(jì)外，冶金機(jī)械在應(yīng)用過程中與演示發(fā)生碰撞并對(duì)演示進(jìn)行破碎處理的過程，也是冶金機(jī)械設(shè)備向客戶重點(diǎn)展示的方面，所以在進(jìn)行冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要有意識(shí)的對(duì)此方面進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。筆者在進(jìn)行此方面設(shè)計(jì)的過程中，主要通過3ds Max軟件所具有的空間扭曲功能和粒子系統(tǒng)完成，具體設(shè)計(jì)過程是先將模擬真實(shí)場(chǎng)景的石頭模型替換粒子發(fā)射器發(fā)出的粒子模型，然后對(duì)破碎機(jī)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并通過全動(dòng)力學(xué)導(dǎo)向器在仿真的場(chǎng)景中完成對(duì)碰撞代替物和圓錐部件的提取，兩者均作為仿真系統(tǒng)的碰撞件[3]。最后，利用綁定工具將提取的碰撞件與粒子系統(tǒng)之間建立綁定關(guān)系，此時(shí)通過粒子發(fā)射系統(tǒng)可以直接發(fā)射出巖石，與冶金機(jī)械的腔體發(fā)生碰撞，而且可以反應(yīng)出碰撞過程中，腔體的塑性變化。

需要注意的是，在進(jìn)行冶金機(jī)械功能設(shè)計(jì)的過程中，存在的設(shè)計(jì)方法并不統(tǒng)一，設(shè)計(jì)者要結(jié)合自身的設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)水平進(jìn)行靈活的選擇，例如在進(jìn)行上述設(shè)計(jì)的過程中，除采用上述方法外，設(shè)計(jì)者還可以選擇PF粒子流和NVIDIA圖形卡配合應(yīng)用的方式實(shí)現(xiàn)，雖然設(shè)計(jì)過程相比筆者介紹過程更為復(fù)雜，但也可以達(dá)到動(dòng)態(tài)仿真演示的效果，圖2是冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)截圖。

圖2 冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)截圖

2 冶金機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)線的作業(yè)狀態(tài)仿真演示設(shè)計(jì)

相比冶金機(jī)械的性能，客戶更注重冶金機(jī)械的工作狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)，不僅要可以虛擬仿真單機(jī)機(jī)械設(shè)備，而且要對(duì)冶金機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)線作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行仿真，筆者認(rèn)為在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行：

2.1 完成冶金機(jī)械生產(chǎn)線場(chǎng)景的設(shè)計(jì)

要對(duì)真實(shí)的生產(chǎn)線場(chǎng)景進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中，為簡(jiǎn)化場(chǎng)景設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和難度，應(yīng)先將單機(jī)設(shè)備中外部不能直接觀察到的部件刪除，然后按照冶金機(jī)械設(shè)備在真實(shí)作業(yè)場(chǎng)景中與其他設(shè)備的寫作關(guān)系，進(jìn)行冶金機(jī)械設(shè)備和相關(guān)設(shè)備的仿真擺放，在此過程中，需要注意計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間和反應(yīng)能力等均是有限的，要保證演示過程流暢清晰，在進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì)的過程中，具體的物體片數(shù)要合理的控制。

2.2 完成冶金機(jī)械具體作業(yè)過程的仿真設(shè)計(jì)

考慮到冶金機(jī)械在生產(chǎn)線中具有傳送物料的功能，在仿真演示系統(tǒng)中要對(duì)此作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)先將粒子系統(tǒng)設(shè)置在具體的傳送線路中，然后通過畫線命令和路徑跟隨等功能設(shè)計(jì)出冶金機(jī)械在物料運(yùn)輸中的具體路徑。在以上設(shè)計(jì)完成后，通過綁定工具可以使冶金機(jī)械和具體的運(yùn)動(dòng)路徑之間建立連接，此時(shí)通過播放動(dòng)畫可以仿真出冶金機(jī)械按照設(shè)計(jì)路徑傳輸物料的過程。需要注意的是，為保證仿真的真實(shí)性，設(shè)計(jì)人員在完成以上設(shè)計(jì)過程后，要針對(duì)具體的粒子發(fā)送時(shí)間、速度等方面進(jìn)行合理的調(diào)整。

在以上設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)完成后，利用Web Max等虛擬顯示軟件，將設(shè)計(jì)的三維圖像轉(zhuǎn)化為平面網(wǎng)頁(yè)向客戶傳輸，客戶可以從仿真演示動(dòng)畫中直接了解冶金機(jī)械設(shè)備的外形、結(jié)構(gòu)，在此過程中，客戶可以結(jié)合自身的實(shí)際需要，對(duì)冶金機(jī)械進(jìn)行隨機(jī)的拆卸和組裝，可見在以上設(shè)計(jì)的冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)中，基本突破了真實(shí)冶金機(jī)械設(shè)備展示的限制約束條件，這在一定程度上說明本設(shè)計(jì)具有科學(xué)性和合理性。

3 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到利用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示的可行性和必要性，并在實(shí)踐中有意識(shí)的結(jié)合現(xiàn)有仿真、虛擬技術(shù)發(fā)展成果進(jìn)行冶金機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這是冶金機(jī)械設(shè)計(jì)、宣傳推廣過程中，信息化水平提升的具體體現(xiàn)，應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展不斷的優(yōu)化。

[1]崔建偉.基于PhysX的冶金機(jī)械演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012，05：113～115.

[2]鐘登華，王忠耀，李明超，劉杰.復(fù)雜地下洞室群工程地質(zhì)三維建模與動(dòng)態(tài)仿真分析[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2007，11：1436～1441.

[3]陶 勇.冶金冷凝過程最優(yōu)機(jī)械電氣控制方法研究仿真[J].電氣應(yīng)用，2015，11：134～137.

TF303

A

2095-2066（2016）34-0241-02

2016-11-22