雙梁橋式起重機(jī)虛擬樣機(jī)及視景仿真

趙 霞，裴文華，王曉波

（太倉武港碼頭有限公司，江蘇 太倉215400）

在起重機(jī)設(shè)計(jì)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，有利于設(shè)計(jì)者獲得更加合理、更加安全可靠的設(shè)計(jì)方案，并減少產(chǎn)品開發(fā)中需要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期以及降低綜合成本［1］.本文以雙梁橋式起重機(jī)為研究對象，擬在CAD二維圖形的基礎(chǔ)上應(yīng)用Solidworks與3Dmax聯(lián)合建模的方法實(shí)現(xiàn)雙梁橋式起重機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的三維數(shù)字化虛擬樣機(jī).

1 雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用AutoCAD二維設(shè)計(jì)方法完成橋式起重機(jī)的整機(jī)裝配圖，并選取主視圖和俯視圖作為整機(jī)結(jié)構(gòu)形式的說明（圖1）.其工作原理：橋式起重機(jī)工作過程，先由起升機(jī)構(gòu)在減速機(jī)構(gòu)的牽引下通過鋼絲繩和吊鉤將貨物起吊需要的高度；此后，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在雙電機(jī)驅(qū)動下沿大車上的軌道做橫向運(yùn)動，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)在雙電機(jī)的驅(qū)動下沿導(dǎo)軌做縱向運(yùn)動，大、小車共同配合完成起重作業(yè).

2 雙梁橋式起重機(jī)虛擬樣機(jī)

筆者采用三維建模軟件Solidworks與3Dmax聯(lián)合建模的方法.橋式起重機(jī)整機(jī)模型所需要的主要部件建模按以下原則進(jìn)行構(gòu)建：1）大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)尺寸較大，但形狀要求較為簡單，一般由型鋼和鋼板組成，可以應(yīng)用solidworks軟件采用基于CSG建模方法進(jìn)行構(gòu)建；2）起升機(jī)構(gòu)中含有鋼絲繩柔性體，可以采用3Dmax柔性體建模技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建；3）對于較為復(fù)雜、種類繁多且各不相同的零部件，可以采用多邊形法近似表示.

圖1 雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 大車行走機(jī)構(gòu)

在大車行走機(jī)構(gòu)虛擬裝配中，需要考慮三個(gè)方面的因素：1）零部件之間的裝配層次；2）裝配先后順序；3）相互之間的裝配關(guān)系.在虛擬樣機(jī)技術(shù)中，常見的裝配順序有：1）直接插入零件完成整個(gè)裝配過程；2）先完成需要的子裝配體，插入子裝配體完成整個(gè)裝配［2］.本文主要采用第二種裝配方案完成橋式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的虛擬裝配.

圖2為大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型.它是由主梁、橋架結(jié)構(gòu)、主動車輪、從動車輪、牽引機(jī)構(gòu)等部分裝配組合而成.在橋式起重機(jī)工作過程中，大車可以做縱向運(yùn)動，增加了縱向的工作范圍.

采用solidworks建立大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型后，導(dǎo)入3Dmax進(jìn)行效果處理以達(dá)到與整體環(huán)境以及其他機(jī)構(gòu)相協(xié)調(diào)的效果.

圖2 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

2.2 小車行走及起升機(jī)構(gòu)

起升機(jī)構(gòu)安裝于小車行走機(jī)構(gòu)上（圖3）.小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要由橋架結(jié)構(gòu)、主動車輪、從動車輪、減速機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、吊鉤等部分裝配組合而成，在起重機(jī)工作中主要做橫向運(yùn)動.起升機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速機(jī)、卷筒、鋼絲繩、制動器等部件組合而成，在起重機(jī)工作過程中，由鋼絲繩牽引起吊貨物.

起升機(jī)構(gòu)中涉及鋼絲繩柔性體的建模，是在剛體仿真中較為難以處理的問題.針對該類問題主要有兩種解決方案：1）采用3Dmax柔性體建模技術(shù)；2）采用無限離散技術(shù)進(jìn)行柔性體的模擬.相比而言，第一種方案較多地應(yīng)用于視景仿真中，其模擬與仿真效果更為顯著；第二種方案較多應(yīng)用在柔性體的動力學(xué)分析中，將類似鋼絲繩等柔性體進(jìn)行無限離散化.其基本思想為：采用discrete flexible link方法，及采用多個(gè)分段（Segments）的discrete flexible link組合來模擬鋼絲繩，以達(dá)到真實(shí)模擬的效果.本文研究工作主要采用第一種方案.

2.3 整機(jī)虛擬樣機(jī)

橋式起重機(jī)三維模型主要用以顯示橋式起重機(jī)的外觀形狀、各零部件及各機(jī)構(gòu)之間的位置及相互之間的從屬關(guān)系.同時(shí)，橋式起重機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)亦是后續(xù)的橋式起重機(jī)虛擬駕駛系統(tǒng)交互操作與視景仿真的對象，因此，本文在完成橋式起重機(jī)所有重要零部件及其機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模后，應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)完成橋式起重機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)的裝配.

本文所研究的雙梁橋式起重機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的虛擬裝配過程主要包括減速器裝配、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)主動輪裝配、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)從動輪裝配、橋架系統(tǒng)裝配、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝配、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝配、橋式起重機(jī)整機(jī)裝配等.通過以上步驟可以生成一個(gè)橋式起重機(jī)的三維實(shí)體模型，之后在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上再對其進(jìn)行運(yùn)動模擬仿真、交互操作仿真以及視景仿真等.圖4為雙梁橋式起重機(jī)整機(jī)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型.

3 視景仿真

3.1 系統(tǒng)介紹

橋式起重機(jī)虛擬視景系統(tǒng)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生操作橋式起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)過程的模擬，并在模擬過程中達(dá)到與實(shí)際操作橋式起重機(jī)同樣的真實(shí)效果.此過程中，將產(chǎn)生真實(shí)的虛擬視景、音響效果以及三大機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動和協(xié)調(diào)運(yùn)動仿真，其目的是使得橋式起重機(jī)模擬操作者沉浸到虛擬操作環(huán)境中，并有實(shí)際操作起重機(jī)的真實(shí)感覺.

3.2 視景顯示方案

橋式起重機(jī)視景顯示方案是視景系統(tǒng)研制中較為重要的關(guān)鍵性技術(shù)，其目的是給橋式起重機(jī)模擬操作者提供真實(shí)的圖形顯示與立體視覺效果.由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，橋式起重機(jī)視景顯示方案呈現(xiàn)多元化，其中較為成熟的方案分為三種類型：1）基于桌面的橋式起重機(jī)視景顯示方案；2）基于投影的橋式起重機(jī)視景顯示方案；3）基于HMD的橋式起重機(jī)視景顯示方案.本文主要采用第二種橋式起重機(jī)視景顯示方案.

3.3 視景仿真結(jié)果

橋式起重機(jī)虛擬駕駛系統(tǒng)人機(jī)交互過程中，需完成橋式起重機(jī)虛擬駕駛系統(tǒng)的視景漫游：進(jìn)入廠房→地面爬梯入口→上爬梯→在爬梯中部平臺轉(zhuǎn)身→繼續(xù)上爬梯→進(jìn)入司機(jī)室→出司機(jī)室→登上主梁走臺→觀看小車→在主梁走臺上行走→觀看大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)→從空中觀察起重機(jī)全貌并靠近司機(jī)室部位→回到地面（圖5，圖6）.

此外，完成了橋式起重機(jī)虛擬駕駛系統(tǒng)的人機(jī)交互操作模擬：大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行→小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行→吊鉤下降→起吊貨物→大車、小車配合運(yùn)行到預(yù)設(shè)位置→將貨物放置在地面→起重機(jī)空車回原位置（圖7，圖8）.

圖7 小車運(yùn)行至司機(jī)室一側(cè)

圖8 小車運(yùn)行至主梁中心

4 結(jié)論

1）應(yīng)用Solidworks與3－Dmax聯(lián)合建模的方法實(shí)現(xiàn)了雙梁橋式起重機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的三維數(shù)字化虛擬樣機(jī)，并就其中涉及到的虛擬裝配技術(shù)、柔性體處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)給出了解決方案.

2）開發(fā)了雙梁橋式起重機(jī)虛擬視景系統(tǒng)，對起重機(jī)駕駛?cè)藛T的操作培訓(xùn)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義.

3）在視景仿真系統(tǒng)開發(fā)中，對橋式起重機(jī)虛擬樣機(jī)內(nèi)部模型進(jìn)行了簡化，但這并不影響仿真對象外觀效果的逼真性，這種處理有效兼顧了計(jì)算機(jī)的性能及其運(yùn)行速度、仿真對象外觀逼真度以及建模效率等方面.

［1］陳定方，羅亞波.虛擬設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］張爭艷，陳定方，劉 李.基于特征建模技術(shù)的雙級減速箱的虛擬設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（3）：46－48.