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1、基于 VRML的液压挖掘机工作装置运动仿真 * 张相宁, 李喜辉, 郭丽娟 (唐山轨道客车有限责任公司, 河北 唐山? 063035) 摘? 要: 针对专业仿真软件模拟挖掘机工作装置运动存在文件大, 交互性差, 不便于网上传输的缺点, 提出了利用 VR M L对液压挖掘机工作装置运动进行仿真的方法。利用 SolidWorks建立液压挖掘机工作装置静态模型, 结 合各部件之间的父子关系和几何关系, 编写 VRML程序, 完成挖掘机工作装置仿真系统。此方法对挖掘机设 计水平的提高具有重要的理论意义和实际价值。 关键词: VRML ; 液压挖掘机; 工作装置; 交互性 中图分类号: TU621 TP
2、391. 9? ? ? ? ? ? 文献标识码: A? ? ? ? ? 文章编号: 1006- 4414( 2010) 02- 0106- 04 M otion simulation ofwork device of hydraulic excavator based on VRML Zhang X iang- ning, L iXi- hu, i Guo L i- juan (Tangshan rail way vehicle Co . , Ltd, TangshanH ebei?063035, China) Abstract : W hen specialsi mulation softw
3、are si mulating themotion ofwork device ofhydraulic excavator ,the file is bulky and the interaction isweak and it is difficult to transfer on the web. A i m ing at the deficiency , the move ment si mulationmethod of work device of hydraulic excavator is developed based on VRML. The static di mensio
4、nalmodel of the hydraulic excavator is designed using the Solid W orks software . Co mbining the geo metry relations of the excavator parts and its father and son rela ? tions ,theVR M L progra m of thework device is co mposed. The si mulation syste m ofwork device of the excavator is co mpleted . T
5、hismethod has i mportant theoretical significance and practical value for i mproving the levelof excavator design. K ey words : VRML; excavator ; work device ;interaction 1? VRML描述物体运动简介 采用 VRML (虚拟现实建模语言 ) 结合 Solid? W orks软件建立了可交互、 简约而友好的液压挖掘机 工作装置运动仿真系统, 用 I E浏览时, 设计人员可以 从各个角度观看外型, 而且能够操作其中的部分构 件,
6、 并通过触、 摸等手段与虚拟空间进行交互 1, 真 正让挖掘机工作装置的计算机辅助设计从静态走向 了动态。 1 . 1? VRM L及其特点 VRML是一种网络虚拟现实建模语言, 由它所形 成的文件包含一系列的节点 ( nodes), 节点定义三维 虚拟场景的各种属性, 节点间以 ? 父子 关系形成层 次性结构, 并可以通过事件相互通讯, 用户可通过 VRML编程来实现各个节点的简单和复杂的动作。 其动画的实质是依靠一个给定的时间传感器 ( T i m er sensor)和一系列的插补器节点 ( interpolator )如位置、 色彩、 梯度、 坐标、 方向等实现关键帧动画 2。 1 .
7、 2? 时间传感器节点 时间传感器节点的作用是创建一个虚拟时钟, 可 向其他节点发送时间值 3。节点结构和格式如下: 节点语法定义: T i meSenor cycleInterval? ?n? ? # SFT i m e enabled?TRUE?#SFBool loop?FALSE?#SFBool startT i me?0?#SFT i me stopT i me?0?#SFT i me cycleInterval是每个变化周期的长度, 以秒为单 位, 取值大于 0 ; enabled设定是否产生时间的相关作 用; loop表明时间传感器是无限循环, 还是在后一个 周期后被终止; sta
8、rtT i me开始产生事件时间; stopT i m e 终止产生事件时间。 1 . 3? 插补器节点 VRML设计了许多插补器节点对应着不同状态 的变化, 这些插补器节点根据时钟得到信息, 从相应 的索引表中获得适当的一组关键值, 这组关键值被输 出到对应节点的域从而决定了物体的新状态。 插补器的语法结构 Key? ? ? ? keyValue? set_fraction?eventIn value_changed?event Out key为时间关键值比例列表; keyValue为事件关 键值列表, 取值与所要改变的状态域值有关; set_frac? tion为动画完成的比率; valu
9、e_changed为与比率对应 的事件值。 !106! 制造业信息化? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! 机械研究与应用! *收稿日期: 2010- 01- 05 作者简介: 张相宁 ( 1982- ), 男, 河北辛集人, 助理工程师, 研究方向: 机械设计。 1 . 4? 检测器节点 检测器是 VRML中提供交互能力和状态行为的 基元, 检测器节点是用户与虚拟世界中的物体进行交 互的机制。具体来说, 检测器节点使用一个定点设备 (如鼠标 )来感知用户的动作并产生相应的事件 ( e? vent)。这一事件经过路由 ( ROUTE)将消息传送到
10、 相关节点, 从而使虚拟世界中的对象发生响应。 1 . 5? 入事件和出事件的绑定 2 在 VRML中, 每一个节点一般都有两种事件, ? 入事件 ( eventIn) 和 ? 出事件 ( event Out), ? 入事 件 相当于函数调用的入口参数, 而? 出事件 相当于 函数调用时返回的值, 每个节点通过这些 ? 入事件 和 ?出事件 来改变自己的域值。 以下语句将时间传感器绑定给入事件: ROUTE T i me. fraction _changed TO Mover. set _ fraction 在 set _ fraction函数内可以人工编制代码计算 物体的移动、 旋转等状态参
11、数, 再将计算值赋给出事 件数据对象 eventName, 通过以下语句将数据对象绑 定给指定的虚拟物体, 虚拟物体就可运动了。 ROUTEMover. EventName TO object_name. set_ rotation 2? 液压挖掘机工作装置的虚拟仿真 2 . 1? 模型的建立 液压挖掘机工作装置主要由动臂、 斗杆、 铲斗、 铲 斗摇杆、 铲斗连杆、 动臂液压缸、 动臂液压活塞杆、 斗 杆液压缸、 斗杆液压活塞杆、 铲斗液压缸、 铲斗液压活 塞杆共 11个运动部件组成 4, 各部件间全部采用铰 接, 通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。 建模在 Solid Works环境
12、下进行, 参考挖掘机的相 关设计资料, 利用 Solid Works中的拉伸、 阵列、 切除等 基本命令建立液压挖掘机工作装置各个零部件图, 采 用自下向上设计方法进行装配, 最终得到的工作装置 装配图如图 1所示。 图 1? 挖掘机工作装置装配图 ? 然后通过 Solid? W orks所拥有的干涉 检查功能对挖掘机三 维模型进行检查, 确 保模型准确无误后, 执 行Solid Works 中 ? 文件 栏下的 ?另存 为 命令, 选择保存类型为 ? VRML(* . w rl) 格式, 然 后点击 ?另存为 窗口下的 ? 选项 , 弹出? 输出选项 窗口, 将版本设为 VRML97 , 将
13、其转化为 VRML文件。 但 VRML文件中挖掘机工作装置的各部件的节 点均为如下格式: T ransfor m children Shape 因此需将 VRML 文件导入到 VRML 开发工具 Vr m lPad中, 利用 Vr m lPad能够显示节点缩略图的功 能对各个零部件节点进行辨认, 并利用 VRML中的 DEF(重定义节点 )对其进行重定义, 以利于在后续工 作中对各节点进行操作。 图 2? 挖掘机工作装置父子嵌套关系图 2 . 2? 工作装置运动处理 在液压挖掘机工作装置实际工作中, 动臂的运动 是由动臂液压活塞杆在动臂液压缸中的伸缩运动引 起的, 斗杆的运动是斗杆液压活塞杆在
14、其液压缸中的 伸缩运动与动臂运动的合成运动, 铲斗的运动是铲斗 液压活塞杆在其液压缸中的伸缩运动与动臂斗杆运 动的合成运动。传统方法通过用矩阵计算出工作装 置各个不同部分运动的瞬时位置坐标然后再显示, 计 算非常复杂 5, 尤其是对于那些更多自由度的工作 装置。在 VRML中, 一个变换节点可以包含一系列子 节点, 而这些子结点又可以包含自己的子结点, 父与子 具有动作继承关系 (即父动子随之动, 子动父不动 ), 这 样可在编写程序时可将父作为参考物, 只需考虑子的 运动。根据挖掘机工作装置各零部件关系与计算方便 的要求, 将其父子嵌套关系设置如图 2所示。 2 . 3? 各机构的几何关系分
15、析 在 2 . 2已设置好的各零部件之间父子关系基础 之上, 按照运动起始结束时间相同的原则, 在不影响 仿真效果的前提下, 将液压挖掘机工作装置分为动臂 机构、 斗杆机构和铲斗机构, 并分别假想动臂、 斗杆和 铲斗分别为三个机构的运动产生者。在编制各机构 的 VRML程序时, 首先设定运动产生者的旋转角速 度, 再根据此机构的几何关系求得其他部件的旋转角 速度, 然后选取一系列时刻根据各部件的旋转角速度 计算出其在相应时刻的旋转角度, 这组旋转角度值即 为程序中各部件插补器节点索引表中的关键值。 对动臂机构的几何关系分析如图 3所示, 动臂与 !107! ? ? ? ? ? ? ? ? ?
16、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?制造业信息化 ! 机械研究与应用! 工作台的铰点 A、 动臂液压缸与工作台的铰点 B 和动 臂与动臂液压活塞杆的铰点 C 组建 ABC, 此三角形 的两边 AB、 AC 长度固定不变且 AB 固定不动, AC 以 一定的角速度 (即动臂的旋转速度 )旋转, 则 #BAC 在任一时刻的值可确定。根据三角形正余弦定理和 内角和定理, 可计算出对应时刻 BC 的长度、 #ABC 和 #ACB的值。 BC =AC 2 + AB 2 - 2 AB AC cosBAC( 1) #ABC = arcsin AC sin BAC BC ( 2) #ACB = 180%
17、- #ABC - #BAC( 3) #ABC 和#ACB 的变化值即为动臂液压缸和动 臂液压活塞杆的旋转角度。为了计算简单方便, 可利 用 Matlab的循环控制程序进行求解。若求 #ABC 和 #ACB 的五个瞬时变化值, 其程序代码如下: for t= - 4 : 1 s= asin( AC* sin( BAC+ w* t) /( abs ( sqrt(AB2 + AC 2- 2* AB* AC*cos( BAC+ w*t) ) ) ) ) - ABC k= 180- s- BAC- ACB / /设 s为 ABC的变化值, k为 ACB的变化值, w 为动臂旋转角速度, t为时间, AB
18、C、 BAC、 ACB分别为 # ABC 、 # BAC、 # ACB起始值。 End 斗杆机构的几何关系也可以仿照动臂机构的几 何关系进行计算。 对于铲斗机构, 铲斗摇杆、 铲斗连杆、 铲斗液压 缸、 铲斗液压活塞杆与铲斗组成五边形 TMNSO 如图 4所示, 直接利用此五边形的几何关系无法计算出铲 斗机构各部件对应时刻的旋转角度, 可用如下方法解 决: 在五边形 TMNSO 中, 连接 ON 组建四边形 ON? MT, 再连接 OM, 将四边 形 ONMT 分为 TMO 和 MNO。 图 3? 动臂机构几何关系图 图 4? 铲斗机构几何关系图 ?( 1) 在 TMO 中, OT、 TM 的
19、长度固定不变, 且 OT 固定不动, TM 以一定的角速度 (即铲斗的旋转速 度 )旋转, #OTM 在任一时刻的值即可确定。根据三 角形正余弦定理, 计算出对应时刻 OM 的长度和 #TOM 的值: OM =OT 2 + TM 2 - 2 OT TM cosOTM( 4) #TOM = arcsinTM sinOTM OM ( 5) ( 2) 在MON 中, ON、 MN 长度不变且 OM 在对 应时刻的长度已由式 ( 4) 求出, 根据三角形余弦定 理, 计算出#MON 和 #ONM 对应时刻的值: #MON = arcsinMO 2 + NO 2 - MN 2 2 MO NO ( 6)
20、#ONM = arcsinON 2 + MN 2 - OM 2 2 ON MN ( 7) #ONM 的变化值即为铲斗摇杆 MN 的旋转角 度; #TON = #TOM + #MON, 其变化值即为铲斗连 杆 ON 的旋转角度。 ( 3) # SON = #TOS- #TON, #TOS 是固定值, SO和 ON 长度固定不变, 利用三角形正余弦定理和 内角和定理列出下列三个公式: SN =OS 2 + ON 2 - 2 OS ON cosSON( 8) #OSN = arcsinON sin NOS NS ( 9) #ONS = 180%- #OSN - # SON( 10) #OSN 和 #
21、ONS的变化值分别为铲斗液压缸和 铲斗液压活塞杆的旋转角度。 2 . 4? 液压挖掘机工作装置交互程序的编写 将上述工作完成后, 将对各部件节点进行设置。 以动臂为例, 其编写步骤和代码如下: 第一步: Orientation Interpolator(方向插补器 )默 认是以 Z 轴为旋转轴, 按照动臂旋转的要求, 必须将 动臂与工作台的铰点设定为旋转中心, 这样, 动臂将 以通过此铰点与 Z 轴平行的直线为旋转轴。具体方 法是在 Solid Works中计算出动臂与工作台的铰点的 X 坐标和 Y 坐标, 然后在在动臂程序 Transform节点 开头加入 center域。 第二步: 在动臂
22、程序 Transfor m 节点中加入两个 TouchSensor(接触检测器 )节点, 其主要功能是产生 定点输入设备 (本设计是鼠标 )的事件, 当用户用鼠 标点击动臂的任何部位时, VRML都会检测到接触, 并且将其输出。 第三步: 在 TouchSensor节点下加入 T i meSensor (时间传感器 )节点, 其主要功能是当用户点击动臂 后, 时间传感器被打开, 动臂开始运动, 当用户再次点 击动臂后, 时间传感器被关闭, 动臂停止运动。在此 设计中, 将 cycleInterval循环周期设定为 20s 。 第四步: 在 T i meSensor节点下加入 Orientati
23、onIn? terpolator(方向插补器 )节点, 其主要功能是使动臂发 生旋转, 并规定动臂围绕旋转的旋转轴和角度。在此 !108! 制造业信息化? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! 机械研究与应用! 设计中, 将 key域关键帧时间的列表设定为 0 . 0 , 0 . 1 , 0 . 2 若鼠标点击斗杆, 则斗杆 开始绕动臂与斗杆之间的铰点旋转; 若鼠标点击铲 斗, 则铲斗开始绕斗杆与铲斗之间的铰点旋转。三者 的旋转运动可同时进行, 也可分别进行。动臂、 斗杆、 铲斗同时做旋转运动某时刻如图 6所示。 图 5? 挖掘机工作装置? ? ?
24、 图 6? 挖掘机工作装置运 仿真系统动某时刻图 4? 总? 结 利用 VRML对液压挖掘机工作装置进行虚拟仿 真, 具有以下优点: 更加逼真; ( 交互性强; ) 能够 脱离软件平台; 只有 447K大小, 便于网上传输, 设 计人员可通过互联网进行协同设计和交互式设计; + 对系统的要求较低。另外, 由于在设计仿真过程中所 应用的 Solid W orks软件和 VRML具有广泛的适用性, 对其他机械产品的研发设计也具有借鉴意义。 参考文献: 1? 梁? 晖, 刘晓明. 在 W eb中利用 VRML 实现机械结构运动仿真 J. 机械与电子, 2002 , ( 2) : 69- 72. 2
25、? 吴小华. VRM L 与 J AVA 编程 M . 北京: 国防工业出版社, 2002 . 3? 方锡武, 基于 VRM L的机械传动机构的运动仿真 J. 计算机仿 真, 2007, 24( 6): 203- 206 . 4? 王桂新, 杨彦龙. 基于 ADAM S的液压挖掘机工作装置的仿真分 析 J. 河北工业大学学报, 37( 3): 59- 61 . 5? 温? 磊, 梁真毓, 迟永滨. 基于 VB和 OpenGL的挖掘机械实时运 动仿真 J. 计算机辅助工程, 2008 , 17( 2): 69- 72. !109! ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?制造业信息化 ! 机械研究与应用!