雙梁橋式起重機虛擬樣機及視景仿真

趙 霞，裴文華，王曉波

（太倉武港碼頭有限公司，江蘇 太倉215400）

在起重機設計中引入虛擬現實技術及計算機仿真技術，有利于設計者獲得更加合理、更加安全可靠的設計方案，并減少產品開發中需要進行的實驗，有利于縮短產品的開發周期以及降低綜合成本［1］.本文以雙梁橋式起重機為研究對象，擬在CAD二維圖形的基礎上應用Solidworks與3Dmax聯合建模的方法實現雙梁橋式起重機整機系統的三維數字化虛擬樣機.

1 雙梁橋式起重機結構

應用AutoCAD二維設計方法完成橋式起重機的整機裝配圖，并選取主視圖和俯視圖作為整機結構形式的說明（圖1）.其工作原理：橋式起重機工作過程，先由起升機構在減速機構的牽引下通過鋼絲繩和吊鉤將貨物起吊需要的高度；此后，小車運行機構在雙電機驅動下沿大車上的軌道做橫向運動，大車運行機構在雙電機的驅動下沿導軌做縱向運動，大、小車共同配合完成起重作業.

2 雙梁橋式起重機虛擬樣機

筆者采用三維建模軟件Solidworks與3Dmax聯合建模的方法.橋式起重機整機模型所需要的主要部件建模按以下原則進行構建：1）大車運行機構尺寸較大，但形狀要求較為簡單，一般由型鋼和鋼板組成，可以應用solidworks軟件采用基于CSG建模方法進行構建；2）起升機構中含有鋼絲繩柔性體，可以采用3Dmax柔性體建模技術進行構建；3）對于較為復雜、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 雙梁橋式起重機結構示意圖

2.1 大車行走機構

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

圖2為大車運行機構的虛擬樣機模型.它是由主梁、橋架結構、主動車輪、從動車輪、牽引機構等部分裝配組合而成.在橋式起重機工作過程中，大車可以做縱向運動，增加了縱向的工作范圍.

采用solidworks建立大車運行機構虛擬樣機模型后，導入3Dmax進行效果處理以達到與整體環境以及其他機構相協調的效果.

圖2 大車運行機構虛擬樣機模型

2.2 小車行走及起升機構

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

起升機構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；2）采用無限離散技術進行柔性體的模擬.相比而言，第一種方案較多地應用于視景仿真中，其模擬與仿真效果更為顯著；第二種方案較多應用在柔性體的動力學分析中，將類似鋼絲繩等柔性體進行無限離散化.其基本思想為：采用discrete flexible link方法，及采用多個分段（Segments）的discrete flexible link組合來模擬鋼絲繩，以達到真實模擬的效果.本文研究工作主要采用第一種方案.

2.3 整機虛擬樣機

橋式起重機三維模型主要用以顯示橋式起重機的外觀形狀、各零部件及各機構之間的位置及相互之間的從屬關系.同時，橋式起重機整機虛擬樣機亦是后續的橋式起重機虛擬駕駛系統交互操作與視景仿真的對象，因此，本文在完成橋式起重機所有重要零部件及其機構的實體建模后，應用虛擬裝配技術完成橋式起重機整機虛擬樣機的裝配.

本文所研究的雙梁橋式起重機整機系統的虛擬裝配過程主要包括減速器裝配、大車運行機構主動輪裝配、大車運行機構從動輪裝配、橋架系統裝配、大車運行機構裝配、小車運行機構裝配、橋式起重機整機裝配等.通過以上步驟可以生成一個橋式起重機的三維實體模型，之后在三維實體模型的基礎上再對其進行運動模擬仿真、交互操作仿真以及視景仿真等.圖4為雙梁橋式起重機整機系統虛擬樣機模型.

3 視景仿真

3.1 系統介紹

橋式起重機虛擬視景系統就是應用計算機產生操作橋式起重機進行作業過程的模擬，并在模擬過程中達到與實際操作橋式起重機同樣的真實效果.此過程中，將產生真實的虛擬視景、音響效果以及三大機構的獨立運動和協調運動仿真，其目的是使得橋式起重機模擬操作者沉浸到虛擬操作環境中，并有實際操作起重機的真實感覺.

3.2 視景顯示方案

橋式起重機視景顯示方案是視景系統研制中較為重要的關鍵性技術，其目的是給橋式起重機模擬操作者提供真實的圖形顯示與立體視覺效果.由于虛擬現實技術的發展，橋式起重機視景顯示方案呈現多元化，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視景顯示方案；2）基于投影的橋式起重機視景顯示方案；3）基于HMD的橋式起重機視景顯示方案.本文主要采用第二種橋式起重機視景顯示方案.

3.3 視景仿真結果

橋式起重機虛擬駕駛系統人機交互過程中，需完成橋式起重機虛擬駕駛系統的視景漫游：進入廠房→地面爬梯入口→上爬梯→在爬梯中部平臺轉身→繼續上爬梯→進入司機室→出司機室→登上主梁走臺→觀看小車→在主梁走臺上行走→觀看大車運行機構→從空中觀察起重機全貌并靠近司機室部位→回到地面（圖5，圖6）.

此外，完成了橋式起重機虛擬駕駛系統的人機交互操作模擬：大車運行機構運行→小車運行機構運行→吊鉤下降→起吊貨物→大車、小車配合運行到預設位置→將貨物放置在地面→起重機空車回原位置（圖7，圖8）.

圖7 小車運行至司機室一側

圖8 小車運行至主梁中心

4 結論

1）應用Solidworks與3－Dmax聯合建模的方法實現了雙梁橋式起重機整機系統的三維數字化虛擬樣機，并就其中涉及到的虛擬裝配技術、柔性體處理技術等關鍵技術給出了解決方案.

2）開發了雙梁橋式起重機虛擬視景系統，對起重機駕駛人員的操作培訓具有較大的現實意義.

3）在視景仿真系統開發中，對橋式起重機虛擬樣機內部模型進行了簡化，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算機的性能及其運行速度、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.虛擬設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］張爭艷，陳定方，劉 李.基于特征建模技術的雙級減速箱的虛擬設計［J］.湖北工業大學學報，2008（3）：46－48.