液壓卸貨平臺的運動仿真及可視化

李 銳，陳 暉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099)

液壓卸貨平臺的運動仿真及可視化

李 銳，陳 暉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099)

為了在實際制造之前對液壓卸貨平臺進行仿真驗證，提出并實現了一種單叉液壓卸貨平臺的運動學仿真和可視化的方法，即利用CAD模型、約束關系、運動學分析數據，綜合使用UG、MAYA、RTT等多種工具相互配合實現復雜機構的運動仿真。仿真結果顯示設計方案滿足功能要求。

運動仿真；可視化；實時渲染

隨著以計算機為核心的信息技術的不斷發展，在當今的制造業中，計算機仿真在產品開發過程中的作用越來越重要，計算機仿真已廣泛應用于產品研制全生命周期的各個階段。仿真及可視化技術是指基于數學模型、結構設計模型，利用計算機對系統的結構、功能、行為、控制等方面進行高保真的模擬試驗，以驗證方案設想，并把試驗結果數據以可視化圖形的方式顯示出來的綜合技術。仿真及可視化技術已經是產品設計驗證的重要手段，它使得產品可以在實際制造之前就能進行虛擬驗證，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化設計方案。傳統的液壓卸貨平臺設計方法是通過試制卸貨平臺實物來驗證設計方案，成本高、周期長，通過計算機仿真可以有效避免因初期設計不成熟而導致的資源浪費，并縮短研制周期。

1 液壓卸貨平臺模型建立、運動仿真及可視化

1.1設計模型創建

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，卸貨臺應達到的最大尺寸為1 150 mm×1 500mm；(4)設備需要的操作人員最多不超過3人。

首先根據用戶的需求，該自動卸貨平臺采用常規的單叉機構升降重物的方式，使用兩個同步液壓缸做同步驅動，來達到升降貨物的目的。

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

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

1.2運動學分析與仿真動畫實現

1.2.1運動學分析

NX6.0軟件可以通過模擬三維模型中液壓缸的工作行程，驅動液壓卸貨平臺中各個零件的運動。運動學分析的驅動參數為液壓缸一、液壓缸二的行程，關注的參數包括轉動架水平方向夾角和轉動角度、被升降貨物的角度和高度、放貨臺最高點高度。

以液壓卸貨平臺的初始位置為研究對象，開始進行運動學分析。初始狀態時，液壓缸一行程0，液壓缸二行程0，轉動架夾角15°，轉動角度0°，放貨平臺的角度0°，放貨臺的最高點與底座下表面高度差為302mm，放貨臺最高點為1 354mm。當液壓缸一運行活塞伸出時，此時液壓卸貨平臺各零部件隨動。當液壓缸一運行600mm時，液壓卸貨平臺頂部平面距離目標區域基本處于最近位置，兩者間距16mm左右，上述運動過程中，液壓卸貨平臺各零部件的運動學分析數據見表1。

表1 運動學分析數據

1.2.2仿真動畫實現

考慮到卸貨平臺機構運動較復雜，且RTT支持MAYA動畫數據，因此這里使用MAYA軟件來制作產品仿真動畫，再將制作的動畫輸出成WRL格式的結構化數據包，然后把WRL格式的數據包導入RTT來實現整個運動仿真的動畫。

根據上一節運動分析結果創建機械結構之間的約束關系，其中液壓缸一、液壓缸二為驅動部件，帶動連桿以及其他部件運動。在MAYA中按照如下步驟添加約束：(1)在底座上，分別在后轉動架、連桿一的轉動圓心位置創建Locator1，然后添加點約束關系，從而約束后轉動架繞固定點Locator2做旋轉運動。(2)用同樣的方法在連桿一與液壓缸一連接點圓心位置創建Locator3，用其來約束液壓缸一的缸體的底部，使缸體的轉動中心約束在連桿一的連接點。(3)在后轉動架上為液壓缸一的推桿添加一個點約束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；后轉動架帶動放貨臺，進而帶動整個平臺向目標區域運動，同時后轉動架驅動連桿二。(4)在后轉動架的頂部與放貨臺的連接點圓心位置創建Locator5，建立點約束關系約束放貨臺的運動，圓心位置創建點約束Locator6，約束前轉動架連接點。最終平臺運送貨物到達目標區域，放下貨物，液壓卸貨平臺自動返回初始位置，結束一個自動工作循環。(5)在后轉動架上與連桿二連接點處圓心位置創建Locator7，用它來約束連桿二的運動。(6)在連桿二與前轉動架的連接點處圓心位置創建Locator8，用它來約束前推架的運動。(7)在前轉動架與放貨臺的連接點處圓心位置創建Locator9，用它來約束放貨臺的運動。

根據表1中的運動數據，確定液壓缸一、液壓缸二行程(0mm)、初始轉動架夾角(15°)、平臺最高點高度(1 354mm)等關鍵位置，在時間軸上依次制作關鍵幀動畫。完成以后將動畫導出為WRL格式運動數據。

1.3三維可視化(實時渲染)

產品三維可視化選用基于GPU的實時渲染技術[1]，隨著計算機硬件技術的快速發展，目前已經可以做到高保真的實時渲染。具體使用軟件RTT來實現可視化渲染。RTT全稱Real Time Technology，它是由德國慕尼黑的RTT公司研發的高端實時虛擬現實可視化軟件。該款軟件可以提供逼真的、基于物理真實的、實時的三維可視化。它能幫助產品設計、研發、裝配、市場銷售等各個環節提高工作流程的效率、節省時間，具有很強的靈活性。

可視化實現方法：(1)將卸貨平臺的UG模型導出為輕量化的JT格式，創建廠房地板和貨物的其他模型。(2)按照仿真要求對模型結構樹進行重新編輯，對模型進行輕量化處理，輕量化轉化參數如圖2所示。(3)選擇整個場景的所有模型添加一個替代材質，創建主光源和輔助光源，計算陰影[1]。(4)從材質庫中選取合適的材質。在RTT中導入MAYA軟件輸出的WRL運動數據，以驅動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。在有客戶參加的設計評審中，客戶從計算機最終輸出的動畫可以直觀地看出設計方案能否滿足要求。

2 三維可視化的應用

目前，制造業正在向著綜合性的協同設計制造體系方向發展，一個關鍵環節就是如何協同。工程可視化利用三維模型把復雜的工程問題透明化、可視化，克服了不同專業之間的語言障礙[2]，使得技術人員在產品開發的前期就能充分考慮影響產品使用的諸多因素?？梢暬治鲆呀洺蔀橐粋€重要的進行技術決策和分析的手段[3]，使生產執行層、管理層、投資者、消費者能更易于理解設計方案和目的，便于將產品快速推向市場。

圖2 模型的輕量化參數

圖3 最終輸出結果

基于工程模型的三維可視化可以有以下方面的業務應用：(1)交互式可視化模型可以用于設計驗證和關鍵里程碑節點評審，工程可視化利用工程CAD模型，打破了各個專業之間的限制，使不同角色崗位的人員能夠協同工作，綜合分析工程技術問題。(2)在產品未投產之前，利用三維可視化模型進行展示，這種展示方式便于管理層、投資者接受理解，增加其對產品方案和承制方的信任。(3)在量產階段，三維可視化動畫可以作為工人的可視化作業指導書。(4)在使用維護保障階段，用于制作交互式電子手冊、技術出版物等。

3 結束語

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品方案的運動仿真及可視化，從仿真結果可以看出，卸貨平臺可以運動到指定的高度，可以放置用戶要求的最大尺寸貨物，并且整個運動過程無干涉現象和明顯的設計缺陷。最后通過與用戶溝通，用戶提出了進一步優化的建議：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計方案改進、完善的主要內容。

[1] 登普斯基．DirectX實時渲染技術詳解[M]．于忠德，吳紅艷，林鋒,譯．重慶：重慶大學出版社，2006.

[2] ESI中國．ESI虛擬樣機技術及應用[M]．北京：知識產權出版社，2010.

[3] 聶海濤．臭鼬工廠傳奇[M]．北京：中航出版傳媒有限責任公司，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，中國空空導彈研究院助理工程師，主要研究方向為虛擬樣機、工程可視化技術。

TP319

B

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