液壓挖掘機三維虛擬實驗設備的設計與開發

羊玢，宋化衛, 王玉，江志鵬，王哲

(南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

液壓挖掘機三維虛擬實驗設備的設計與開發

羊玢，宋化衛, 王玉，江志鵬，王哲

(南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037)

基于多體動力學分析軟件RecurDyn建立液壓挖掘機虛擬樣機模型，進行工作裝置建模和運動仿真分析，并對液壓挖掘機的作業范圍進行動態仿真，得到挖掘機工作時的最佳作用狀態。基于虛擬現實軟件Virtools建立液壓挖掘機三維虛擬實驗平臺，對液壓挖掘機的不同工作狀態進行虛擬模擬，提供液壓挖掘機結構和原理的生動、逼真的沉浸式的學習環境。

液壓挖掘機；虛擬實驗設備；RecurDyn；Virtools

0 引言

作為一種經濟、高效的土石方施工機械，液壓挖掘機在各種工程建設領域中發揮著至關重要的作用。隨著近年來石油價格的不斷攀升以及人們環保意識的提高，用戶對挖掘機的節能性與環保性也提出了更高要求[1]。由于挖掘機施工時經常鏟斗裝不滿，或是在運送過程中潑撒滴漏，作業效能無法達到100%的發揮。這就要求鏟斗能夠根據作業工況的不同走出適合工況的特定軌跡，以達到作業效能的充分發揮。通過對鏟斗作業范圍的仿真，來驗證實現這一特定軌跡的可能性，并對挖掘機的性能作出評價。

應用新型的多體動力學軟件RecurDyn可以直接建立液壓挖掘機的模型并進行仿真分析，并基于虛擬現實軟件Virtools建立液壓挖掘機三維虛擬實驗平臺，對液壓挖掘機的不同工作狀態進行虛擬模擬。

1 液壓挖掘機動態仿真分析

1.1RecurDyn軟件介紹

RecurDyn軟件是由韓國FunctionBay公司開發出的多體系統仿真優化軟件。主要基于相對坐標系建模和遞歸求解，不但可以同時解決傳統的運動學與大規模多體動力學問題，同時是解決工程機械中機構接觸碰撞問題的專家，極大地拓展了多體動力學軟件的應用范圍。

RecurDyn軟件基于Professional模塊提供的各種建模元素，如齒輪、鏈條、履帶、控制、液壓、發動機設計以及與常用三維CAD軟件的接口，用戶可以建立起系統級機械虛擬數字化樣機模型，為仿真研究提供全方位支持，并進行全面的虛擬測試驗證，通過判斷仿真測試的數據、動畫、曲線、軌跡等結果，進行系統功能優化實現創新設計[2]。

1.2 液壓挖掘機實體建模

1—下車；2—上車及回轉馬達；3—動臂；4—動臂油缸1；5—動臂油缸2；6—斗桿油缸；7—斗桿；8—鏟斗油缸；9—搖臂；10—連桿；11—鏟斗圖1 液壓挖掘機三維實體模型

液壓挖掘機工作裝置主要由動臂、斗桿、斗桿油缸、動臂油缸、搖臂連桿、鏟斗、鏟斗油缸等組成(圖1)。各運動部件之間全部采用銷軸鉸接，通過動臂油缸的伸縮實現動臂繞下鉸點的轉動，并實現動臂升降。斗桿鉸接于動臂的上端，斗桿油缸的收縮使斗桿繞動臂上鉸點轉動，斗桿油缸控制斗桿與動臂的相對角度。鏟斗鉸接于斗桿前端，通常采用搖臂連桿機構聯結鏟斗來增大鏟斗轉角，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉動[3]。

1.3 挖掘機運動仿真分析

通過運動仿真，建立測量函數得到性能參數仿真變化曲線，斗桿、鏟斗、動臂的速度-時間曲線和加速度-時間曲線如圖2和圖3所示。

圖2 斗桿、鏟斗、動臂的速度-時間曲線

圖3 斗桿、鏟斗、動臂的加速度-時間曲線

從圖2和圖3可知，斗桿的最大速度、加速度分別為19.524m/s、340.271m/s2，動臂的最大速度、加速度分別為5.223m/s、70.154m/s2，鏟斗的最大速度、加速度分別為34.124m/s、630.274m/s2[4]。為使鏟斗中物料不至于灑出，液壓挖掘機鏟斗滿載提升動臂時，需要在動臂舉升過程中進行鏟斗姿態的調整。從鏟斗的速度、加速度仿真曲線可以看出存在著突變，說明鏟斗姿態的調整對運動中鏟斗的速度、加速度有很大的影響，調整時間越短，突變越劇烈。從液壓缸設計角度出發，應該充分考慮鏟斗姿態的調整引起的沖擊力對液壓缸的影響。同時，這個沖擊力也必然會影響到斗桿、動臂和鏟斗的載荷分布及應力變化，需要在斗桿和動臂設計中考慮這些因素。

2 液壓挖掘機虛擬實驗設備開發

2.1Virtools軟件介紹

Virtools是法國交互三維公司開發的一款虛擬現實開發軟件，具有簡單操作、交互功能強大、可視化界面、可擴展性強等特點，被廣泛應用于游戲開發、虛擬訓練、工業仿真、虛擬實驗系統開發等方面。

2.2 虛擬樣機的理論及技術基礎

一種產品從設計到定型要經過多次設計修改，每次又都需要重新裝配實物樣機并進行試驗；傳統制造有時采用建造一系列實際尺寸模型來校驗實際產品的正確性，這些過程既費時又費力，影響了產品性能的確定和進一步優化。而采用虛擬技術進行設計、裝配，可使產品在實際生產之前，其全部設計就經歷了充分的虛擬實驗和論證。

虛擬樣機是一個最終系統或產品的計算機虛擬模擬。同物理樣機相比，它可以快速制作，從而有效降低成本，可以提供聯機性能數據，更有概括性，用以論證工程分析的有效性。另外，虛擬樣機提供了非常好的內部狀態的可觀察性，它允許用戶從不同的角度觀察系統內部結構，并可快速對其進行修改。虛擬樣機技術將仿真和建模擴展到產品研制開發的整個過程，將對產品的傳統設計方法產生變革，提高了產品的競爭力[5]。

2.3 三維虛擬實驗設備開發的基本步驟

運用Virtools技術進行三維虛擬實驗設備開發主要包括：素材準備、三維模型與簡易動畫制作、場景編輯、數據庫設計、交互腳本編寫、作品發布6個基本步驟。

1) 素材準備：素材主要包括文字、圖片、聲音等，無論是制作三維模型，還是進行場景編輯都需要用到素材，素材是進行系統開發的基礎。

2) 三維模型和簡易動畫制作：它可以使三維虛擬實驗設備更加生動、逼真，是進行三維虛擬實驗設備開發的重要環節。目前Virtools支持的三維建模工具有很多，例如3Ds Max，Maya，Collada等，均便于進行三維模型和動畫的制作。

3) 場景編輯：其主要是考慮到三維虛擬實驗設備的藝術性和易操作性，使設備不僅能符合使用者的特點和審美，而且還能讓實驗者容易操作和掌握。

4) 數據設計：數據庫用于存放實驗相關的用戶基本信息、實驗內容、實驗場景信息、虛擬儀器信息、實驗結果、實驗報告、實驗基礎知識等信息。其通過增加系統對數據的處理能力，使系統變得更加靈活、友好。

5) 交互腳本編寫：Virtools中的Building Blocks提供了強大的交互模塊，可以輕松實現三維場景中的交互功能，為三維虛擬實驗設備的開發提供了有力保證。交互腳本的編寫是實現三維虛擬實驗設備開發的關鍵。

6) 作品發布：Virtools技術開發的作品支持網頁格式，開發完成后可以很方便的導出Web格式，運用于遠程教學。

2.4 體系結構

基于Web的三維虛擬實驗設備的幾個主要部分包括服務器、實驗集成系統、場景調度系統、儀器調度系統、場景數據庫、虛擬儀器庫、信息數據等，如圖4所示。

圖4 三維虛擬實驗設備的體系結構

Web服務器主要功能是對學習者基本信息、實驗相關內容進行管理。提供Web服務，使學習者可以進行遠程訪問。

信息數據庫由學習者信息、實驗相關信息等組成。虛擬儀器數據庫包含了實驗者可以使用及操作的全部虛擬儀器的信息。場景數據庫包括實驗環境及相關的紋理、材質、聲音等[6]。

2.5 開發實例

利用Virtools技術設計，該虛擬實驗設備的功能主要包括模型各部件功能的介紹、與投影儀的連接、與數據庫進行通信、讀取和存儲實驗數據等。

2.5.1 三維模型的制作裝配與優化

由于Virtools沒有建模功能，所以使用三維造型軟件NX 6.0建立液壓挖掘機各部件的數字化模型。然后將建好的模型導入到3D max中，再通過3D max以.nmo格式導入到Virtools中。模型建立好并成功導入到3D max中之后的工作就是給模型賦予材質和貼圖，從而增加模型的真實感，提高顯示的刷新速率[7]。

在虛擬現實環境下，重點解決的技術問題是：1) 自動裝配的過程中快速跟蹤和定位零部件的信息，并通過屏幕顯示給操作者；2) 自動選擇裝配關系以及裝配路徑。

基于以上兩個問題，在虛擬現實軟件Virtools中，經過反復驗證編譯，決定采用軟件中的Set Pickable模塊，Get Row等模塊的組合來模擬裝配中定位零部件的信息；而設置的SetPosition等模塊，可以實現裝配關系和裝配路徑的自動選擇和設置，虛擬裝配路徑規劃的腳本流程圖如圖5所示。對這些模塊進行重新組合，通過消息發送模塊Send Message傳遞交互信息，進而描述液壓挖掘機虛擬裝配系統中裝配路徑規劃[8]。

圖5 虛擬裝配路徑規劃的腳本

2.5.2 場景編輯

Virtools場景包括三維場景和二維場景。把建好的模型作為場景導入到Virtools中，并調整好其位置和大小，再在場景中加入燈光和攝像機來調整場景光線和視角。

二維場景主要用來放置控制按鈕，顯示信息和數據，以及美化實驗室界面。可以通過添加二維框架(2D Frame)、材質(Material)和紋理(Texture)來設計。

2.5.3 交互腳本編寫

利用Virtools的幾個行為交互模塊就可實現對三維對象的控制，下面以三維對象的旋轉、縮放為例說明行為交互模塊的使用方法。

給三維對象建立腳本，并添加相應的行為交互模塊，如圖6所示。Switch On Key行為交互模塊用來接收鍵盤按鍵，不同按鍵執行不同的功能，可分為放大、縮小、順時針和逆時針旋轉四種情況。Per Second用來設置每次按鍵后旋轉和縮放的程度。Rotate和Scale分別實現三維對象的旋轉和縮放功能。

圖6 三維對象旋轉和縮放的腳本流程圖

2.5.4 與數據庫通訊

Virtools與數據庫實現通信，必須先建立數據庫，并通過ODBC(open database connectivity)與數據庫建立連接，取DSN(distributed service network)別名為vrdsn；在服務器端安裝Virtools Multiuser Server模塊，并啟動Server服務；在Virtools Server管理界面中選擇Database模塊，為其添加數據源vrdsn，此時服務器端配置完成。

服務器端配置完成，用Connect To Sever建立與Virtools服務器的連接，獲取一個連接ID，再用Database Behaviors(數據庫行為交互模塊組)對數據庫進行操作，就能在Virtools中對數據庫進行通信。圖7是在數據庫表中添加記錄的腳本流程圖。

圖7 在數據庫表中添加記錄的腳本流程圖

2.5.5 生成Web頁面

在Virtools中，點擊file選擇Create Web Page，在彈出的窗口中對導出路徑和窗口大小進行設置，設置好點擊“OK”生成網頁格式。

3 結語

建立了液壓挖掘機機械系統的數字化虛擬樣機模型，對液壓挖掘機進行了運動學仿真。基于RecurDyn軟件對液壓挖掘機工作裝置進行研究，用挖掘機虛擬樣機代替傳統的物理樣機，可降低開發和制造成木，縮短研制周期，提高裝載機的性能。這種方法可以提高系統仿真的效率，為分析挖掘機的性能和改進液壓挖掘機的設計提供了一種有效的手段。

在此基礎上，利用虛擬現實技術，在Virtools系統中開發了一套液壓挖掘機三維虛擬實驗設備，打破了設備在時間、空間、和地域方面的限制，能夠為學生提供液壓挖掘機結構和原理的生動、逼真的沉浸式學習環境，獲得與真實物理實驗一樣的體會，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。

[1] 陳桂芳，郭勇，劉鋒. 挖掘機液壓系統建模仿真及能耗分析[J]. 機械設計與研究, 2011, 27(5 ): 101-103.

[2] 張臥波, 楊俊峰, 王建明，等. 挖掘機工作及運動狀態的仿真與應用研究[J]. 農業機械學報, 2008, 24(2): 149-151.

[3] 黃愛華, 盧炎麟. 基于Pro/E的反鏟式挖掘機工作裝置的建模與運動仿真[J]. 煤礦機械報, 2008, 29(9):67-69.

[4] 張俊俊, 張輝. 裝載機工作裝置建模和運動學仿真[J]. 機床與液壓科技報, 2010(4), 38(7): 106-108.

[5] 隋愛娜, 吳威, 趙沁平. 虛擬裝配與虛擬原型機的理論與技術研究[J]. 系統仿真學報, 2000, 12(4): 386-388.

[6] 方利偉. 基于Virtools的三維實驗室研究與實現[J].實驗技術與管理, 2012(5): 83-86.

[7] 范孝良，田珍. 基于Virtools的機械零部件虛擬裝配的研究[J].儀器儀表用戶, 2012(5): 71-72.

[8] 付同慶，陳清奎，李英杰，等. 基于Virtools的塔式起重機虛擬裝配系統的研究[J].山東交通科技, 2012(3): 106-108.

Design and Development of Hydraulic Excavator 3D Virtual Laboratory Equipment

YANG Bin,SONG Hua-wei, WANG Yu, JIANG Zhi-peng, WANG Zhe

(College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The virtual prototype model of the hydraulic excavator is set up based on RecurDyn software, the work device modeling and kinematics simulation are carried out, the scope of its work is simulated and the best action state is obtained.Its 3D virtual laboratory equipment platform is set up based on the virtual reality software Virtools and according to its different work conditions, a vivid and lifelike immersion learning environment of its structure and theory is provided.

hydraulic excavator; virtual laboratory equipment; RecurDyn; Virtools

南京林業大學實驗室創新基金項目：(南林實〔2012〕9號)；江蘇省大學生實踐創新訓練計劃項目：(蘇教辦高〔2012〕11號)

羊玢(1974-)，男，湖南邵東人，副教授，博士學位，主要研究方向：機械CAD/CAE技術和車輛動態優化設計。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0032-04

2013-01-28