冶金機械動態仿真演示系統的設計與研究

李文越，胡 俊（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330000）

冶金機械動態仿真演示系統的設計與研究

李文越，胡 俊（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌330000）

冶金機械設備體積通常較大，冶金設備企業要向客戶展示冶金機械設備的功能，對展示環境、展示角度等方面均方面均提出了較高的要求，而計算機圖形圖像技術、三維仿真技術等具有虛擬、仿真功能的信息化技術的發展，為大體積冶金機械設備動態仿真演示提供了可能，為設計人員與客戶更好的溝通提供了“工具”，在此背景下，本文針對冶金機械動態仿真演示系統的設計與實現問題展開研究，為冶金機械虛擬仿真演示提供參考。

冶金機械；動態仿真；演示系統

前言

將冶金機械的功能直觀的、全面的向客戶展示，是推動客戶選擇冶金機械設備的重要環節，但冶金機械設備復雜的結構、龐大的工作任務、惡劣的工作環境等方面決定冶金機械設備通常體積非常大，運行原理較為復雜，要讓非專業的客戶在短時間內通過冶金機械，準確的了解冶金機械的功能和設計特色存在較大的難度，所以人們嘗試通過平面化的基于計算機技術的動態仿真演示系統向客戶展現冶金機械的性能。

1 單機展示系統設計

冶金機械中的部分單機設備結構非常復雜，如復擺顎式破碎機等，在對此類單機進行動態仿真演示系統設計的過程中，要對其具體的工作原理、功能、結構等進行準確、全面的掌握，然后進行針對性的設計。筆者認為在設計的過程中要從以下方面著手：

1.1 在選擇應用的設計軟件中完成準備工作

在建模和動畫制作等方面功能較突出，且對虛擬現實軟件適應性較強、工作效率較高的Auto CAD軟件中進行設備仿真建模，在此過程中需要注意，由于建模過程中，任何參數不準確都會影響到冶金機械的聯動效果或模型整體的精度，所以在建模的過程中，應盡可能應用冶金機械零件和裝配的電子圖紙，然后在軟件中對電子圖紙進行簡單的調整，并利用3ds Max軟件中的捕捉、繪制等功能，對建模中的局部設計進行調整。

1.2 完成冶金機械金屬材質的仿真設計

在設計的過程中，要在單色背景中向客戶真實的展示出冶金機械的金屬材質，要用非真實反射環境體現冶金機械的材質，并利用光線跟蹤反射功能，體現出不同位置下金屬材質的光線差異，完成材質制作過程，圖1為冶金機械動態仿真演示系統截圖。

1.3 完成可烘托仿真真實性的燈光設計

圖1 冶金機械動態仿真演示系統截圖

在設計的過程中，考慮到只有普通燈光或掃描線渲染器可以烘托出冶金機械設備的真實性，所以要在建設單個泛光燈的基礎上，進行多次復制、粘貼，形成半球狀的泛光燈排列矩陣，此時將燈光強度統一調整到0.02，并用強度為0.2的主燈對所有泛光燈進行照射，形成具有烘托作用的光線陰影[1]。

1.4 完成冶金機械演示動作的仿真設計

另外，對需要展示的具體冶金機械功能進行設計，此部分設計是單機展示系統設計的重點和難點，需要引起設計人員的高度關注。例如在針對圓錐式破碎機的偏心主軸和破碎圓錐進行設計的過程中，忽視兩個結構在運行的過程中會在偏心套的作用下，會以腔體結構為中心進行運動，而且在運動的過程中會產生自轉，就會導致演示的過程中，客戶不能準確的了解此類冶金機械的運行原理，加大冶金機械運行故障的發生概率。筆者認為在具體設計的過程中，應先通過鏈接工具，將主軸和除偏心主軸外的零件建立鏈接關系，以此保證仿真演示動畫可以反應出偏心主軸在外力作用下的自轉過程[2]。在此基礎上，設計人員再通過鏈接工具，將偏心主軸和偏心套之間建立鏈接關系，使原本獨立的各結構之間形成相互影響的關系。在以上互動影響關系形成后，設計人員應有意識的將二維圖像轉化為三維的動畫過程，具體操作是，先將坐標的格式調整成為自身坐標，使界面中原本處于傾斜狀態的部件方向得到調整，然后通過旋轉工具對部件進行旋轉操作，在操作的過程中完成整個旋轉過程的動畫記錄，此時會發現記錄的旋轉動畫在播放的過程中，按照之前的鏈接關系和軟件自身默認的動力學原理，可以基本反應出偏心主軸和破碎圓錐的運動軌跡。

出上述功能仿真設計外，冶金機械在應用過程中與演示發生碰撞并對演示進行破碎處理的過程，也是冶金機械設備向客戶重點展示的方面，所以在進行冶金機械動態仿真系統設計的過程中，要有意識的對此方面進行重點設計。筆者在進行此方面設計的過程中，主要通過3ds Max軟件所具有的空間扭曲功能和粒子系統完成，具體設計過程是先將模擬真實場景的石頭模型替換粒子發射器發出的粒子模型，然后對破碎機腔體結構進行仿真設計，并通過全動力學導向器在仿真的場景中完成對碰撞代替物和圓錐部件的提取，兩者均作為仿真系統的碰撞件[3]。最后，利用綁定工具將提取的碰撞件與粒子系統之間建立綁定關系，此時通過粒子發射系統可以直接發射出巖石，與冶金機械的腔體發生碰撞，而且可以反應出碰撞過程中，腔體的塑性變化。

需要注意的是，在進行冶金機械功能設計的過程中，存在的設計方法并不統一，設計者要結合自身的設計習慣和設計水平進行靈活的選擇，例如在進行上述設計的過程中，除采用上述方法外，設計者還可以選擇PF粒子流和NVIDIA圖形卡配合應用的方式實現，雖然設計過程相比筆者介紹過程更為復雜，但也可以達到動態仿真演示的效果，圖2是冶金機械動態仿真演示系統截圖。

圖2 冶金機械動態仿真演示系統截圖

2 冶金機械設備生產線的作業狀態仿真演示設計

相比冶金機械的性能，客戶更注重冶金機械的工作狀態，所以設計的動態仿真演示系統，不僅要可以虛擬仿真單機機械設備，而且要對冶金機械設備的生產線作業狀態進行仿真，筆者認為在設計的過程中，應重點從以下方面進行：

2.1 完成冶金機械生產線場景的設計

要對真實的生產線場景進行仿真設計，在設計的過程中，為簡化場景設計的復雜度和難度，應先將單機設備中外部不能直接觀察到的部件刪除，然后按照冶金機械設備在真實作業場景中與其他設備的寫作關系，進行冶金機械設備和相關設備的仿真擺放，在此過程中，需要注意計算機存儲空間和反應能力等均是有限的，要保證演示過程流暢清晰，在進行場景設計的過程中，具體的物體片數要合理的控制。

2.2 完成冶金機械具體作業過程的仿真設計

考慮到冶金機械在生產線中具有傳送物料的功能，在仿真演示系統中要對此作業狀態進行動態模擬。在設計的過程中，應先將粒子系統設置在具體的傳送線路中，然后通過畫線命令和路徑跟隨等功能設計出冶金機械在物料運輸中的具體路徑。在以上設計完成后，通過綁定工具可以使冶金機械和具體的運動路徑之間建立連接，此時通過播放動畫可以仿真出冶金機械按照設計路徑傳輸物料的過程。需要注意的是，為保證仿真的真實性，設計人員在完成以上設計過程后，要針對具體的粒子發送時間、速度等方面進行合理的調整。

在以上設計環節完成后，利用Web Max等虛擬顯示軟件，將設計的三維圖像轉化為平面網頁向客戶傳輸，客戶可以從仿真演示動畫中直接了解冶金機械設備的外形、結構，在此過程中，客戶可以結合自身的實際需要，對冶金機械進行隨機的拆卸和組裝，可見在以上設計的冶金機械動態仿真演示系統中，基本突破了真實冶金機械設備展示的限制約束條件，這在一定程度上說明本設計具有科學性和合理性。

3 結論

通過上述分析可以發現，現階段人們已經認識到利用基于計算機技術的虛擬系統和仿真系統實現冶金機械動態仿真演示的可行性和必要性，并在實踐中有意識的結合現有仿真、虛擬技術發展成果進行冶金機械動態仿真演示系統的設計，這是冶金機械設計、宣傳推廣過程中，信息化水平提升的具體體現，應結合計算機技術的發展不斷的優化。

[1]崔建偉.基于PhysX的冶金機械演示系統設計[J].計算機與現代化，2012，05：113～115.

[2]鐘登華，王忠耀，李明超，劉杰.復雜地下洞室群工程地質三維建模與動態仿真分析[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2007，11：1436～1441.

[3]陶 勇.冶金冷凝過程最優機械電氣控制方法研究仿真[J].電氣應用，2015，11：134～137.

TF303

A

2095-2066（2016）34-0241-02

2016-11-22