液压卸货平台的运动仿真及可视化.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 3卷 第 7期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e De s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g En g i n e e rin g J u 1 ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 43 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 2 0 液压 卸货平 台的运动仿真及可视化 李锐 ， 陈 晖 中国空空导弹研究院 ， 河南 洛阳4 7 1 0 9 9 摘要 为了在 实际制造之前对液压卸货平台进行仿真验证 ， 提 出并 实现 了一种单叉液压卸货平台 的运动学仿真和可视化 的方法， 即利用 C A D模型、 约束关系、 运动学分析数据 ， 综合使 用 U G、 MA ． Y A、 R 啊 等 多种工具相互配合 实现复杂机构的运动仿真。仿真结果显示设计方案满足功能要求。 关键 词 运动 仿 真 ； 可视 化 ； 实时渲 染 中图分类号 T P 3 1 9 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 0 70 0 8 30 3 随着以计算机为核心的信息技术的不断发展 ， 在当今的制造业 中，计算机仿真在产品开发过程 中的作用越来越重要 ，计算机仿真 已广泛应用于 产 品研制全生命周期 的各个 阶段。仿真及可视化 技术是指基于数学模 型、结构设计模型 ，利用计 算机对系统的结构、功能、行为、控制等方面进 行高保真的模 拟试验 ，以验证方案设想 ，并把试 验结果数据 以可视化 图形 的方式显示出来 的综合 技术 。仿真及可视化技术 已经是产品设计验证 的 重要手段 ，它使得产 品可 以在实际制造之前就能 进行虚拟验证 ，综合考虑方案 的可行性 、可制造 性 、可用性等方面 的因素来优化设计方案。传统 的液压卸货平台设计方法是通过试 制卸货平 台实 物来验证设计方案 ，成本高 、周期长 ，通过计算 机仿真可以有效避免 因初期设计不成熟 而导致 的 资源浪费，并缩短研制周期 。 1 液压卸货平台模型建立、 运动仿真及可 视化 1 ． 1 设 计模 型创 建 液压卸货平 台的用 户需求 和功能要求 如下 1 放货台平面最高能升至 1 ． 3 m； 2 平台最大载 荷 3 0 0 k g ； 3 为配合货物箱底部尺寸 ， 卸货 台应达 到的最大尺寸为 1 1 5 0 1 T i m1 5 0 0 m m； 4 设备需 要的操作人员最多不超过 3人。 首先根据用户的需求 ， 该 自动卸货平 台采用常 规的单叉机构升降重物的方式 ， 使用两个 同步液压 缸做同步驱动 ， 来达到升降货物的目的。 其次建立结构模型， 其 中结构设计使用 N X 6 ． 0 作为建模工具 。图 1所示为所建立的设计模 型的 侧视图。在仿真之前编辑并理清运动组建之 间的 关系是进行运动分析的前提条件 ， 因此必须整理模 型的结构树 。各个组件的位置如图 1 所示 ， 其中组 件之间的关 系是 液压缸一 、 液压缸二为主动件 ， 其 余运动部件为从动件。液压缸一 、 液压缸二作同步 运动 ， 通过各 自的活塞杆伸缩带动连杆 ， 连杆带动 中心转轴 ， 转轴驱动前后转动架 围绕 中心旋转 ， 两 组转动架旋转来升起放货平台 ； 其中底座主要起支 撑稳定作用 ， 将转动架的作用力传递到地基上。 l 一安装 螺 栓 ； 2 一 滑轨 ； 3 一后转 动 架 ； 4 一底 座 ； 5 一底 座前 滑 块 ； 6 一液压缸一 、 液压缸二 ； 7 一放货 台； 8 一前转动架 ； 9 一连杆一 、 连 杆二 ； 1 0 一 中心转轴 ； 1 1 一平台后滑块 ； l 2 一底座后滑块 图 1各个组件和组件关 系 1 ． 2 运动学分析与仿真动画实现 1 ． 2 ． 1 运 动学分 析 N X 6 ． 0软件可 以通过模拟三维模型 中液压缸 的工作行程 ， 驱动液压 卸货平 台中各个零件 的运 动 。运动学分析 的驱动参数为液压缸一 、 液压缸二 的行程 ， 关注的参数包括转动架水平方向夹角和转 收稿 日期 2 0 1 40 52 1 作者简介 李锐 1 9 8 6 一 ， 男 ， 陕西渭南人 ， 中国空空导弹研究院助理工程师 ， 主要研 究方向为虚拟样 机 、 工程 可视化技术 。 8 3 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 动角度 、 被升降货物的角度和高度 、 放货 台最高点 高度 。 以液压卸货平 台的初始位置为研究对象 ， 开始 进行运动学分析 。初 始状 态时 ， 液压缸一 行程 0 ， 液压缸二行程 0 ， 转动架夹角 1 5 。 ， 转动角度 0 。 ， 放 货平台的角度 0 。 ， 放货 台的最高点与底座下表 面 高度差为 3 0 2 m m， 放货台最高点为 1 3 5 4 mm。当液 压缸一运行活塞伸出时 ， 此时液压卸货平 台各零部 件随动。当液压缸一运行 6 0 0 mm时， 液压卸货平 台顶部平面距离 目标 区域基本处于最近位置， 两者 间距 1 6 m m左右 ， 上述运 动过程 中， 液压卸货平台 各零部件的运动学分析数据见表 1 。 表 1 运动学分析数据 1 ． 2 ． 2仿 真动 画实现 考虑到卸货平 台机构运动较复杂 ， 且 R 1 T r支 持 MA Y A动画数据 ， 因此这里使 用 MA Y A软件来 制作产 品仿真动画 ， 再将制作的动画输 出成 WR L 格式 的结构化数据包 ， 然后把 WR L格式的数据包 导入 R 1 T来实现整个运动仿真的动画 。 根据上一节运动分析结果创建机械结构之间 的约束关系 ， 其中液压缸一 、 液压缸二为驱动部件 ， 带动连杆以及其他部件运动。在 MA Y A中按照如 下步骤添加约束 1 在底座上 ， 分别在后转动架 、 连杆一的转动圆心位置创建 L o c a t o r l ， 然后添加点 约束关系 ， 从而约束后转动架绕 固定点 L o c a t o r 2做 旋转运动。 2 用同样的方法在连杆一与液压缸 一 连接点圆心位置创建 L o c a t o r 3 ， 用其来约束液压 缸一的缸体的底部 ， 使缸体 的转动中心约束在连杆 一 的连接点。 3 在后转动架上为液压缸一 的推 杆添加一个点 约束 L o c a t o r 4 。在液 压缸一 的缸体 上 ， 为液压缸一的推杆添加一个方向约束 ， 以同样 ． 8 4 ． 的方法为液压缸一的缸体添加一个方向约束 ； 后转 动架带动放货台 ， 进而带动整个平台向目标 区域运 动 ， 同时后转动架驱动连杆二。 4 在后转动架 的 顶部与放货台的连接点圆心位置创建 L o c a t o r 5 ， 建 立点约束关系约束放货 台的运动 ， 圆心位置创建点 约束 L o c a t o r 6 ， 约束前转动架连接点。最终平 台运 送货物到达 目标 区域 ， 放下货物， 液压卸货平 台 自 动返 回初始位置 ， 结束一个 自动工作循环 。 5 在 后转动架上与连杆二连接点处圆心位置创建 L o c a ． t o r 7， 用它来 约束 连杆二的运动 。 6 在连杆二与 前转动架的连接点处圆心位置创建 L o c a t o r 8 ， 用它 来约束前推架 的运 动。 7 在前转动架与放货 台 的连接点处圆心位置创建 L o c a t o r 9 ， 用它来约束放 货台的运动 。 根据表 1中的运动数 据 ， 确定液压缸一 、 液压 缸二行程 0 mm 、 初始转动架夹角 1 5 。 、 平 台最 高点高度 1 3 5 4 m m 等关键位置 ， 在时间轴上依次 制作关 键帧动 画。完成 以后将 动画导 出为 WR L 格式运动数据。 1 ． 3三 维可视 化 实 时渲染 产品三维可视化选用基于 G P U的实时渲染技 术⋯ ， 随着计算机硬件技术 的快速发展 ， 目前 已经 可以做到高保真 的实时渲染。具体使用 软件 R 1 丫 r 来实现可视化渲染。R 1 T全称 R e a l T i m e T e c h n o l o ． g y ， 它是由德 国慕尼黑 的 R rr r公司研 发的高端实 时虚拟现实可视化软件 。该款软件可 以提供逼真 的、 基于物理真实的、 实时的三维可视化。它能帮 助产品设计 、 研发 、 装配 、 市场销售等各个环节提高 工作流程的效率 、 节省时间 ， 具有很强的灵活性。 可视化实现方法 1 将卸货平 台的 U G模型 导出为轻量化 的 J r r 格式 ， 创建厂房地板和货物 的 其他模型。 2 按照仿真要求对模 型结构树进行 重新编辑 ， 对模型进行轻量 化处理 ， 轻量化转化参 数如图 2所示。 3 选择整个场 景的所有模型添 加一个替代材质 ， 创建主光 源和辅助光源 ， 计算阴 影 。 4 从材质库 中选取合适 的材 质。在 R 1 T r 中导人 MA Y A软件输出的 WR L运动数据 ， 以驱动 R r I T r中的轻量化模型。最后渲染输出成 为交互式 程序或动画 ， 如 图 3所示 。在有客户参加的设计评 审中， 客户从计算机最终输出的动 画可以直观地看 出设计方案能否满足要求。 2 三维可视化 的应用 目前 ， 制造业正在向着综合性 的协同设计制造