基于表达式控制器的转子运动仿真.pdf

第 2 8卷第 1 O期 2 0 0 7年 1 O月 煤矿机械 Co al Mi n e Ma c h i n e r y V n 1 ． 2 8 N o． 1 0 0c t ． 2 OO 7 基于表达式控制器的转子运动仿真 * 王玲娟 ，孙延永 ，刘初升 中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 介绍 了在 3 D S M A X下对单 圆盘转子 系统的建模 ， 包括 实体制作和材质的选用技巧 ， 利用表达式控制器精确控制转子转速的方法制作转子运动动画， 从而实现对转子运动的仿真。 关键词 3 D S MAX ；表达式控制器；运动仿真 中图分类号 T P 3 9 ；3 X2 6 3 ． 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 7 1 0 0 0 4 5 0 2 S i m u l a t i 0 n 0 f Ro t o r AI l i ma t i 0 n Ba s e d 0 n Ex p r e s s l。 o n Co n t r o l l e r WA N G L i n g j u a n ，S U N Y a ny o n g ， L I U C h us h e n g C h i n a U n i v e r s i t y o f M i ni n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C hin a Ab s t r a c t I n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n o f 3 DS MAX i n r o t o r s y s t e m d e s i g n． An i ma t i o n ma k i n g o f rot o r s y s t e m b a s e d o n h o w t o c o n t rol rot o r s p e e d p r e c i s e l y i S p r e s e n t e d i n o r d e r t o r e a l i z e t h e s i mu l a t i o n o f rot o r a n i ma t i o n． Ke y wo r d s 3 DS MAX e x p r e s s i o n c o n t rol l e r s i mu l a t i o n o f an i ma t i o n 0引言 随着计算机仿真技术的发展 ， 通过建立系统 的 数值模型， 实现对转子运动的仿真 ， 利用计算机技术 建立数字化模型则可 以摆脱对物理样机 的依赖 ， 在 不需要考虑成本与时间的条件下达到与使用物理样 机相同的目的。 3 D S M AX 是 A u t o d e s k公司的产品之一 ， 是一个 在机械、 建筑设计等领域具有突出特色的动画制作 仿真工具软件 ， 它既能快速准确地辅助各种工程设 计 ， 又能制作出逼真的动态图像 ， 给用户以直观立体 显示 。它丰富的造型工具 、 材质设置 、 动画工具 ， 使 它在实际工作中有着广泛的应用。正是基于这些方 面的考虑 ， 故采用 3 D S M A X来实现转子的建模及其 运动的仿真 。 1 实体制作 在三维动画设计领域 ， 最大 的难点就在于实体 的建模 ， 在 3 D S MAX 中产生三维实体主要有 以下几 种方式 1 直接生 成法 ； 2 E x t r u d e拉 伸生成 法 ； 3 R e v o l v e 旋转生成法 ； 4 L o ft放样生成法。对 于 转子系统 的建模采 用直接 生成 法 ， 该 方 法是 利用 3 D S M A X提供的三维图形制作工具 ， 输入一定 的数 据参数 ， 直接生成三维实体。3 D S M AX 中提供 了丰 富的基本几何体 长方体、 圆柱、 台、 锥等， 但是现实 生活中存在的物体 ， 几乎都是各种复杂形状的形体 ， 这样远远超出了简单几何体的制作能力 ， 这时就要 通过把 2个或更多 的对象组 合成一个对象来 生成 *国家 自然科学基金 5 0 5 7 4 0 9 1 各种复杂 的对象。即运用布尔运 算 并 、 交 、 差 操 作 ， 实现对转子系统的建模 。要使用布尔运算 ， 首先 在视图中选择一个对象， 然后 进入 C r e a t 创建 面板 ， 并且在 G e o m e t r y 下拉列表 中选择 C o m p o u n d O b j e c t s ， 单击 B o o l e a n 按钮 ， 将弹出用于布尔运算的几个卷展 栏 。图 1 为布尔运算的 P i c k B ool e an 卷展栏。单击 卷展栏 中的 P i c k O p e r a n d B按钮来选择另一个 用于 布尔 运 算 的对 象 B， 卷 展 栏 中的 R e f e r e n c e 、 C o p y 、 Mo v e 和 I n s t anc e 用来定义所选择的 B对象如何转化 为布尔对象 ， 其中 M o v e为默认选项。在制作转子系 统的时候 ， 如 需要在 支承上开个孔用于放转轴 ， 先 选支承 为 4， 然后选 转轴 为 日。如果转 化方 式为 Mo v e ， 则支承上开过孔后 ， 转轴 日也消失了， 所 以此 时要将转化方式选为 C o p y ， 因为 C o p y表示还可以将 日用在其他的地方 ， 而 Mo v e是不会生成复制体 的。 在建立支承的过程 中也是如此 见图 2 。 图 1 布尔运算的设计界 面 在材质方面， 要体现转子 自身特有的金属质感 ， 必须 要对 金属 的特性 有 所 了解 ， 再 通过 调整 3 D S M a x中的 Ma t e r i al E d i t o r 材质编辑器 对金属材质进 行模拟 1 明暗类型选择 M e t a l 明暗器 ， 这种 明暗器是 一 种特殊 的渲染方式 ， 可 以提供金属材质 的特殊反 光， 可以调整基本参数 ， 即可以把 M e t al B as i c P a r a m e 一 - - 4 5-- 维普资讯 一V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0基于 达 控制器的转子运动仿真王玲娟， 等 第 2 8 卷第 1 0 期 t 基本参数 下 的 S p e c u l a r L e v e l 高光级别 设置 得大些， 使金属具有高光； 也可以把 G lo s s i n e s s 光泽 度 调大一些 ， 使反光越集 中， 反光区域越小 。 图 2 单 圆盘转子 的三维模型 2 设置材质 ， 打开 M a t e r i a l E d i t o r 下的 M a p s 图 形 栏 ， 在 D i ff u s e C o l o r 扩散光 右边的横条上单击 ， 弹出的 Ma t e r i a l ／ M a p B r o w s e r 材质贴 图浏览器 对话 框， 单击 B i t m a p 位 图 ， 选择金属材质的纹理贴 图， 有时需要表现金属表面 的划痕， 则单击 Ma p s 下 的 B u m p 撞击 ， 在弹 出的 M a t e ri a l ／ Ma p B r o w s e r 下单击 B i t ma p ， 选择划痕 贴图； 有些金属具有反射特 征， 则 可以在 M a p s 下的 R e fl e c t i o n 反射 弹出的 M a p B row s 。 er中， 单击 R a y t r a c e 光线追踪 ； 也可以直接用一张 B i t m a p作为反射贴图， 来模拟金属 对周 围物体的反 射， 一般的金属材质用上述几个参数描述。 2 动画制作 转子运动动画的制作 ， 可以通过动画记录调整 转子的旋转角度。但是如果想要获得精确的转动速 度 ， 手动调整是做不到的。因此本文利用轨迹视窗 和表达式控制器精确地设置转子的运动速度 ， 从而 进行转子转动动画的制作。 对于转子系统 ， 希望通过转子的运动带动 圆盘 运动 ， 所 以要进行父子关系约束 ， 父子的层级关 系在 动画制作 中很重要 ， 将一个物体连接到另一个物体 上 ， 可以建立一个父子关系 ， 当变换作用在父物体上 时 ， 也通过链接关系将变化传输给子物体。而正 向 运动是指父物体运动时 ， 子物体跟着运动 ， 子物体运 动时， 父物体不动， 反向运动则正好相反 ， 对于这种 简单的转子系统 ， 只需要将 圆盘和转 子建立父子关 系即可， 让转子成为父物体， 圆盘成为子物体， 这样 就可以通过转子的运动带动圆盘运动了。 转子动画的制作共分 以下几步 1 选中转子 ， 在 Mo t i o n 命令面板的 A s s i g n C 0 n ． t rol l e r 卷展栏中选 择 R o t a t i o n项 目， 单击 A s s i g n C o n t ro l l e r 按钮 打 开动 画控制 对话 框 ， 从 中选 择 E u l e r X Y Z控制器 ， 单击 O K回到命令面板 之所 以先指定 E u l e r X Y Z控制器 ， 是为了分离转子 的 X、 y、 z三个 旋转轨迹 ， 以便对单个坐标轴进行旋转设置 。 2 在面板中展开 R o t a t i o n 节点 ， 选中 Y R o ta t i o n 分支， 单击 A s s i g n C o n t rol l e r 按钮 ， 在弹出的动画控制 器中选择 F l o a t E x p r e s s i o n 控制器 ， 单击 O K按钮 回到 命令 面板 。 3 此时系统会 自动 弹出表达式控制器的设置 对话框 ， 在 E x p r e s s i o n栏 目中输入转子 的运动表达 式 ， 例如 要求转子 的转速为 2 0 0 r ／ m i n ， 则表达式为 2 0 02 p i ／ 6 0 ， 单击对 话框 中的 E v a l u a t e 执行 按 钮 ， 执 行 设 置 的表 达 式。如 图 3所 示 ， 然后 单 击 C l o s e 按钮关闭该对话框 ， 这样就设置好 了转子的运 动表达式。注意其中字母 S要大写， 如果小写则会 出现错误信息， s代表当前秒数乘以旋转周数， 3 d S 会 自动计算运行 的时 间， 2 p i 表示旋转一周 的弧度 数 ， 2 0 02 p i ／ 6 0则表示对应于 S S 时转子总共转 过的弧度数 。因此返 回的单位 为 r a d 。此时转子为 逆时针转动 ， 如果希望转子为顺时针转动 ， 则在表达 式前面加“一” 。 图 3 表达式控制器的参数设计 3 结语 通过实体制作 、 动画制作等， 可以完成转子的运 动仿真， 其中运用表达式控制器控制转子的转速， 比 手动调整转子 的旋转角度控制转子 的转速 更加精 确 。如果将设计 出的转 子系统加上适 当的动力分 析， 可以满足对转子系统更进一步分析的需要。 参考文献 [ 1 ] 李 书环 ， 李艳聪 ． 三维 动画 技术 在机 构运 动模 型构 建 中的应用 [ J ] ． C A D ／ C A M与制造业信息化， 2 0 0 5 7 4 0 4 2 ． [ 2 ] 安琪 ． 3 d s m a x 6完全 自学手册[ K ] ． 北京 科学出版社 ， 2 O O 4 ． [ 3 ] 朱小平 ， 巫少龙 ， 吴 明明 ， 等 ． 3 D S M A X在机械结构 动画制作 中的 应用[ J ] ． C A D ／ C A M与制造业信息化， 2 0 0 2 8 2 9 3 0 ． 作者简介 王玲娟 1 9 7 9 一 ， 女， 江苏宿迁人， 讲师， 中国矿业大 学机电工程学院在职硕 士研究生 ， 宿迁学院教师 ， 主要从事转子动力 学 的可视化 的研究 ． - - - - 4 6---- 收稿 日期 2 0 0 7 。 0 4 ． 2 6 维普资讯