基于vrml的液压挖掘机工作装置运动仿真 4页

制造业信息化





































!机械研究与应用!*基于VRML的液压挖掘机工作装置运动仿真张相宁,李喜辉,郭丽娟(唐山轨道客车有限责任公司,河北唐山
063035)摘
要:针对专业仿真软件模拟挖掘机工作装置运动存在文件大,交互性差,不便于网上传输的缺点,提出了利用VRML对液压挖掘机工作装置运动进行仿真的方法。利用SolidWorks建立液压挖掘机工作装置静态模型,结合各部件之间的父子关系和几何关系,编写VRML程序,完成挖掘机工作装置仿真系统。此方法对挖掘机设计水平的提高具有重要的理论意义和实际价值。关键词:VRML;液压挖掘机;工作装置;交互性中图分类号:TU621TP391.9





文献标识码:A





文章编号:1006-4414(2010)02-0106-04MotionsimulationofworkdeviceofhydraulicexcavatorbasedonVRMLZhangXiang-ning,LiXi-hu,iGuoLi-juan(TangshanrailwayvehicleCo.,Ltd,TangshanHebei
063035,China)Abstract:Whenspecialsimulationsoftwaresimulatingthemotionofworkdeviceofhydraulicexcavator,thefileisbulkyandtheinteractionisweakanditisdifficulttotransferontheweb.Aimingatthedeficiency,themovementsimulationmethodofworkdeviceofhydraulicexcavatorisdevelopedbasedonVRML.ThestaticdimensionalmodelofthehydraulicexcavatorisdesignedusingtheSolidWorkssoftware.Combiningthegeometryrelationsoftheexcavatorpartsanditsfatherandsonrela
tions,theVRMLprogramoftheworkdeviceiscomposed.Thesimulationsystemofworkdeviceoftheexcavatoriscompleted.Thismethodhasimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvalueforimprovingthelevelofexcavatordesign.Keywords:VRML;excavator;workdevice;interaction1
VRML描述物体运动简介enabled
TRUE
#SFBool采用VRML(虚拟现实建模语言)结合Solid
loop
FALSE
#SFBoolWorks软件建立了可交互、简约而友好的液压挖掘机startTime
0
#SFTime工作装置运动仿真系统,用IE浏览时,设计人员可以stopTime
0
#SFTime}从各个角度观看外型,而且能够操作其中的部分构cycleInterval是每个变化周期的长度,以秒为单[1]件,并通过触、摸等手段与虚拟空间进行交互,真位,取值大于0;enabled设定是否产生时间的相关作正让挖掘机工作装置的计算机辅助设计从静态走向用;loop表明时间传感器是无限循环,还是在后一个了动态。周期后被终止;startTime开始产生事件时间;stopTime1.1
VRML及其特点终止产生事件时间。VRML是一种网络虚拟现实建模语言,由它所形1.3
插补器节点成的文件包含一系列的节点(nodes),节点定义三维VRML设计了许多插补器节点对应着不同状态虚拟场景的各种属性,节点间以父子关系形成层的变化,这些插补器节点根据时钟得到信息,从相应次性结构,并可以通过事件相互通讯,用户可通过的索引表中获得适当的一组关键值,这组关键值被输VRML编程来实现各个节点的简单和复杂的动作。出到对应节点的域从而决定了物体的新状态。其动画的实质是依靠一个给定的时间传感器(Timer插补器的语法结构sensor)和一系列的插补器节点(interpolator)如位置、Key






[][2]色彩、梯度、坐标、方向等实现关键帧动画。keyValue
[]1.2
时间传感器节点set_fraction
eventIn时间传感器节点的作用是创建一个虚拟时钟,可value_changed
eventOut[3]向其他节点发送时间值。节点结构和格式如下:key为时间关键值比例列表;keyValue为事件关节点语法定义:键值列表,取值与所要改变的状态域值有关;set_frac
TimeSenor{tion为动画完成的比率;value_changed为与比率对应cycleInterval

n



#SFTime的事件值。*收稿日期:2010-01-05作者简介:张相宁(1982-),男,河北辛集人,助理工程师,研究方向:机械设计。!106!\n





































制造业信息化!机械研究与应用!1.4
检测器节点Transform{检测器是VRML中提供交互能力和状态行为的children[基元,检测器节点是用户与虚拟世界中的物体进行交Shape{互的机制。具体来说,检测器节点使用一个定点设备}}]}(如鼠标)来感知用户的动作并产生相应的事件(e
因此需将VRML文件导入到VRML开发工具vent)。这一事件经过路由(ROUTE)将消息传送到VrmlPad中,利用VrmlPad能够显示节点缩略图的功相关节点,从而使虚拟世界中的对象发生响应。能对各个零部件节点进行辨认,并利用VRML中的[2]1.5
入事件和出事件的绑定DEF(重定义节点)对其进行重定义,以利于在后续工在VRML中,每一个节点一般都有两种事件,作中对各节点进行操作。入事件(eventIn)和出事件(eventOut),入事件相当于函数调用的入口参数,而出事件相当于函数调用时返回的值,每个节点通过这些入事件和出事件来改变自己的域值。以下语句将时间传感器绑定给入事件:ROUTETime.fraction_changedTOMover.set_fraction在set_fraction函数内可以人工编制代码计算图2
挖掘机工作装置父子嵌套关系图物体的移动、旋转等状态参数,再将计算值赋给出事件数据对象eventName,通过以下语句将数据对象绑2.2
工作装置运动处理定给指定的虚拟物体,虚拟物体就可运动了。在液压挖掘机工作装置实际工作中,动臂的运动ROUTEMover.EventNameTOobject_name.set_是由动臂液压活塞杆在动臂液压缸中的伸缩运动引rotation起的,斗杆的运动是斗杆液压活塞杆在其液压缸中的2
液压挖掘机工作装置的虚拟仿真伸缩运动与动臂运动的合成运动,铲斗的运动是铲斗2.1
模型的建立液压活塞杆在其液压缸中的伸缩运动与动臂斗杆运液压挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、铲斗、铲动的合成运动。传统方法通过用矩阵计算出工作装斗摇杆、铲斗连杆、动臂液压缸、动臂液压活塞杆、斗置各个不同部分运动的瞬时位置坐标然后再显示,计杆液压缸、斗杆液压活塞杆、铲斗液压缸、铲斗液压活[5][4]算非常复杂,尤其是对于那些更多自由度的工作塞杆共11个运动部件组成,各部件间全部采用铰装置。在VRML中,一个变换节点可以包含一系列子接,通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。节点,而这些子结点又可以包含自己的子结点,父与子建模在SolidWorks环境下进行,参考挖掘机的相具有动作继承关系(即父动子随之动,子动父不动),这关设计资料,利用SolidWorks中的拉伸、阵列、切除等样可在编写程序时可将父作为参考物,只需考虑子的基本命令建立液压挖掘机工作装置各个零部件图,采运动。根据挖掘机工作装置各零部件关系与计算方便用自下向上设计方法进行装配,最终得到的工作装置的要求,将其父子嵌套关系设置如图2所示。装配图如图1所示。2.3
各机构的几何关系分析

然后通过Solid
在2.2已设置好的各零部件之间父子关系基础Works所拥有的干涉之上,按照运动起始结束时间相同的原则,在不影响检查功能对挖掘机三仿真效果的前提下,将液压挖掘机工作装置分为动臂维模型进行检查,确机构、斗杆机构和铲斗机构,并分别假想动臂、斗杆和保模型准确无误后,铲斗分别为三个机构的运动产生者。在编制各机构执行SolidWorks中文件栏下的另存图1
挖掘机工作装置装配图的VRML程序时,首先设定运动产生者的旋转角速为命令,选择保存类型为VRML(*.wrl)格式,然度,再根据此机构的几何关系求得其他部件的旋转角后点击另存为窗口下的选项,弹出输出选项速度,然后选取一系列时刻根据各部件的旋转角速度窗口,将版本设为VRML97,将其转化为VRML文件。计算出其在相应时刻的旋转角度,这组旋转角度值即但VRML文件中挖掘机工作装置的各部件的节为程序中各部件插补器节点索引表中的关键值。点均为如下格式:对动臂机构的几何关系分析如图3所示,动臂与!107!\n制造业信息化





































!机械研究与应用!工作台的铰点A、动臂液压缸与工作台的铰点B和动#TOM的值:臂与动臂液压活塞杆的铰点C组建∀ABC,此三角形22OM=OT+TM-2∃OT∃TM∃cosOTM(4)的两边AB、AC长度固定不变且AB固定不动,AC以TM∃sinOTM#TOM=arcsin(5)一定的角速度(即动臂的旋转速度)旋转,则#BACOM在任一时刻的值可确定。根据三角形正余弦定理和(2)在∀MON中,ON、MN长度不变且OM在对内角和定理,可计算出对应时刻BC的长度、#ABC应时刻的长度已由式(4)求出,根据三角形余弦定和#ACB的值。理,计算出#MON和#ONM对应时刻的值:22222BC=AC+AB-2∃AB∃AC∃cosBAC(1)#MON=arcsinMO+NO-MN(6)2∃MO∃NOAC∃sinBAC#ABC=arcsin(2)222BCON+MN-OM#ONM=arcsin(7)2∃ON∃MN#ACB=180%-#ABC-#BAC(3)#ONM的变化值即为铲斗摇杆MN的旋转角#ABC和#ACB的变化值即为动臂液压缸和动度;#TON=#TOM+#MON,其变化值即为铲斗连臂液压活塞杆的旋转角度。为了计算简单方便,可利杆ON的旋转角度。用Matlab的循环控制程序进行求解。若求#ABC和(3)#SON=#TOS-#TON,#TOS是固定值,#ACB的五个瞬时变化值,其程序代码如下:SO和ON长度固定不变,利用三角形正余弦定理和fort=-4:1内角和定理列出下列三个公式:s=asin(AC*sin(BAC+w*t)/(abs(sqrt(AB^222+AC^2-2*AB*AC*cos(BAC+w*t)))))-SN=OS+ON-2∃OS∃ON∃cosSON(8)ABCON∃sinNOS#OSN=arcsin(9)k=180-s-BAC-ACBNS//设s为ABC的变化值,k为ACB的变化值,w#ONS=180%-#OSN-#SON(10)为动臂旋转角速度,t为时间,ABC、BAC、ACB分别为#OSN和#ONS的变化值分别为铲斗液压缸和#ABC、#BAC、#ACB起始值。铲斗液压活塞杆的旋转角度。End2.4
液压挖掘机工作装置交互程序的编写斗杆机构的几何关系也可以仿照动臂机构的几将上述工作完成后,将对各部件节点进行设置。何关系进行计算。以动臂为例,其编写步骤和代码如下:对于铲斗机构,铲斗摇杆、铲斗连杆、铲斗液压第一步:OrientationInterpolator(方向插补器)默缸、铲斗液压活塞杆与铲斗组成五边形TMNSO如图认是以Z轴为旋转轴,按照动臂旋转的要求,必须将4所示,直接利用此五边形的几何关系无法计算出铲动臂与工作台的铰点设定为旋转中心,这样,动臂将斗机构各部件对应时刻的旋转角度,可用如下方法解以通过此铰点与Z轴平行的直线为旋转轴。具体方决:在五边形TMNSO中,连接ON组建四边形ON
法是在SolidWorks中计算出动臂与工作台的铰点的MT,再连接OM,将四边形ONMT分为∀TMO和X坐标和Y坐标,然后在在动臂程序Transform节点∀MNO。开头加入center域。第二步:在动臂程序Transform节点中加入两个TouchSensor(接触检测器)节点,其主要功能是产生定点输入设备(本设计是鼠标)的事件,当用户用鼠标点击动臂的任何部位时,VRML都会检测到接触,并且将其输出。第三步:在TouchSensor节点下加入TimeSensor(时间传感器)节点,其主要功能是当用户点击动臂图3
动臂机构几何关系图图4
铲斗机构几何关系图后,时间传感器被打开,动臂开始运动,当用户再次点击动臂后,时间传感器被关闭,动臂停止运动。在此

(1)在∀TMO中,OT、TM的长度固定不变,且设计中,将cycleInterval循环周期设定为20s。OT固定不动,TM以一定的角速度(即铲斗的旋转速第四步:在TimeSensor节点下加入OrientationIn
度)旋转,#OTM在任一时刻的值即可确定。根据三terpolator(方向插补器)节点,其主要功能是使动臂发角形正余弦定理,计算出对应时刻OM的长度和生旋转,并规定动臂围绕旋转的旋转轴和角度。在此!108!\n





































制造业信息化!机械研究与应用!设计中,将key域关键帧时间的列表设定为0.0,0.1,ROUTETime.fraction_changedTOxydongb.iset_frac
0.2&&1.0,keyValue域方向值列表为以0为初始点tion的0.177为步长的等差序列。其意义为以在Solid
ROUTExydongb.ivalue_changedTOdongb.iset_rota
Works中所设计的动臂位置为起点,然后以0.177/tion(20∃0.1)rad/s的速度逆时针旋转。然后按五个步骤依次编写其他部件的交互程序,第五步:在程序末尾加入路由,首先由触摸检测完成挖掘机工作装置交互程序的编制。器传到时间传感器,然后由时间传感器传到方向插补3
液压挖掘机工作装置仿真系统的使用器,再由方向插补器传到动臂的旋转。完成上述工作后,利用IE5.0以上版本自带的#旋转中心的设置Worldview2.0或者在其他版本安装Cortona浏览器,即Center-0.028937650.0449606760可浏览液压挖掘机工作装置仿真系统,如图5所示。#触摸检测器用户用鼠标点击挖掘机动臂,则动臂开始绕工作DEFTouchdongbi0TouchSensor{台与动臂之间的铰点旋转;若鼠标点击斗杆,则斗杆

enabledTRUE开始绕动臂与斗杆之间的铰点旋转;若鼠标点击铲


}斗,则铲斗开始绕斗杆与铲斗之间的铰点旋转。三者DEFTouchdongbi1TouchSensor{的旋转运动可同时进行,也可分别进行。动臂、斗杆、

enabled
TRUE铲斗同时做旋转运动某时刻如图6所示。


}#时间传感器DEFTimeTimeSensor{

enabled
TRUE

startTime
0

cycleInterval
20图5
挖掘机工作装置


图6
挖掘机工作装置运

loop
FALSE仿真系统动某时刻图
}#方向插补器4
总
结DEFxydongbiOrientationInterpolator{利用VRML对液压挖掘机工作装置进行虚拟仿

key
[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,真,具有以下优点:∋更加逼真;(交互性强;)能够0.8,0.9,1]脱离软件平台;∗只有447K大小,便于网上传输,设

keyValue
[00
1
0,计人员可通过互联网进行协同设计和交互式设计;+001
-0.177,

001
-0.354,对系统的要求较低。另外,由于在设计仿真过程中所001
-0.354,

001
-0.177,应用的SolidWorks软件和VRML具有广泛的适用性,001
-0.531,

001
0,对其他机械产品的研发设计也具有借鉴意义。001
-0.708,

001
0.177,参考文献:001
-0.531,

001
0

][1]
梁
晖,刘晓明.在Web中利用VRML实现机械结构运动仿真[J].机械与电子,2002,(2):69-72.
}[2]
吴小华.VRML与JAVA编程[M].北京:国防工业出版社,

]2002.
}[3]
方锡武,基于VRML的机械传动机构的运动仿真[J].计算机仿#路由设置真,2007,24(6):203-206.ROUTETouchdongbi0.touchTimeTOTime.set_start
[4]
王桂新,杨彦龙.基于ADAMS的液压挖掘机工作装置的仿真分析[J].河北工业大学学报,37(3):59-61.Time[5]
温
磊,梁真毓,迟永滨.基于VB和OpenGL的挖掘机械实时运ROUTETouchdongbi1.touchTimeTOTime.set_stop
动仿真[J].计算机辅助工程,2008,17(2):69-72.Time!109!