双梁桥式起重机虚拟样机及视景仿真

赵 霞，裴文华，王晓波

（太仓武港码头有限公司，江苏 太仓215400）

在起重机设计中引入虚拟现实技术及计算机仿真技术，有利于设计者获得更加合理、更加安全可靠的设计方案，并减少产品开发中需要进行的实验，有利于缩短产品的开发周期以及降低综合成本［1］.本文以双梁桥式起重机为研究对象，拟在CAD二维图形的基础上应用Solidworks与3Dmax联合建模的方法实现双梁桥式起重机整机系统的三维数字化虚拟样机.

1 双梁桥式起重机结构

应用AutoCAD二维设计方法完成桥式起重机的整机装配图，并选取主视图和俯视图作为整机结构形式的说明（图1）.其工作原理：桥式起重机工作过程，先由起升机构在减速机构的牵引下通过钢丝绳和吊钩将货物起吊需要的高度；此后，小车运行机构在双电机驱动下沿大车上的轨道做横向运动，大车运行机构在双电机的驱动下沿导轨做纵向运动，大、小车共同配合完成起重作业.

2 双梁桥式起重机虚拟样机

笔者采用三维建模软件Solidworks与3Dmax联合建模的方法.桥式起重机整机模型所需要的主要部件建模按以下原则进行构建：1）大车运行机构尺寸较大，但形状要求较为简单，一般由型钢和钢板组成，可以应用solidworks软件采用基于CSG建模方法进行构建；2）起升机构中含有钢丝绳柔性体，可以采用3Dmax柔性体建模技术进行构建；3）对于较为复杂、种类繁多且各不相同的零部件，可以采用多边形法近似表示.

图1 双梁桥式起重机结构示意图

2.1 大车行走机构

在大车行走机构虚拟装配中，需要考虑三个方面的因素：1）零部件之间的装配层次；2）装配先后顺序；3）相互之间的装配关系.在虚拟样机技术中，常见的装配顺序有：1）直接插入零件完成整个装配过程；2）先完成需要的子装配体，插入子装配体完成整个装配［2］.本文主要采用第二种装配方案完成桥式起重机大车运行机构的虚拟装配.

图2为大车运行机构的虚拟样机模型.它是由主梁、桥架结构、主动车轮、从动车轮、牵引机构等部分装配组合而成.在桥式起重机工作过程中，大车可以做纵向运动，增加了纵向的工作范围.

采用solidworks建立大车运行机构虚拟样机模型后，导入3Dmax进行效果处理以达到与整体环境以及其他机构相协调的效果.

图2 大车运行机构虚拟样机模型

2.2 小车行走及起升机构

起升机构安装于小车行走机构上（图3）.小车运行机构主要由桥架结构、主动车轮、从动车轮、减速机构、钢丝绳、吊钩等部分装配组合而成，在起重机工作中主要做横向运动.起升机构由电机、减速机、卷筒、钢丝绳、制动器等部件组合而成，在起重机工作过程中，由钢丝绳牵引起吊货物.

起升机构中涉及钢丝绳柔性体的建模，是在刚体仿真中较为难以处理的问题.针对该类问题主要有两种解决方案：1）采用3Dmax柔性体建模技术；2）采用无限离散技术进行柔性体的模拟.相比而言，第一种方案较多地应用于视景仿真中，其模拟与仿真效果更为显著；第二种方案较多应用在柔性体的动力学分析中，将类似钢丝绳等柔性体进行无限离散化.其基本思想为：采用discrete flexible link方法，及采用多个分段（Segments）的discrete flexible link组合来模拟钢丝绳，以达到真实模拟的效果.本文研究工作主要采用第一种方案.

2.3 整机虚拟样机

桥式起重机三维模型主要用以显示桥式起重机的外观形状、各零部件及各机构之间的位置及相互之间的从属关系.同时，桥式起重机整机虚拟样机亦是后续的桥式起重机虚拟驾驶系统交互操作与视景仿真的对象，因此，本文在完成桥式起重机所有重要零部件及其机构的实体建模后，应用虚拟装配技术完成桥式起重机整机虚拟样机的装配.

本文所研究的双梁桥式起重机整机系统的虚拟装配过程主要包括减速器装配、大车运行机构主动轮装配、大车运行机构从动轮装配、桥架系统装配、大车运行机构装配、小车运行机构装配、桥式起重机整机装配等.通过以上步骤可以生成一个桥式起重机的三维实体模型，之后在三维实体模型的基础上再对其进行运动模拟仿真、交互操作仿真以及视景仿真等.图4为双梁桥式起重机整机系统虚拟样机模型.

3 视景仿真

3.1 系统介绍

桥式起重机虚拟视景系统就是应用计算机产生操作桥式起重机进行作业过程的模拟，并在模拟过程中达到与实际操作桥式起重机同样的真实效果.此过程中，将产生真实的虚拟视景、音响效果以及三大机构的独立运动和协调运动仿真，其目的是使得桥式起重机模拟操作者沉浸到虚拟操作环境中，并有实际操作起重机的真实感觉.

3.2 视景显示方案

桥式起重机视景显示方案是视景系统研制中较为重要的关键性技术，其目的是给桥式起重机模拟操作者提供真实的图形显示与立体视觉效果.由于虚拟现实技术的发展，桥式起重机视景显示方案呈现多元化，其中较为成熟的方案分为三种类型：1）基于桌面的桥式起重机视景显示方案；2）基于投影的桥式起重机视景显示方案；3）基于HMD的桥式起重机视景显示方案.本文主要采用第二种桥式起重机视景显示方案.

3.3 视景仿真结果

桥式起重机虚拟驾驶系统人机交互过程中，需完成桥式起重机虚拟驾驶系统的视景漫游：进入厂房→地面爬梯入口→上爬梯→在爬梯中部平台转身→继续上爬梯→进入司机室→出司机室→登上主梁走台→观看小车→在主梁走台上行走→观看大车运行机构→从空中观察起重机全貌并靠近司机室部位→回到地面（图5，图6）.

此外，完成了桥式起重机虚拟驾驶系统的人机交互操作模拟：大车运行机构运行→小车运行机构运行→吊钩下降→起吊货物→大车、小车配合运行到预设位置→将货物放置在地面→起重机空车回原位置（图7，图8）.

图7 小车运行至司机室一侧

图8 小车运行至主梁中心

4 结论

1）应用Solidworks与3－Dmax联合建模的方法实现了双梁桥式起重机整机系统的三维数字化虚拟样机，并就其中涉及到的虚拟装配技术、柔性体处理技术等关键技术给出了解决方案.

2）开发了双梁桥式起重机虚拟视景系统，对起重机驾驶人员的操作培训具有较大的现实意义.

3）在视景仿真系统开发中，对桥式起重机虚拟样机内部模型进行了简化，但这并不影响仿真对象外观效果的逼真性，这种处理有效兼顾了计算机的性能及其运行速度、仿真对象外观逼真度以及建模效率等方面.

［1］陈定方，罗亚波.虚拟设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］张争艳，陈定方，刘 李.基于特征建模技术的双级减速箱的虚拟设计［J］.湖北工业大学学报，2008（3）：46－48.