液压挖掘机三维虚拟实验设备的设计与开发

羊玢，宋化卫, 王玉，江志鹏，王哲

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)

液压挖掘机三维虚拟实验设备的设计与开发

羊玢，宋化卫, 王玉，江志鹏，王哲

(南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037)

基于多体动力学分析软件RecurDyn建立液压挖掘机虚拟样机模型，进行工作装置建模和运动仿真分析，并对液压挖掘机的作业范围进行动态仿真，得到挖掘机工作时的最佳作用状态。基于虚拟现实软件Virtools建立液压挖掘机三维虚拟实验平台，对液压挖掘机的不同工作状态进行虚拟模拟，提供液压挖掘机结构和原理的生动、逼真的沉浸式的学习环境。

液压挖掘机；虚拟实验设备；RecurDyn；Virtools

0 引言

作为一种经济、高效的土石方施工机械，液压挖掘机在各种工程建设领域中发挥着至关重要的作用。随着近年来石油价格的不断攀升以及人们环保意识的提高，用户对挖掘机的节能性与环保性也提出了更高要求[1]。由于挖掘机施工时经常铲斗装不满，或是在运送过程中泼撒滴漏，作业效能无法达到100%的发挥。这就要求铲斗能够根据作业工况的不同走出适合工况的特定轨迹，以达到作业效能的充分发挥。通过对铲斗作业范围的仿真，来验证实现这一特定轨迹的可能性，并对挖掘机的性能作出评价。

应用新型的多体动力学软件RecurDyn可以直接建立液压挖掘机的模型并进行仿真分析，并基于虚拟现实软件Virtools建立液压挖掘机三维虚拟实验平台，对液压挖掘机的不同工作状态进行虚拟模拟。

1 液压挖掘机动态仿真分析

1.1RecurDyn软件介绍

RecurDyn软件是由韩国FunctionBay公司开发出的多体系统仿真优化软件。主要基于相对坐标系建模和递归求解，不但可以同时解决传统的运动学与大规模多体动力学问题，同时是解决工程机械中机构接触碰撞问题的专家，极大地拓展了多体动力学软件的应用范围。

RecurDyn软件基于Professional模块提供的各种建模元素，如齿轮、链条、履带、控制、液压、发动机设计以及与常用三维CAD软件的接口，用户可以建立起系统级机械虚拟数字化样机模型，为仿真研究提供全方位支持，并进行全面的虚拟测试验证，通过判断仿真测试的数据、动画、曲线、轨迹等结果，进行系统功能优化实现创新设计[2]。

1.2 液压挖掘机实体建模

1—下车；2—上车及回转马达；3—动臂；4—动臂油缸1；5—动臂油缸2；6—斗杆油缸；7—斗杆；8—铲斗油缸；9—摇臂；10—连杆；11—铲斗图1 液压挖掘机三维实体模型

液压挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆、斗杆油缸、动臂油缸、摇臂连杆、铲斗、铲斗油缸等组成(图1)。各运动部件之间全部采用销轴铰接，通过动臂油缸的伸缩实现动臂绕下铰点的转动，并实现动臂升降。斗杆铰接于动臂的上端，斗杆油缸的收缩使斗杆绕动臂上铰点转动，斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。铲斗铰接于斗杆前端，通常采用摇臂连杆机构联结铲斗来增大铲斗转角，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动[3]。

1.3 挖掘机运动仿真分析

通过运动仿真，建立测量函数得到性能参数仿真变化曲线，斗杆、铲斗、动臂的速度-时间曲线和加速度-时间曲线如图2和图3所示。

图2 斗杆、铲斗、动臂的速度-时间曲线

图3 斗杆、铲斗、动臂的加速度-时间曲线

从图2和图3可知，斗杆的最大速度、加速度分别为19.524m/s、340.271m/s2，动臂的最大速度、加速度分别为5.223m/s、70.154m/s2，铲斗的最大速度、加速度分别为34.124m/s、630.274m/s2[4]。为使铲斗中物料不至于洒出，液压挖掘机铲斗满载提升动臂时，需要在动臂举升过程中进行铲斗姿态的调整。从铲斗的速度、加速度仿真曲线可以看出存在着突变，说明铲斗姿态的调整对运动中铲斗的速度、加速度有很大的影响，调整时间越短，突变越剧烈。从液压缸设计角度出发，应该充分考虑铲斗姿态的调整引起的冲击力对液压缸的影响。同时，这个冲击力也必然会影响到斗杆、动臂和铲斗的载荷分布及应力变化，需要在斗杆和动臂设计中考虑这些因素。

2 液压挖掘机虚拟实验设备开发

2.1Virtools软件介绍

Virtools是法国交互三维公司开发的一款虚拟现实开发软件，具有简单操作、交互功能强大、可视化界面、可扩展性强等特点，被广泛应用于游戏开发、虚拟训练、工业仿真、虚拟实验系统开发等方面。

2.2 虚拟样机的理论及技术基础

一种产品从设计到定型要经过多次设计修改，每次又都需要重新装配实物样机并进行试验；传统制造有时采用建造一系列实际尺寸模型来校验实际产品的正确性，这些过程既费时又费力，影响了产品性能的确定和进一步优化。而采用虚拟技术进行设计、装配，可使产品在实际生产之前，其全部设计就经历了充分的虚拟实验和论证。

虚拟样机是一个最终系统或产品的计算机虚拟模拟。同物理样机相比，它可以快速制作，从而有效降低成本，可以提供联机性能数据，更有概括性，用以论证工程分析的有效性。另外，虚拟样机提供了非常好的内部状态的可观察性，它允许用户从不同的角度观察系统内部结构，并可快速对其进行修改。虚拟样机技术将仿真和建模扩展到产品研制开发的整个过程，将对产品的传统设计方法产生变革，提高了产品的竞争力[5]。

2.3 三维虚拟实验设备开发的基本步骤

运用Virtools技术进行三维虚拟实验设备开发主要包括：素材准备、三维模型与简易动画制作、场景编辑、数据库设计、交互脚本编写、作品发布6个基本步骤。

1) 素材准备：素材主要包括文字、图片、声音等，无论是制作三维模型，还是进行场景编辑都需要用到素材，素材是进行系统开发的基础。

2) 三维模型和简易动画制作：它可以使三维虚拟实验设备更加生动、逼真，是进行三维虚拟实验设备开发的重要环节。目前Virtools支持的三维建模工具有很多，例如3Ds Max，Maya，Collada等，均便于进行三维模型和动画的制作。

3) 场景编辑：其主要是考虑到三维虚拟实验设备的艺术性和易操作性，使设备不仅能符合使用者的特点和审美，而且还能让实验者容易操作和掌握。

4) 数据设计：数据库用于存放实验相关的用户基本信息、实验内容、实验场景信息、虚拟仪器信息、实验结果、实验报告、实验基础知识等信息。其通过增加系统对数据的处理能力，使系统变得更加灵活、友好。

5) 交互脚本编写：Virtools中的Building Blocks提供了强大的交互模块，可以轻松实现三维场景中的交互功能，为三维虚拟实验设备的开发提供了有力保证。交互脚本的编写是实现三维虚拟实验设备开发的关键。

6) 作品发布：Virtools技术开发的作品支持网页格式，开发完成后可以很方便的导出Web格式，运用于远程教学。

2.4 体系结构

基于Web的三维虚拟实验设备的几个主要部分包括服务器、实验集成系统、场景调度系统、仪器调度系统、场景数据库、虚拟仪器库、信息数据等，如图4所示。

图4 三维虚拟实验设备的体系结构

Web服务器主要功能是对学习者基本信息、实验相关内容进行管理。提供Web服务，使学习者可以进行远程访问。

信息数据库由学习者信息、实验相关信息等组成。虚拟仪器数据库包含了实验者可以使用及操作的全部虚拟仪器的信息。场景数据库包括实验环境及相关的纹理、材质、声音等[6]。

2.5 开发实例

利用Virtools技术设计，该虚拟实验设备的功能主要包括模型各部件功能的介绍、与投影仪的连接、与数据库进行通信、读取和存储实验数据等。

2.5.1 三维模型的制作装配与优化

由于Virtools没有建模功能，所以使用三维造型软件NX 6.0建立液压挖掘机各部件的数字化模型。然后将建好的模型导入到3D max中，再通过3D max以.nmo格式导入到Virtools中。模型建立好并成功导入到3D max中之后的工作就是给模型赋予材质和贴图，从而增加模型的真实感，提高显示的刷新速率[7]。

在虚拟现实环境下，重点解决的技术问题是：1) 自动装配的过程中快速跟踪和定位零部件的信息，并通过屏幕显示给操作者；2) 自动选择装配关系以及装配路径。

基于以上两个问题，在虚拟现实软件Virtools中，经过反复验证编译，决定采用软件中的Set Pickable模块，Get Row等模块的组合来模拟装配中定位零部件的信息；而设置的SetPosition等模块，可以实现装配关系和装配路径的自动选择和设置，虚拟装配路径规划的脚本流程图如图5所示。对这些模块进行重新组合，通过消息发送模块Send Message传递交互信息，进而描述液压挖掘机虚拟装配系统中装配路径规划[8]。

图5 虚拟装配路径规划的脚本

2.5.2 场景编辑

Virtools场景包括三维场景和二维场景。把建好的模型作为场景导入到Virtools中，并调整好其位置和大小，再在场景中加入灯光和摄像机来调整场景光线和视角。

二维场景主要用来放置控制按钮，显示信息和数据，以及美化实验室界面。可以通过添加二维框架(2D Frame)、材质(Material)和纹理(Texture)来设计。

2.5.3 交互脚本编写

利用Virtools的几个行为交互模块就可实现对三维对象的控制，下面以三维对象的旋转、缩放为例说明行为交互模块的使用方法。

给三维对象建立脚本，并添加相应的行为交互模块，如图6所示。Switch On Key行为交互模块用来接收键盘按键，不同按键执行不同的功能，可分为放大、缩小、顺时针和逆时针旋转四种情况。Per Second用来设置每次按键后旋转和缩放的程度。Rotate和Scale分别实现三维对象的旋转和缩放功能。

图6 三维对象旋转和缩放的脚本流程图

2.5.4 与数据库通讯

Virtools与数据库实现通信，必须先建立数据库，并通过ODBC(open database connectivity)与数据库建立连接，取DSN(distributed service network)别名为vrdsn；在服务器端安装Virtools Multiuser Server模块，并启动Server服务；在Virtools Server管理界面中选择Database模块，为其添加数据源vrdsn，此时服务器端配置完成。

服务器端配置完成，用Connect To Sever建立与Virtools服务器的连接，获取一个连接ID，再用Database Behaviors(数据库行为交互模块组)对数据库进行操作，就能在Virtools中对数据库进行通信。图7是在数据库表中添加记录的脚本流程图。

图7 在数据库表中添加记录的脚本流程图

2.5.5 生成Web页面

在Virtools中，点击file选择Create Web Page，在弹出的窗口中对导出路径和窗口大小进行设置，设置好点击“OK”生成网页格式。

3 结语

建立了液压挖掘机机械系统的数字化虚拟样机模型，对液压挖掘机进行了运动学仿真。基于RecurDyn软件对液压挖掘机工作装置进行研究，用挖掘机虚拟样机代替传统的物理样机，可降低开发和制造成木，缩短研制周期，提高装载机的性能。这种方法可以提高系统仿真的效率，为分析挖掘机的性能和改进液压挖掘机的设计提供了一种有效的手段。

在此基础上，利用虚拟现实技术，在Virtools系统中开发了一套液压挖掘机三维虚拟实验设备，打破了设备在时间、空间、和地域方面的限制，能够为学生提供液压挖掘机结构和原理的生动、逼真的沉浸式学习环境，获得与真实物理实验一样的体会，从而加速和巩固学生学习知识的过程。

[1] 陈桂芳，郭勇，刘锋. 挖掘机液压系统建模仿真及能耗分析[J]. 机械设计与研究, 2011, 27(5 ): 101-103.

[2] 张卧波, 杨俊峰, 王建明，等. 挖掘机工作及运动状态的仿真与应用研究[J]. 农业机械学报, 2008, 24(2): 149-151.

[3] 黄爱华, 卢炎麟. 基于Pro/E的反铲式挖掘机工作装置的建模与运动仿真[J]. 煤矿机械报, 2008, 29(9):67-69.

[4] 张俊俊, 张辉. 装载机工作装置建模和运动学仿真[J]. 机床与液压科技报, 2010(4), 38(7): 106-108.

[5] 隋爱娜, 吴威, 赵沁平. 虚拟装配与虚拟原型机的理论与技术研究[J]. 系统仿真学报, 2000, 12(4): 386-388.

[6] 方利伟. 基于Virtools的三维实验室研究与实现[J].实验技术与管理, 2012(5): 83-86.

[7] 范孝良，田珍. 基于Virtools的机械零部件虚拟装配的研究[J].仪器仪表用户, 2012(5): 71-72.

[8] 付同庆，陈清奎，李英杰，等. 基于Virtools的塔式起重机虚拟装配系统的研究[J].山东交通科技, 2012(3): 106-108.

Design and Development of Hydraulic Excavator 3D Virtual Laboratory Equipment

YANG Bin,SONG Hua-wei, WANG Yu, JIANG Zhi-peng, WANG Zhe

(College of Automobile and Traffic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The virtual prototype model of the hydraulic excavator is set up based on RecurDyn software, the work device modeling and kinematics simulation are carried out, the scope of its work is simulated and the best action state is obtained.Its 3D virtual laboratory equipment platform is set up based on the virtual reality software Virtools and according to its different work conditions, a vivid and lifelike immersion learning environment of its structure and theory is provided.

hydraulic excavator; virtual laboratory equipment; RecurDyn; Virtools

南京林业大学实验室创新基金项目：(南林实〔2012〕9号)；江苏省大学生实践创新训练计划项目：(苏教办高〔2012〕11号)

羊玢(1974-)，男，湖南邵东人，副教授，博士学位，主要研究方向：机械CAD/CAE技术和车辆动态优化设计。

TH12；TP391.9

B

1671-5276(2014)02-0032-04

2013-01-28