發(fā)布時(shí)間：2023-04-12 17:44:48
序言：寫作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的虛擬樣機(jī)技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
Abstract: In the actual use of artillery, due to the limitations of testing means and ball firing is dangerous, we can not make a good judge on the working condition of reverse recoil device. This paper takes the virtual prototyping technology as the studying means to evaluate the work performance of the reverse recoil device of artillery, to test the credibility of the virtual prototype through the simulation results.
關(guān)鍵詞：某型火炮；虛擬樣機(jī)；建立；可信性驗(yàn)證
Key words: a certain type of artillery；virtual prototype；establish；verification of the credibility
中圖分類號(hào)：E2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2010）35-0036-02
0引言
火炮的反后坐裝置被稱為火炮的“心臟”，目前火炮在實(shí)際使用過(guò)程中，由于測(cè)試手段的局限性，而且進(jìn)行實(shí)彈射擊危險(xiǎn)性較大，不能很好的判斷反后坐裝置工作是否正常。我們利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)火炮反后坐裝置的工作性能進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果，來(lái)檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)的可信性。
1虛擬樣機(jī)的建立過(guò)程
我們?cè)赑ro/E的環(huán)境中按照火炮各體的實(shí)際尺寸和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)體建模。對(duì)組成火炮系統(tǒng)的各體施加約束力。在此基礎(chǔ)上，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成ADAMS環(huán)境下的具有動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)體模型[1,2]。Pro/ENGINEER是由美國(guó)PTC（參數(shù)技術(shù)）公司研發(fā)的的三維建模軟件廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、家電、玩具等行業(yè)，是一個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件[3]。ADAMS是一個(gè)動(dòng)力學(xué)分析軟件，它能更好地解決復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)參數(shù)[4,5]，按照美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的通用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS和美國(guó)PTC公司的CAD軟件Pro/E作為基本建模工具，兩者之間的接口采用MDI公司開(kāi)發(fā)的ADAMS與專用接口模塊Mechanism/Pro（簡(jiǎn)記為M/Pro）建模的過(guò)程如圖1。
本系統(tǒng)需要運(yùn)用ADAMS作為輔助，結(jié)合Fortran語(yǔ)言編制仿真模型的用戶自定義程序。在ADAMS環(huán)境下獲得可以仿真火炮動(dòng)態(tài)特性的虛擬樣機(jī)模型。具體模型如（圖2、3、4）：
2虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證
由于火炮實(shí)彈射擊試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，因此需要專門的試驗(yàn)場(chǎng)地和多方面的人力保障，而且在試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)特殊的測(cè)試手段、運(yùn)用專門的儀器設(shè)備才能對(duì)火炮的各種參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，以致于試驗(yàn)成本較高。建立火炮虛擬樣機(jī)的過(guò)程，是一個(gè)不斷建模――驗(yàn)?zāi)（D―再建模的過(guò)程，對(duì)于任何仿真試驗(yàn)結(jié)果都應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以檢驗(yàn)其仿真結(jié)果的可信度。由于受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地和測(cè)試手段等諸多因素的制約，我們選用某型火炮的定型試驗(yàn)報(bào)告提供的火炮測(cè)試參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表曲線，來(lái)考核和檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)仿真輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性。火炮進(jìn)行定型試驗(yàn)是為了全面檢驗(yàn)和考核火炮的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)和安全性，通常要對(duì)火炮射擊時(shí)的各主要狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行綜合性測(cè)試，而且為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通常對(duì)火炮某一測(cè)試項(xiàng)目要進(jìn)行多次試驗(yàn)反復(fù)測(cè)試，所以試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)既有單發(fā)射擊的圖表曲線，又有多發(fā)射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，因此運(yùn)用火炮設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以對(duì)所建立的火炮虛擬樣機(jī)進(jìn)行更充分、更全面的考核和驗(yàn)證。
現(xiàn)代火炮采用了反后坐裝置后，其炮身通過(guò)反后坐裝置（駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)）與炮架彈性相連，火藥氣體作用于炮身產(chǎn)生的腔內(nèi)壓力Pp t通過(guò)駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)進(jìn)行緩沖，因此炮架的受力由原來(lái)的炮膛合力Pp t變?yōu)榉春笞b置提供的后坐阻力R。實(shí)踐證明反后坐裝置的應(yīng)用使得炮架實(shí)際受力僅為炮膛合力最大值Pptm的幾十分之一。反后坐裝置的作用如此重要而常常被稱為火炮的“心臟”，為此反后坐裝置內(nèi)的各相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)已成為衡量火炮動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)。通常火炮的分析計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試也都重點(diǎn)考核這些指標(biāo)參數(shù)，所以本文也以這些指標(biāo)來(lái)考核虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性。
2.1 反后坐裝置的作用①可以極大地減小火炮射擊時(shí)的受力；②將全炮的后坐運(yùn)動(dòng)變?yōu)榭煽刂频呐谏硌嘏谏磔S線的后坐運(yùn)動(dòng)，并使其射擊后自動(dòng)恢復(fù)到射前位置。
2.2 反后坐裝置的動(dòng)作原理火炮射擊時(shí)，后坐部分的后坐阻力主要由反后坐裝置所提供。反后坐裝置不同于一般的緩沖阻尼器系統(tǒng)，它實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖阻尼裝置，通過(guò)改變流液漏口的面積改變后坐阻力，使其滿足一定規(guī)律而達(dá)到有效控制后坐運(yùn)動(dòng)和受力的目的。后坐開(kāi)始時(shí)，駐退機(jī)內(nèi)液體在工作腔分流為兩股液流，一股經(jīng)節(jié)制桿與節(jié)制環(huán)之間的環(huán)形漏口流向非工作腔，另一股由駐退桿內(nèi)壁與節(jié)制桿之間的環(huán)形通道，經(jīng)調(diào)速筒流入內(nèi)腔。由于駐退桿不斷抽出，駐退機(jī)外腔的液流在活塞壓強(qiáng)作用下分別流向駐退機(jī)非工作腔和內(nèi)腔。為保證火炮在整個(gè)后坐行程上全程制動(dòng)，駐退機(jī)內(nèi)腔始終充滿液體，其壓強(qiáng)p2>0。在對(duì)駐退機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，主要測(cè)試駐退桿外腔和內(nèi)腔的壓強(qiáng)，針對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)的測(cè)試也主要測(cè)試其腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)。
后坐部分復(fù)進(jìn)時(shí)，駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)p2>0，內(nèi)腔液體在其作用下流回外腔。由于真空的存在，駐退機(jī)非工作腔在復(fù)進(jìn)開(kāi)始一段距離內(nèi)壓強(qiáng)為零，只有內(nèi)腔液體存在壓強(qiáng)，復(fù)進(jìn)時(shí)駐退機(jī)內(nèi)腔的壓強(qiáng)對(duì)反后坐裝置的影響也很大，在試驗(yàn)鑒定時(shí)也作為一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。復(fù)進(jìn)機(jī)的作用是在后坐過(guò)程中提供后坐阻力和在復(fù)進(jìn)過(guò)程中提供復(fù)進(jìn)動(dòng)力。在后坐開(kāi)始時(shí)，復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)不為零，之后隨后坐行程增加而逐漸增大，至后坐終止時(shí)腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到最大，在復(fù)進(jìn)時(shí)其腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)與后坐時(shí)一致。因此，測(cè)試復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體壓強(qiáng)時(shí)只對(duì)后坐時(shí)的情況進(jìn)行測(cè)試。
2.3 虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)的可信性分析反后坐裝置使火炮由剛性后坐變?yōu)閺椥院笞①A存后坐能量，使后坐部分在后坐終止后可以轉(zhuǎn)為復(fù)進(jìn)。反后坐裝置之所以稱為“火炮的心臟”，是由于該裝置的可靠性將直接影響整個(gè)火炮工作性能，甚至使整個(gè)火炮喪失工作能力。因此，在火炮設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)時(shí)，將反后坐裝置作為試驗(yàn)測(cè)試的重點(diǎn)，針對(duì)反后坐裝置的測(cè)試項(xiàng)目，主要包括駐退機(jī)內(nèi)外腔壓強(qiáng)、復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)壓強(qiáng)、后坐速度和復(fù)進(jìn)速度等，進(jìn)而通過(guò)求得最大后坐阻力，來(lái)檢驗(yàn)反后坐裝置的功能是否滿足給定的指標(biāo)要求。綜上所述，利用定型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建火炮虛擬樣機(jī)的真實(shí)性是可行的。
2.4 虛擬樣機(jī)仿真數(shù)據(jù)與定型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比本文選擇對(duì)某型火炮的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，各項(xiàng)目的試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖5所示，其中：p1為后坐時(shí)駐退機(jī)外腔壓強(qiáng)；p2為后坐時(shí)駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)；p′2為復(fù)進(jìn)時(shí)駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)；v為后坐速度；v′為復(fù)進(jìn)速度；pΠ為后坐時(shí)復(fù)進(jìn)機(jī)腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)；R為后坐阻力；t為后坐時(shí)間；t′復(fù)進(jìn)時(shí)間。本文選擇與定型試驗(yàn)一致的試驗(yàn)條件，充分利用并對(duì)照定型試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)各測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真。火炮射擊初始條件為0°射角、全裝藥、底盤著地射擊，駐退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)中的有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于火炮設(shè)計(jì)說(shuō)明書，各結(jié)構(gòu)尺寸存在一定公差范圍，本文均采用其標(biāo)稱尺寸。
2.5 由數(shù)據(jù)對(duì)比表得出結(jié)論
2.5.1 復(fù)進(jìn)機(jī)壓強(qiáng)是后坐位移的函數(shù)，其值基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符；
2.5.2 后坐和復(fù)進(jìn)速度、后坐阻力值及變化趨勢(shì)與仿真曲線基本相符；
2.5.3 對(duì)于后坐時(shí)內(nèi)腔的壓強(qiáng)，利用伯努利方程可以求得內(nèi)、外腔壓強(qiáng)和液體流速的關(guān)系：p1-p2V（1）
其中，p1為外腔壓強(qiáng)，p2為內(nèi)腔壓強(qiáng)，其它符號(hào)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。
由式（1）可知，駐退機(jī)內(nèi)腔壓強(qiáng)與外腔壓強(qiáng)的基本趨勢(shì)一致，隨著后坐速度降低，二者壓強(qiáng)差別逐漸變小。
2.5.4 駐退機(jī)的內(nèi)、外腔壓強(qiáng)在出現(xiàn)峰值的時(shí)機(jī)與仿真數(shù)據(jù)曲線有所不同，導(dǎo)致結(jié)果不同的原因可能是在虛擬樣機(jī)仿真時(shí)，雖然我們?cè)谥谱鞲鞑考臅r(shí)候采用的尺寸數(shù)據(jù)為標(biāo)稱值，但是實(shí)際加工的部件存在一定的誤差，從數(shù)據(jù)結(jié)果看，制作的節(jié)制桿直徑有一定誤差，導(dǎo)致流液口面積的變化。對(duì)于復(fù)進(jìn)時(shí)內(nèi)腔的壓強(qiáng)，真空消失過(guò)程不是一個(gè)突變的過(guò)程，而是一個(gè)漸近的過(guò)程，因此在非工作腔產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，然而理論上認(rèn)為復(fù)進(jìn)真空消失之前，非工作腔不提供壓強(qiáng)，從而導(dǎo)致在復(fù)進(jìn)開(kāi)始段仿真得到的壓強(qiáng)值稍大。
虛擬樣機(jī)仿真曲線與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相比雖有一定誤差，但基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。宏觀而言，后坐和復(fù)進(jìn)速度的基本趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，最大后坐阻力基本規(guī)律一致，說(shuō)明了所建虛擬樣機(jī)的正確性，利用該虛擬樣機(jī)對(duì)火炮宏觀動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究是可信的，所建虛擬樣機(jī)模型是滿足工程上應(yīng)用的。
參考文獻(xiàn)：
[1]杜中華．基于ADAMS的某型炮閂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究[D]．石家莊：軍械工程學(xué)院碩士學(xué)位論文，2001.
[2]杜中華，薛德慶，趙迎紅．Pro/E和ADAMS傳遞過(guò)程中若干問(wèn)題的討論[J]．機(jī)械與電子，2003, (2): 68-70.
[3]劉竹清．Pro/E Wildfire入門與提高實(shí)用教程[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.
[4]李軍，邢俊文，覃文潔等．ADAMS實(shí)例教程[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.
[關(guān)鍵詞]大型游樂(lè)設(shè)施；虛擬仿真分析；方法
中圖分類號(hào)：X922.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）06-0172-01
一、虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介和AOAMS軟件功能分析
利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場(chǎng)需求的能力。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展有賴于以下幾項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
（一）智能技術(shù)
CAD技術(shù)的出現(xiàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)歷史上的一個(gè)里程碑，它在很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，但現(xiàn)有的CAD技術(shù)注重于外形細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)行為，卻忽略了產(chǎn)品概念信息的描述，實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員總是先考慮產(chǎn)品的功能，然后才設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的外形。因此，對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品描述應(yīng)是超越幾何性的。由于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)的要求，智能設(shè)計(jì)技術(shù)需要將用于概念設(shè)計(jì)的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和CAD技術(shù)有機(jī)的集成起來(lái)，支持產(chǎn)品幾何定形前的功能規(guī)劃和計(jì)算，通過(guò)分析這種幕后的功能計(jì)算，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者怎樣將幾何形狀轉(zhuǎn)化為易于裝配的，滿足功能要求的、具有合適工藝的設(shè)計(jì)圖形。
（二）并行工程
并行工程是集成各種技術(shù)，并行設(shè)計(jì)產(chǎn)品及相關(guān)過(guò)程的一種系統(tǒng)方法，同步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析評(píng)估、制造、裝配、核算和管理，它要求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就考慮到產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有因素（質(zhì)量，成本，工藝，結(jié)構(gòu)，性能等），且要求實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同工作。
（三）仿真工程
對(duì)于虛擬樣機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須有一套能很有效支持可制造性分析的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)模型，產(chǎn)品模型必須能夠管理與制造加工有關(guān)的數(shù)據(jù)（如形位公差等）；工藝模型包括統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算機(jī)工藝仿真，制造數(shù)據(jù)庫(kù)和制造規(guī)則庫(kù)等；生產(chǎn)系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為和特性的描述，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)需要對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)字化仿真和可視化，以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。
（四）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)與制造是虛擬企業(yè)的生產(chǎn)方式。利用分布式設(shè)計(jì)與制造，可以實(shí)時(shí)的決定合作廠家，實(shí)現(xiàn)異地產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，不僅節(jié)約了時(shí)間，而且由于分布節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系建立在一種全面合作和開(kāi)放式體系的基礎(chǔ)上，所以有利于設(shè)計(jì)、規(guī)劃和處理問(wèn)題。
二、旋轉(zhuǎn)秋千虛擬樣機(jī)模型的建立
（一）旋轉(zhuǎn)秋千虛擬樣機(jī)模型的建立原則
在ADAMS建模之前，必須對(duì)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)秋千樣機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。這樣不但可以節(jié)省大量的建模時(shí)間。也可以保證ADAMS的仿真分析過(guò)程能夠順利進(jìn)行。同時(shí)，由于ADAMS在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，對(duì)零件的外部形狀不予考慮，因此在模型中精確地描述出復(fù)雜的零件外形，并沒(méi)有多大的實(shí)際意義。當(dāng)然零件形狀描述得越準(zhǔn)確，ADAMS自動(dòng)求算的零件質(zhì)量和質(zhì)心的位置也就越精確。前面我們說(shuō)過(guò)，建立復(fù)雜的模型并不是ADAMS的特長(zhǎng)，如果模型的外形很復(fù)雜，又想得到比較準(zhǔn)確的質(zhì)量和質(zhì)心，可以在其他的三維軟件中建立好，然后通過(guò)ADAMS/Exchange導(dǎo)入ADAMS中，這些三維軟件有pro/EUG等。這里建立模型遵循以下原則：首先，根據(jù)運(yùn)動(dòng)副對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，各個(gè)零件之間的運(yùn)動(dòng)副要表示清楚。其次，在不影響視覺(jué)效果的前提下，模型的外形應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。最后，多個(gè)零件固接時(shí)，可以只用一個(gè)零件表示。以節(jié)省運(yùn)動(dòng)副數(shù)量。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)鏈越長(zhǎng)，計(jì)算誤差越大。
（二）底盤、立柱和頂盤模型的建立
由于旋轉(zhuǎn)秋千的實(shí)體中底盤、立柱和頂盤這幾部分經(jīng)簡(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具進(jìn)行建模。為方便起見(jiàn)，我們這樣設(shè)置坐標(biāo)系，x-Z平面代表水平地面，鉛錘高度方向用y表示。旋轉(zhuǎn)秋千實(shí)體中幾個(gè)主要部分的模型尺寸：底盤：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om頂盤：R=5.0m，L=0.5m由于底盤、立柱和頂盤這三個(gè)主要部件經(jīng)簡(jiǎn)化后為圓柱結(jié)構(gòu)，因此可以采用ADMAS/View基本形體圖庫(kù)中的圓柱體（Cylinder）命令直接建立。為保證將來(lái)數(shù)據(jù)更為直觀，將底盤的底面圓心坐標(biāo)設(shè)置在（0.0，-0.5。0.0）點(diǎn)。將三部分模型外觀建立好之后，應(yīng)該對(duì)模型施加必要的約束，使模型按照實(shí)際的情況連接。按照旋轉(zhuǎn)秋千的結(jié)構(gòu)，需要做以下三處約束：1、底盤與地面。實(shí)際情況中底盤一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。這里我們?cè)诘妆P與地面之間施加一個(gè)固定副（Fixed），將二者固定在一起，這樣就限制它們之間所有的旋轉(zhuǎn)自由度和移動(dòng)自由度。2、立柱與誰(shuí)盤：立柱主要起到支撐整個(gè)裝置的作用，它與底盤也是相對(duì)固定的，因此也采用固定副連接。3、頂盤與立柱。頂盤是整個(gè)裝置的旋轉(zhuǎn)部分，它是在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以立柱為回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)的，因此它與立柱之間要設(shè)置鉸接副。鉸接副限制了2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和3個(gè)移動(dòng)自由度，這樣保證了頂盤只能在x-Z平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
（三）鋼絲繩索模型的建立
1、鋼絲繩索的建模思想
鋼絲繩索的建模是旋轉(zhuǎn)秋千建模的主要難點(diǎn)之一。鋼絲繩索可以承受較大的拉力，抗彎能力很弱，具有較大的柔性，在工作過(guò)程中，鋼絲繩索一直在不停的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生較大的變形。為了能夠反映繩索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和柔性，可以將鋼絲繩索用很多相互連接的圓柱單元來(lái)表示。單元長(zhǎng)度取決于運(yùn)算規(guī)模的限制和相應(yīng)的動(dòng)態(tài)頻率。通過(guò)合理設(shè)計(jì)單元之間的連接關(guān)系，等效仿真鋼絲繩索。在本課題的分析中，在頂盤圓周上均布了12根繩索。根據(jù)裝置的整體尺寸和立柱的高度，每根繩索為9m。因此我們將圓柱單元的長(zhǎng)度取為0.3m，半徑取為0，OO5m，總共設(shè)置了360個(gè)圓柱單元。經(jīng)過(guò)比較，圓柱單元采用球鉸模型進(jìn)行連接。圖 1-1中這種球鉸連接模型約束了x-Y-z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，使兩個(gè)單元在連接處沒(méi)有相對(duì)位移。由此可知，這種連接模型忽略了鋼絲繩索受力后的拉伸變形；另外，它具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，連接的兩個(gè)單元可以在X、Y、Z方向產(chǎn)生自由的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)繩索較大柔性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的效果
2、宏命令簡(jiǎn)介
宏，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用戶自己生成的一個(gè)命令。用戶可以按照ADAMS八1ew的命令格式來(lái)編寫宏，AADMS/View像處理其他命令一樣處理宏，您可以在命令窗口中執(zhí)行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用戶自己的用戶化菜單、對(duì)話窗和按鈕中調(diào)用宏。在宏中用戶可以使用參數(shù)。這有助于用戶在每次調(diào)用宏時(shí)加上數(shù)據(jù)，宏在執(zhí)行時(shí)自動(dòng)進(jìn)行替換。三、自定義鋼絲繩索宏命令由于鋼絲繩索模型中總共設(shè)置了360個(gè)圓柱單元。為了便于建立模型和修改模型，我們采用自定義宏命令的方法來(lái)建立模型。該模型的鋼絲繩索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根據(jù)要求對(duì)此程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，就可以應(yīng)用在其他種類的鋼絲繩索模型的建立。
三、結(jié)語(yǔ)
綜上所述，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析過(guò)程，大幅度縮短實(shí)北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文驗(yàn)研究周期，大量減少研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并且有足夠的分析精度，對(duì)于大型游樂(lè)設(shè)施的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有明顯的促進(jìn)作用。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：兩棲機(jī)器人；優(yōu)化；仿真；動(dòng)態(tài)分析
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，水域作戰(zhàn)是海洋軍隊(duì)的一塊重要領(lǐng)域。在作戰(zhàn)中，經(jīng)常遇到水障礙，目前通過(guò)水障礙的方法有很多，例如，在河上建立一座橋梁，或者浮渡，或者直接涉水過(guò)河等。其中浮渡是最有效的一種方式，通過(guò)浮渡，機(jī)械化部隊(duì)不需要花費(fèi)太多時(shí)間成本和財(cái)物成本，甚至不需要考慮氣候條件，時(shí)間因素等。
作為浮渡的主要工具---水陸兩棲車輛，因其具有不可預(yù)測(cè)性與靈活性，作戰(zhàn)時(shí)，在一定程度上能起到?jīng)Q定性的作用。因此，在搶灘登陸戰(zhàn)中越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。近些年，很多國(guó)家都在研究水陸兩棲車輛，研究如何將水陸兩棲車輛更有效地投入到戰(zhàn)斗中使用。
目前，大多數(shù)水陸兩棲車在進(jìn)入水中之后，輪胎懸掛在車底下，受到水的阻力，從而限制了兩棲車在水中的行駛速度。因此，如何消減輪胎對(duì)行駛速度的影響，成為水陸兩棲車輛的一大核心研究問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，此論文設(shè)計(jì)了一個(gè)能將輪胎收回的機(jī)構(gòu)。從而減少輪胎懸掛時(shí)對(duì)行進(jìn)速度的影響。
一、水陸兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及其工作原理
如圖1.1所示，圖中43處連接輪胎，連接差速器6 把動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力輸出裝置7傳給轉(zhuǎn)動(dòng)軸10，然后帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)。動(dòng)力源通過(guò)管29傳遞到液壓缸28，液壓缸28通過(guò)桿27將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到主傳動(dòng)軸26，主傳動(dòng)軸26兩端分別連接桿27及下支桿12，下支桿12一端通過(guò)銷釘連接到車體2上，另一端通過(guò)銷釘與支架16底端相連，支架16上端通過(guò)銷釘20與上支桿11相連，上支架11通過(guò)銷釘22與車體2相連。[1，2]
因此，當(dāng)液壓缸輸出動(dòng)力通過(guò)主傳動(dòng)軸26帶動(dòng)上下支桿將支架16抬起。從而起到把輪胎收回的目的。
為便于分析，先簡(jiǎn)化模型，根據(jù)立體模型，利用ADAMS軟件創(chuàng)建一個(gè)同等功能的平面模型，以點(diǎn)5為原點(diǎn)，液壓缸初始位是豎直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支桿3、下支桿8 及液壓缸4，之后添加約束，創(chuàng)建變量點(diǎn)。如圖1.2所示。由于變量點(diǎn)一要與液壓缸4保持豎直，所以其X值固定為-250。
車體參數(shù)：車重1500KG，載重 500KG，輪胎抬起高度500～700mm， 輪胎最高處傾斜角度450～600。
二、兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析
對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，主要進(jìn)行抬起試驗(yàn)仿真。進(jìn)行抬起試驗(yàn)驗(yàn)證所建立的模型是否正確并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真分析，得到最優(yōu)化的尺寸。在本設(shè)計(jì)中，我們所要得到的是液壓缸所承受的最小力量，所以，測(cè)量部件就為液壓缸。設(shè)置好后利用ADAMS軟件進(jìn)行模擬仿真，當(dāng)仿真結(jié)束之后，能得出每一次仿真的受力曲線圖，如圖2.1所示，同時(shí)會(huì)得出一個(gè)列表，在該列表中能清晰反應(yīng)出每次仿真時(shí)的最大受力及每個(gè)變量點(diǎn)的值，如圖2.2所示
該表也會(huì)綜合比較出所有仿真值中的最大值及最小值及各值所在的仿真次序。在此輪仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查詢數(shù)據(jù)可知第25次仿真時(shí)各數(shù)值如下：
力值： 3316.4；DV_1： -126.00；DV_2： -270.00；DV_3： 165.00； DV_4： -517.00； DV_5： 81.000。
所以，取在第25次仿真得到的數(shù)值，即取變量點(diǎn)一的坐標(biāo)為（-250，-126）；變量點(diǎn)二的坐標(biāo)為（-270，165）；變量點(diǎn)三的坐標(biāo)為（-517，81）。最終確定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2.3
三、液壓缸的計(jì)算與選擇
計(jì)算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
液壓缸主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖3.1，a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，b為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。
液壓缸的缸筒內(nèi)徑D是根據(jù)負(fù)載大小和選定的工作壓力，或運(yùn)動(dòng)速度和輸入的流量，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，再?gòu)腉B/T 2348―1993（見(jiàn)表3.1）標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值而得出D為63mm合適。
一般，液壓缸在受壓狀態(tài)下工作，其活塞面積為
A1=（F+ P2A2）/P1
運(yùn)用上式須事先確定A1與A2的關(guān)系，或是活塞桿直徑d與活塞直徑D的關(guān)系，這個(gè)可按表3.2來(lái)選取d/D。再按表3.3圓整。
本設(shè)計(jì)選擇的工作壓力P=1.2MPa
即D=63mm d=32mm
液壓缸的行程則由上章中可知為 L=70-（-126）=196 mm
計(jì)算液壓缸工作時(shí)所需流量Q
Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml
綜上，可選用型號(hào)為HSJ-63/32200 最大壓力為1.2MPa的液壓缸。[3，4]
結(jié)論與展望
如今虛擬樣機(jī)技術(shù)在主要的工業(yè)領(lǐng)域（通用機(jī)械、汽車、航空、機(jī)械電子等）得到了廣泛的運(yùn)用，它融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)仿真技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期和全系統(tǒng)并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理，從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng)，支持由上至下的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式，利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)測(cè)試和評(píng)估，以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高面向客戶與市場(chǎng)需要的能力。
本文仿真研究結(jié)果表明，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)水陸兩棲汽車輪胎收回機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析可以很好的將機(jī)構(gòu)的各種工況較為真實(shí)的反映出來(lái)，是一種可行的分析手段，同時(shí)也證明使用該項(xiàng)技術(shù)為水陸兩棲車的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供較重要的參考數(shù)據(jù)，可以大大縮短整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)。
但是由于水陸兩棲車是處于一種新型的產(chǎn)品，雖然在德國(guó)有了這種產(chǎn)品，但由于所有真實(shí)數(shù)據(jù)尚處于軍事機(jī)密當(dāng)中，該設(shè)計(jì)只是通過(guò)幾張實(shí)物照片及專利文獻(xiàn)來(lái)進(jìn)行模仿研究設(shè)計(jì)，因此，本文可能會(huì)存在一些不足之處，期望有同行校正。
參考文獻(xiàn)
[1] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7027851B1[P]，2007.
[2] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7214112B2[P]，2007.
[3] 邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第4版. 北京：高等教育出版社，1997.
論文摘要：介紹了構(gòu)建交互式農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù) ，利用VRML技術(shù)設(shè)計(jì)了交互式農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景環(huán)境原型，詳述了模型開(kāi)發(fā)過(guò)程中的建模 、轉(zhuǎn)換 、裝飾和交互等關(guān)鍵技術(shù)。用戶可以直接與農(nóng)田虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的農(nóng)作物 地塊和道路等事物交互，產(chǎn)生身臨其境的效果，從而使用戶在虛擬空間中得到與自然世界同樣的感受，并為農(nóng)業(yè)裝備的虛擬試驗(yàn)提供了接口和場(chǎng)景空間。
0 引言
眾所周知，大田糧食作物的生產(chǎn)具有明顯的季節(jié)性特征。新的農(nóng)業(yè)裝備研制開(kāi)發(fā)出來(lái)后，如果沒(méi)有正好趕到使用的季節(jié)，研究者就很有可能需要等到下一季才能夠?qū)嵉卦囼?yàn)檢測(cè)裝備的各項(xiàng)指標(biāo)，而且很有可能在實(shí)地試驗(yàn)后需要對(duì)農(nóng)業(yè)裝備做進(jìn)一步的改進(jìn)，因此可能要再等到下一季才能夠安排測(cè)試。這樣的情形長(zhǎng)期以來(lái)一直制約著農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)速度和周期，嚴(yán)重妨礙了國(guó)家農(nóng)業(yè)裝備的更新?lián)Q代和創(chuàng)新水平的提升。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和光機(jī)電液一體化技術(shù)的巨大進(jìn)步，開(kāi)發(fā)全天候、高度模擬真實(shí)大田作業(yè)環(huán)境和農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的、可以完全替代季節(jié)性田間試驗(yàn)的農(nóng)田虛擬場(chǎng)景及其農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視和研究。在車輛和部分農(nóng)業(yè)裝備的室內(nèi)試驗(yàn)中，基于虛擬場(chǎng)景的虛擬試驗(yàn)研究 已取得 了良好的效果。
美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的ADAMS軟件是構(gòu)造產(chǎn)品虛擬原型的一個(gè)很好的平臺(tái)，利用其中的 CAR模塊 ，工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī) (包括車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)和制動(dòng)系統(tǒng)等)，并進(jìn)行仿真，通過(guò)高速動(dòng)畫直觀地顯示在各種試驗(yàn)工況下整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù) ，從而減少對(duì)物理樣 機(jī) 的依賴。VTL(Virtual Test Lab)系統(tǒng) 是由美國(guó) MTS(Mechanical Test System)公司研制的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在產(chǎn)品或部件上安裝虛擬傳感器并將虛擬原型安裝在不同的試驗(yàn)環(huán)境中，一旦虛擬模型確定 ，可以反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改，從而獲得最佳設(shè)計(jì)方案。
就國(guó)內(nèi)來(lái)講，吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)混合仿真試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)分析 ；喬彬和李尚萍等對(duì)甘蔗收獲機(jī)械智能收獲系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了研究；王鳴和劉喜昂等研究了基于 VRML的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)；趙明和劉春光等開(kāi)展了VRML在電傳動(dòng)裝甲車輛虛擬試驗(yàn) 中的應(yīng)用研究；周鵬等對(duì)潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀的重構(gòu)及拋土問(wèn)題進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)的研究；陸林等開(kāi)展了基于 ADAMS的油菜收割機(jī)清選裝置仿真與試驗(yàn)研究，利用虛擬樣機(jī)軟件 ADAMS對(duì)收割機(jī)的清選裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模在此基礎(chǔ)上對(duì)清選裝置進(jìn)行了清選過(guò)程仿真和虛擬試驗(yàn)。關(guān)于虛擬 場(chǎng)景 的建立 ，國(guó)內(nèi)眾 多研究者就VRML技術(shù)在遠(yuǎn)程教育、道路、地理環(huán)境三維漫游和交互式設(shè)備虛擬裝配等方面的應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)了廣泛 的研究。結(jié)合農(nóng)業(yè)裝備虛擬試驗(yàn)的需要，本文就交互式農(nóng)田三維虛擬場(chǎng)景構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)與過(guò)程進(jìn)行研究。
1 VRML簡(jiǎn)介
虛擬 建模 語(yǔ) 言 VRML(Virtual Reality ModelingLanguage)是最近幾年才興起的一門新型語(yǔ)言，它可以通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)虛擬場(chǎng)景而達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。VRML支持三維動(dòng)畫，其實(shí)時(shí)交互功能大大克服了原來(lái)互聯(lián)網(wǎng)上單調(diào)和交互性較差的弱點(diǎn)，從而創(chuàng)建一個(gè)全新 的可進(jìn)入和可參與的三維立體虛擬現(xiàn)實(shí)世界。
VRML是一種描述語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了用來(lái)描述三維場(chǎng)景的文本描述語(yǔ)言，它的基本原理包括 ：文本描述、遠(yuǎn)程傳輸和本地計(jì)算生成。VRML描述的虛擬場(chǎng)景由多種場(chǎng)景對(duì)象構(gòu)成 ，對(duì)象及其屬性用節(jié)點(diǎn)(node) 描述，節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則構(gòu)成場(chǎng)景圖(SceneGraph)。場(chǎng)景圖中的一類節(jié)點(diǎn)用于從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)角度表現(xiàn)對(duì)象，它們按照層次體系組織起來(lái)，反映了場(chǎng)景的空間結(jié)構(gòu)；另一類節(jié)點(diǎn)參與事件產(chǎn)生和路由機(jī)制，形成路由圖(RouteGraph)，確定場(chǎng)景隨時(shí)問(wèn)的推移如何動(dòng)態(tài)變化。因此，VRML是以節(jié)點(diǎn)和事件路由為基本組成要素，來(lái)描述三維對(duì)象和交互行為，經(jīng)過(guò)瀏覽器解釋執(zhí)行后，用戶就可感受到一個(gè)有聲有色的虛擬世界。
VRML虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言用來(lái)創(chuàng)建逼真的三維虛擬場(chǎng)景 。它改變 了網(wǎng)絡(luò)上2D畫面的狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)畫效果 ，特別是改變了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)與用戶交互的局限性，使得人機(jī)交互更加方便與靈活，使虛擬世界的真實(shí)性 、交互性 和 動(dòng)態(tài)性得到了更充分的體現(xiàn)。在VRML建立的虛擬場(chǎng)景中，用戶可以直接與場(chǎng)景中的事物交互，產(chǎn)生身臨其境的效果 ，從而使人在虛擬場(chǎng)景中得到與自然世界同樣的感受。
2 虛擬農(nóng)田場(chǎng)景的設(shè)計(jì)
2．1 建立虛擬場(chǎng)景應(yīng)用背景
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景設(shè)計(jì)是利用人造景觀和自然景觀相結(jié)合，為檢測(cè)農(nóng)機(jī)作業(yè)機(jī)組在農(nóng) 田中的工作性能、減小能耗、提高功效以及檢測(cè)關(guān)鍵部件的工作性能提供一個(gè)實(shí)用的軟件開(kāi)發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)。例如 ，通過(guò)與虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景的交互，就可以不受季節(jié)限制，完成對(duì)收獲機(jī)割臺(tái)工作性能的測(cè)試，掌握其動(dòng)力消耗、損失率和傳動(dòng)配合等情況，進(jìn)而測(cè)試整機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)針對(duì)農(nóng) 田路況 、農(nóng)作物布局和行走作業(yè)機(jī)組進(jìn)行虛擬仿真，創(chuàng)造出逼真的三維立體場(chǎng)景 。
2．2 虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景設(shè)計(jì)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使虛擬農(nóng)田場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景融合，從而創(chuàng)建出逼真的三維立體農(nóng)田場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景包括玉米地、土地、人行道和行走車輛等。在虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田中，可以體驗(yàn)虛擬世界給人們帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)無(wú)法比擬的感受。
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景軟件設(shè)計(jì)，是利用先進(jìn)的漸進(jìn)式軟件開(kāi)發(fā)模式對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景進(jìn)行需求分析、設(shè)計(jì)和編碼 ，包括路面設(shè)計(jì) 、人行道設(shè)計(jì) 、作物設(shè)計(jì)和車輛設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)采用模塊化和組建化設(shè)計(jì)思想，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)層次清晰、結(jié)構(gòu)合理的虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景。虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)如圖 1所示。
2．3 農(nóng)田三維源數(shù)據(jù)獲取
農(nóng)田三維源數(shù)據(jù)多種多樣，主要有地形圖、專題地圖、衛(wèi)星影像、航空相片和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)文件以及相應(yīng)的海量屬性數(shù)據(jù)等，包含等高線、高程點(diǎn)、溝渠、田間道路 、田埂、植被類型、農(nóng)作物等圖層或數(shù)據(jù)類型。不同格式的源數(shù)據(jù)的采集獲取方式也不同，主要包括全野外數(shù)字測(cè)圖、地形圖數(shù)字化和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等。
2．3．1 農(nóng)田三維地理對(duì)象建立
對(duì)于大范圍農(nóng) 田地形數(shù)據(jù)，采用內(nèi)聯(lián) VRML文件，將整個(gè)復(fù)雜的地形分為幾個(gè)部分，每一部分用一個(gè)相應(yīng)的 VRML文件創(chuàng)建，最后用 Inline節(jié)點(diǎn)將這幾部分的VRML文件集合到一個(gè) VRML文件中，得到整個(gè)地形模型。對(duì)于田埂、溝坡、田邊樹木和溝渠等農(nóng)田設(shè)施，需要單獨(dú)三維建模。建模時(shí)，將其分為點(diǎn)、線狀地物和面狀地物，以便分別建模描述表達(dá)。可以選用 Auto CAD，3DS MAX，ISB(Intemet Space Builder)等作為三維模型的開(kāi)發(fā)工具，然后通過(guò)文件轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成．wrl文件。為營(yíng)造出真實(shí)農(nóng)田環(huán)境的氛圍，在戶外用數(shù)碼相機(jī)采集農(nóng)作物真實(shí)紋理，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚玫嚼硐氲牟馁|(zhì)圖片。
采用 VrmlPad編輯器來(lái)對(duì) VRML文件編輯。Vrm1．Pad編輯器在編寫 VRML文件時(shí)，除具有一般 的文本編輯功能外，還可以提示選擇 VRML語(yǔ)言的關(guān)鍵字，而且用戶定義的節(jié)點(diǎn)名和事件名等會(huì) 自動(dòng)地動(dòng)態(tài)加入關(guān)鍵字庫(kù) 中，參與提示選擇，編程人員無(wú)需記憶VRML眾多的關(guān)鍵字。VrmlPad編輯器支持打開(kāi)文件時(shí)的預(yù)覽，支持對(duì)節(jié)點(diǎn)效果的預(yù)覽和整體場(chǎng)景預(yù)覽。通過(guò)對(duì) VrmlPad編輯器中瀏覽器控制按鈕的選擇 ，用戶可以從不同角度觀看場(chǎng)景。
2．3．3 交互式場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)
VRML場(chǎng)景沒(méi)有地面屬性，行進(jìn)中的拖拉機(jī)難以感知當(dāng)前路面狀況，如土壤的堅(jiān)實(shí)度 、空隙率、密度和土壤應(yīng)力等，給虛擬試驗(yàn) 帶來(lái) 了諸 多不便。根據(jù)VRML的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和 Script編程技術(shù)，在場(chǎng)景開(kāi)發(fā)中進(jìn)行了場(chǎng)景地面信息的列表，給出了不同地面坐標(biāo)下的地面屬性(主要包括路面介質(zhì)參數(shù)或坡度等)。場(chǎng)景運(yùn)行 中，通過(guò)編程節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前車輛坐標(biāo)，并調(diào)用地面信息列表，將地面屬性反饋給仿真模型，以實(shí)時(shí)調(diào)整仿真參數(shù)和運(yùn)行姿態(tài)。
2．3．4 虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng) 田場(chǎng)景源程序
虛擬現(xiàn)實(shí)農(nóng)田場(chǎng)景設(shè)計(jì)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中的基本幾何節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，包括背景節(jié)點(diǎn)、視角節(jié)點(diǎn)、節(jié)坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)、內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)、組節(jié)點(diǎn) 、重定義節(jié)點(diǎn)、重用節(jié)點(diǎn)、面節(jié)點(diǎn)、時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)、動(dòng)態(tài)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、事件和路 由等，并利用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)子程序調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)模塊化和組件化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)利用動(dòng)態(tài)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)行駛的車輛景更加逼真、生動(dòng)和鮮活。
在建立農(nóng) 田虛擬場(chǎng)景時(shí)，要求無(wú)論場(chǎng)景怎么移動(dòng)，農(nóng)作物始終面向?yàn)g覽者，所以在建立農(nóng)作物場(chǎng)景時(shí)引用了布告牌節(jié)點(diǎn) (Billboard)。在 Billboard節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)對(duì)域值 axisOfRotation的設(shè)定，使 Billboard自動(dòng)地以其局部坐標(biāo)系的z軸圍繞旋轉(zhuǎn)，從而保證布告牌造型始終面向?yàn)g覽者。通過(guò)引用坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)(transform)，可以完成對(duì)多個(gè)農(nóng)作物的導(dǎo)人。利用改變?cè)摴?jié)點(diǎn)中 translation的值以及引用 inline節(jié)點(diǎn)，可逐個(gè)導(dǎo)入農(nóng)作物，從而構(gòu)建整個(gè)農(nóng)田場(chǎng)景。構(gòu)建農(nóng) 田場(chǎng)景的程序代碼由于篇幅所限從略。用 VRML語(yǔ)言設(shè)計(jì)的虛擬農(nóng)田場(chǎng)景如圖2所示。
參考文獻(xiàn)：
[1] 周鵬．潛土逆轉(zhuǎn)旋耕刀的重構(gòu)及拋土虛擬試驗(yàn)[D]．鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007：1—17．
[2] 楊國(guó)治．虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā) [D]．上海 ：同濟(jì)大學(xué)，2005：12—23．
[3] 陸林．基于ADAMS的油菜收割機(jī)清選裝置仿真與試驗(yàn)研究[D]．鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005．
[4] 郭天太．基于VR的虛擬測(cè)試技術(shù)及 其應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2005．
[5] 喬彬，李尚萍．甘蔗收獲機(jī)械智能收獲系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的研究 [J]．機(jī)械制造，2007，45(3)：4—6．
[6] 趙明．VRML在電傳動(dòng)裝甲車輛虛擬試驗(yàn)中的應(yīng)用[J]裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(2)：85—88．
[7] 張文春，張濤．基于 VRML的道路三維虛 擬景觀構(gòu)建[J]．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24(2)：22—24．
關(guān)鍵詞 載荷傳感器、有限元、疲勞壽命
1引言
疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在各種機(jī)械斷裂事故中，大約有50%～90%是由疲勞失效引起的。
FEM被英國(guó)人納入其標(biāo)準(zhǔn)，作為結(jié)構(gòu)應(yīng)力疲勞分析的有效方法，文獻(xiàn)表明，F(xiàn)EM已經(jīng)成為一種在疲勞特性分析方面非常有價(jià)值的工具。1998年8月，謝菲德?tīng)柎髮W(xué)的X.B.Lin和R.A.Smith提出了一種精確的基于有限元的疲勞壽命計(jì)算方法，2001年6月馬里博爾大學(xué)S.Glodez和J.Kramberger利用有限元進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展模擬。目前FEM主要在一些比較大的企業(yè)被應(yīng)用，如航天公司、汽車制造公司等均采用了該技術(shù)，并擁有許多成功案例。
載荷傳感器是一種用于測(cè)試抽油機(jī)光桿載荷與位移的儀器，通過(guò)分析其測(cè)試數(shù)據(jù)可以判斷井下設(shè)備故障和產(chǎn)液量計(jì)算等，是油田廣泛采用的測(cè)試儀器之一。該儀器被安裝在抽油機(jī)的懸繩器上，采用應(yīng)變片測(cè)量載荷，加速度傳感器測(cè)量位移。由于該儀器受交變應(yīng)力作用，且24小時(shí)不停地工作，因此有必要計(jì)算其疲勞壽命。
2分析策略與關(guān)鍵問(wèn)題
如圖1所示，本文的分析策略是：先通過(guò)有限元分析獲得單位載荷下載荷傳感器的應(yīng)力分布，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成疲勞分析軟件所需要的載荷時(shí)間歷程，采用準(zhǔn)靜態(tài)法將應(yīng)力與載荷時(shí)間歷程在MSC.FATIGUE中關(guān)聯(lián)后獲得應(yīng)力時(shí)間歷程，最后根據(jù)名義應(yīng)力法計(jì)算出疲勞壽命。本文的關(guān)鍵技術(shù)是獲取應(yīng)力與時(shí)間歷程和疲勞分析所需要的載荷譜。
3應(yīng)力與時(shí)間歷程的獲取
（1）危險(xiǎn)構(gòu)件及應(yīng)力分布
載荷傳感器工作時(shí)，其U型口卡在光桿上，彈性體上端面和儀器下端面固定在懸繩器上，單個(gè)彈性體工作載荷一般不超過(guò)47KN。本文采用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，彈性體載荷為1KN，由于載荷傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，由兩個(gè)彈性體承載，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，本文采用對(duì)稱建模，計(jì)算時(shí)在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。雖然最大應(yīng)力發(fā)生在彈性體上，但殼體材料（ZL101）的許用應(yīng)力和疲勞極限強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于彈性體的材料（50CrVA），因此，本文將殼體視為危險(xiǎn)構(gòu)件，主要計(jì)算殼體的疲勞壽命。
（2）疲勞分析所需載荷譜
5疲勞壽命計(jì)算
最后根據(jù)上述所得數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到MSC.FATIGUE中，計(jì)算得出載荷傳感器的疲勞極限分布圖，計(jì)算結(jié)果表明殼體在一個(gè)周期載荷作用下至少可以承受2.175×106次循環(huán)加載，滿足設(shè)計(jì)要求。
6結(jié)論
本文采用有限元分析軟件Ansys計(jì)算出載荷傳感器在單位載荷作用下的應(yīng)力分布，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得數(shù)據(jù)，利用MSC.FATIGUE中PTIME編輯器獲取載荷譜，最后計(jì)算出載荷傳感器的疲勞壽命，為工程應(yīng)用提供借鑒。
參考文獻(xiàn)：
論文摘要： 在分析專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出半實(shí)物仿真對(duì)仿真計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的需求，并且介紹相關(guān)技術(shù)的新進(jìn)展。實(shí)踐證明仿真工作站和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)方案是完全可以滿足仿真發(fā)展需求的。
作為信息技術(shù)核心的計(jì)算機(jī)技術(shù)自其誕生之日起經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，以廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中。而作為計(jì)算機(jī)技術(shù)重要組成部分的計(jì)算機(jī)三維視景仿真技術(shù)，因其有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、直觀性等特點(diǎn)而受到廣泛的應(yīng)用。它是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種仿真應(yīng)用技術(shù)。
據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料表明，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的實(shí)用技術(shù)之一，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，Virtual Reality）是計(jì)算機(jī)世界最熱門的一個(gè)詞匯。視景仿真技術(shù)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的重要分支，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理與生成技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息合成技術(shù)、顯示技術(shù)等諸多高新技術(shù)的綜合運(yùn)用。
1 專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)
1.1 仿真計(jì)算機(jī)的用途和發(fā)展
圍繞著對(duì)仿真計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、內(nèi)存容量、接口等基本特性要求，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中先后采用了模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)模混合計(jì)算機(jī)、專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)等類型的仿真計(jì)算機(jī)。尤其是以AD100及國(guó)產(chǎn)YF-2為代表的專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)在國(guó)內(nèi)、外的一些制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
1.2 專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
以AD100及國(guó)產(chǎn)YF-2為代表的專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)有：
① 采用異構(gòu)同步并行多處理機(jī)、廣播式數(shù)據(jù)總線方案解決了計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量問(wèn)題；② 設(shè)計(jì)專用仿真語(yǔ)言，該語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、編程方便，而且還集成了常用的數(shù)值積分算法模塊，方便使用，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)精確仿真計(jì)算幀時(shí)的定時(shí)；③ 提供高速A/D、D/A接口，開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口及數(shù)字量（DPM）等接口形式，實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)同仿真系統(tǒng)的連接。
1.3 專用仿真計(jì)算機(jī)存在的不足
① 數(shù)字接口能力不足：該型仿真計(jì)算機(jī)雖然提供了較全面的接口形式，但主要還是以模擬量接口為主，數(shù)字接口僅能適用幾種非主流總線形式（Q-bus等），而且在傳輸距離、傳輸速度等方面性能不佳，數(shù)字接口能力不足；② 維護(hù)性不方便：這類專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)采用專用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，與通用計(jì)算機(jī)有著較大的差別，硬件維護(hù)和軟件管理需要配置專人，而且出現(xiàn)故障不象通用計(jì)算機(jī)那樣容易替換，易影響試驗(yàn)進(jìn)度。從人力資源配置和快速維護(hù)性上看有不足之處。
1.4 仿真計(jì)算機(jī)的新要求
隨著仿真系統(tǒng)間的信息交換已開(kāi)始轉(zhuǎn)入以數(shù)字信號(hào)為主，專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)在數(shù)字接口方面能力的不足就顯示出來(lái)了。仿真設(shè)備控制、管理使用的計(jì)算機(jī)都是通用型的微機(jī)（含工控機(jī)），應(yīng)用廣泛且有著豐富的應(yīng)用軟件和接口形式，各種高速數(shù)字接口各具特色。因此系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是迫切需要找到一個(gè)仿真計(jì)算機(jī)的新方案，既能保持專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)又能滿足高速實(shí)時(shí)數(shù)字接口的需求。這個(gè)需求就是對(duì)航空制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)中仿真計(jì)算機(jī)的新要求。
2 仿真計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新發(fā)展
2.1 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
高速數(shù)字接口的形式雖然很多，但在仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用還要考慮到系統(tǒng)中信息的共用性，即多個(gè)設(shè)備共用某些信息。如對(duì)目標(biāo)信息來(lái)說(shuō)，目標(biāo)特征信號(hào)生成裝置、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)仿真器、數(shù)據(jù)鏈傳輸仿真設(shè)備都要用。這是因?yàn)橄到y(tǒng)本身復(fù)雜，信息交換多和相應(yīng)仿真系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模大，耦合多。
考慮到仿真系統(tǒng)信息共用性特點(diǎn)，那些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接口形式不易采用，而網(wǎng)絡(luò)式、廣播式的接口形式更容易滿足要求。同時(shí)半實(shí)物仿真系統(tǒng)信息交換還要求各信息節(jié)點(diǎn)的信息要同步更新，換句話說(shuō)，就是信息傳輸延遲要小。
經(jīng)過(guò)綜合比較分析，光纖反射內(nèi)存影射式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)（RT-net）比較符合半實(shí)物仿真系統(tǒng)的技術(shù)要求。它們的共同特點(diǎn)是利用映射式的信息傳送方法，某一節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容自動(dòng)映射到所有節(jié)點(diǎn)， 這種映射是由硬件完成的，系統(tǒng)延遲小。高速、延遲小和信息更新同步的特點(diǎn)適合仿真的需要。這種網(wǎng)絡(luò)一般有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是環(huán)行網(wǎng)，另一種是通過(guò)實(shí)時(shí)HUB連接的星型網(wǎng)。
理論上，HUB結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間沒(méi)有延遲，能做到信息同步更新。而且一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障只影響本節(jié)點(diǎn)，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這一特性對(duì)進(jìn)行系統(tǒng)局部聯(lián)試時(shí)非常有用，不必所有設(shè)備均開(kāi)機(jī)。
RTnet的運(yùn)行機(jī)制很簡(jiǎn)單，分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，每臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)上插一塊 RTnet卡，卡上有雙端口讀寫內(nèi)存，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軟件可以讀寫這些內(nèi)存，當(dāng)數(shù)據(jù)被寫入一臺(tái)機(jī)器的內(nèi)存中后，RTnet卡自動(dòng)地通過(guò)光纖傳輸?shù)狡渌B在網(wǎng)絡(luò)上的 RTnet卡的內(nèi)存里，通常只需幾百納秒的時(shí)間延遲，所有RTnet卡上的內(nèi)存將寫入同樣的內(nèi)容。各成員在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，只要訪問(wèn)本地的RTnet卡內(nèi)存即可。
RTnet適應(yīng)的計(jì)算機(jī)總線形式一般都有PCI、MultiBus、VME等，在常用的操作系統(tǒng)，如DOS、WindowsXP、Windows2000環(huán)境下都可正常工作。
2.2 綜合應(yīng)用
仿真工作站替代專用數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)本身難度不大，二者的軟件內(nèi)核基本一致，經(jīng)過(guò)軟件移植，幾乎所有先前做過(guò)的工作都可以繼承下來(lái)。仿真系統(tǒng)集成的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中的配置和二次應(yīng)用開(kāi)發(fā)。有這樣幾方面的工作要做：
① 仿真工作站同實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的接口檢查：雖然仿真工作站是基于通用工作站基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，但這種通用工作站與通用微機(jī)之間還會(huì)有些微小的差別。② 各仿真設(shè)備控制計(jì)算機(jī)的適應(yīng)性修改：仿真設(shè)備功能各異，研制情況不同，其控制計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)不統(tǒng)一，有DOS、WindowsXP、Windows2000等版本，因此相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)板卡等不相同。為了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，簡(jiǎn)化應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，有必要對(duì)能夠升級(jí)的設(shè)備控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一配置，還要對(duì)相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)卡、驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行更改。③ 共享內(nèi)存分配表的建立：由于是共享內(nèi)存機(jī)制，所以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址的統(tǒng)一分配，明確各個(gè)信息的讀寫地址。對(duì)系統(tǒng)中注冊(cè)信息、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)標(biāo)志、同步時(shí)鐘等信息使用的地址也要進(jìn)行規(guī)定。
總之，隨著分布式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、虛擬樣機(jī)分布仿真系統(tǒng)的廣泛開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做為一種快速的信息交換手段會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：立體視覺(jué)；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；adams
一、引言
隨著信息、處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)器能夠僅僅獲取以一些平面的二維視覺(jué)信息越來(lái)越不滿意，人們?cè)O(shè)想借助計(jì)算機(jī)的技術(shù)，能使機(jī)器人真正能“看到”精彩的三維世界。計(jì)算機(jī)技術(shù)、視覺(jué)傳感器技術(shù)、攝像技術(shù)以及立體視覺(jué)理論的發(fā)展，利用視覺(jué)傳感器來(lái)獲取環(huán)境圖像，并用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺(jué)信息的處理，從而形成立體視覺(jué)，逐漸使這一設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)[1-4]。本文采用了目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)最常用的虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于3d數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)ug，采用赫爾姆霍茨模型作為參考設(shè)計(jì)了一種新型的具有三自由度的雙目立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，如圖1所示。
二、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)空間范圍
運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是為了驗(yàn)證立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力模型建模的合理性，檢查運(yùn)動(dòng)自由度范圍是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)中要求的“眼睛”左右偏航運(yùn)動(dòng)空間范圍（±60o）、“頭部”俯仰運(yùn)動(dòng)空間范圍（±45o）。同時(shí)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，還可以檢查視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力模型各個(gè)部件的之間有沒(méi)有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)碰撞干涉。本文采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件adams對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析[5]。
經(jīng)過(guò)運(yùn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得知各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)空間范圍如下：
（一）左偏航極限±60度、右偏航極限±60度、俯仰極限±45度位置，如圖2所示
（三）沒(méi)有發(fā)生偏航運(yùn)動(dòng)，仰視極限負(fù)45度位置，如圖4所示
偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)范圍曲線圖如圖5，圖6，圖7所示。從上面各個(gè)極限位置、偏航和俯仰運(yùn)動(dòng)各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)空間范圍曲線圖可以觀察到部件之間沒(méi)有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)碰撞干涉現(xiàn)象，各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)空間范圍達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，從仿真結(jié)果也可以看出本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間范圍廣，驗(yàn)證了本視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了運(yùn)動(dòng)功能的要求，說(shuō)明本立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，這為一般機(jī)器人立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)用的改進(jìn)和參考依據(jù)。
三、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入扭矩分析
要驗(yàn)證選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入扭矩是否夠，那么要測(cè)量俯仰電機(jī)和偏航電機(jī)的扭矩。在立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，電機(jī)主要是要克服轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)頭和攝像機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動(dòng)部件的負(fù)載扭矩在adams中通過(guò)測(cè)量扭矩的方式測(cè)量出來(lái)，如下圖8，圖9分別是偏航電機(jī)和俯仰電機(jī)的負(fù)載扭矩。
通過(guò)圖8和圖9，可以知道偏航和俯仰電機(jī)的負(fù)載是時(shí)間連續(xù)曲線。當(dāng)偏航或俯仰運(yùn)動(dòng)到極限點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要進(jìn)行變向運(yùn)行，負(fù)載扭矩的方向也發(fā)生變化而出現(xiàn)突變拐點(diǎn)，拐點(diǎn)的值便是負(fù)載扭矩最大值，可以得知選擇的電機(jī)的扭矩是足夠的。仿真結(jié)果對(duì)雙目立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評(píng)價(jià)手段。
四、結(jié)論
仿真的結(jié)果驗(yàn)證了視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的俯仰和左右偏航自由度的運(yùn)動(dòng)空間范圍符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間范圍廣，驗(yàn)證了本視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)達(dá)到了運(yùn)動(dòng)功能的要求，說(shuō)明本立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，這為一般機(jī)器人立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)用的改進(jìn)和參考依據(jù)。
并通過(guò)仿真求解出俯仰電機(jī)和左右偏航電機(jī)的負(fù)載扭矩曲線，仿真結(jié)果對(duì)雙目立體視覺(jué)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制系統(tǒng)的性能定性分析提供了一種評(píng)價(jià)手段。
參考文獻(xiàn)：
[1]唐新星.具有立體視覺(jué)的工程機(jī)器人自主作業(yè)控制技術(shù)研究[j].吉林大學(xué)博士論文,2007,(12):10-11.
[2]賈云得.機(jī)器視覺(jué)[m].北京:科學(xué)出版社,2000,(4):1-10.
[3]朱正德.零部件表面缺陷的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模[j].mc現(xiàn)代零部件,2005,(9):68.
【關(guān)鍵詞】PLC；立體車庫(kù)；控制系統(tǒng)
1.引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展和城市建設(shè)工作的不斷進(jìn)行，在許多城市，交通擁堵和停車難已經(jīng)成了影響城市發(fā)展的重要因素，利用路邊停車和傳統(tǒng)的自走式停車方式己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)城市發(fā)展的要求。隨著我國(guó)汽車工業(yè)以及房地產(chǎn)行業(yè)的訊速發(fā)展和轎車數(shù)量的迅速上升，我國(guó)立體停車行業(yè)發(fā)展迅速。立體停車是解決許多城市出現(xiàn)的停車難問(wèn)題的有效方法。機(jī)械式立體車庫(kù)是指用立體化的方式，利用機(jī)構(gòu)完成車輛存取的停車設(shè)施。也就是用機(jī)械停車設(shè)備將汽車存放到立體化的停車位或從停車位取出的停車設(shè)施。機(jī)械式立體車庫(kù)是近期順應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，根據(jù)市場(chǎng)需求，在其迫切影響下應(yīng)運(yùn)而生的一種新型停車系統(tǒng)，它綜合運(yùn)用了機(jī)械、控制、液壓以及光學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，屬于技術(shù)密集型設(shè)備[1]。
本文主要以五車位升降橫移式立體車庫(kù)為研究對(duì)象，介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理及監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成。
2.立體車庫(kù)的組成及原理
升降橫移式立體車庫(kù)指利用載車板的升降或橫向平移存取停放車輛的一種機(jī)械式停車設(shè)備。主要由結(jié)構(gòu)框架部分、載車板部分、橫移系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)六大部分組成。這種立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：底層只能平移，頂層只能升降，中間層既可平移又可升降。除頂層外，中間層和底層都必須預(yù)留一個(gè)空車位，供進(jìn)出車升降之用。當(dāng)?shù)讓榆囄贿M(jìn)出車時(shí)，無(wú)需移動(dòng)其他托盤就可直接進(jìn)出車；中間層、頂層進(jìn)出車時(shí)，先要判斷其對(duì)應(yīng)的下方位置是否為空，不為空時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)的平移處理，直到下方為空才可進(jìn)行下降動(dòng)作，進(jìn)出車完成后再上升回到原位置。其運(yùn)動(dòng)的總原則是：升降復(fù)位，平移不復(fù)位。
本設(shè)計(jì)為五車位停車庫(kù)，系統(tǒng)由一臺(tái)PLC對(duì)車庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和監(jiān)控，通過(guò)PLC控制載車板縱橫傳動(dòng)裝置以完成對(duì)車輛的存取操作。各車位內(nèi)車輛的調(diào)入調(diào)出由PLC根據(jù)當(dāng)前各車位的車輛存放情況，按照相應(yīng)的調(diào)度策略調(diào)度車輛進(jìn)出。其工作方式為：二層三個(gè)車位可以升降，一層的兩個(gè)車位只能橫向橫移，二層車位要想升降則必須讓其下側(cè)車移走，進(jìn)而橫移出空位，將載車板升或降到地面層。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。
3.系統(tǒng)硬件單元設(shè)計(jì)
3.1 電氣系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)
PLC接線設(shè)計(jì)：在升降橫移式立體停車庫(kù)中，控制系統(tǒng)中主控單元的主要控制對(duì)象首先是車庫(kù)內(nèi)的橫移電機(jī)和升降電機(jī)，控制系統(tǒng)就是使它們?cè)诓煌臅r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；其次是車庫(kù)內(nèi)的各種輔助裝置，如指示燈及其各種安全設(shè)施等。為了保證載車板能橫移到預(yù)定位置以及載車板能上升或下降到指定位置，采用了行程開(kāi)關(guān)。為了判斷載車板上有無(wú)車輛，采用了光電開(kāi)關(guān)。同時(shí)在車庫(kù)中還采用了一些傳感器如煙溫傳感器以及安全預(yù)警裝置。
電機(jī)控制及接線設(shè)計(jì)：在存取車時(shí)車位的升降不能同時(shí)進(jìn)行，車位的升降和橫移也不能同時(shí)進(jìn)行，這兩個(gè)動(dòng)作必須是互鎖的，即當(dāng)上層車位在升降時(shí)，地面層車位不能移動(dòng)，反之亦然，并且上層車位每次只能有一個(gè)車位進(jìn)行上下升降運(yùn)動(dòng)。這些在程序中可采用聯(lián)鎖和互鎖的方法來(lái)解決。
3.2 PLC型號(hào)的選擇
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行需求分析，確定PLC的輸入輸出點(diǎn)。本系統(tǒng)共計(jì)26個(gè)輸入，18個(gè)輸出，系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列的CPU226（加擴(kuò)展模塊）。CPU226共有24個(gè)輸入，16個(gè)輸出，擴(kuò)展模塊選擇為EM223，它有16個(gè)輸入，16個(gè)輸出。該選擇能夠滿足系統(tǒng)要求。系統(tǒng)I/O分配表見(jiàn)表1、2所示。
4.系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)
主程序設(shè)計(jì)參考程序見(jiàn)圖2所示。
5.組態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)
5.1 MCGS簡(jiǎn)介
組態(tài)軟件是在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域興起的一種新型的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。開(kāi)發(fā)人員不需要編制具體的指令和代碼，只要利用組態(tài)軟件包中的工具，通過(guò)硬件組態(tài)（硬件配置）、數(shù)據(jù)組態(tài)、圖形圖像組態(tài)等工作即可完成所需應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作。MCGS（Monitor and Control Generated System通用監(jiān)控系統(tǒng)），是一套用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺(tái)上）運(yùn)行，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案[2]。
5.2 系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)
本文采用通用版MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了該控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面。系統(tǒng)運(yùn)行畫面如圖3所示。
6.結(jié)束語(yǔ)
本控制系統(tǒng)以PLC為核心，實(shí)現(xiàn)了兩層五車位立體車庫(kù)的自動(dòng)控制，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了車庫(kù)的智能化管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作安全可靠，操作方便。本文的研究對(duì)PLC在計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及利用MCGS實(shí)現(xiàn)工業(yè)工程實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高工業(yè)的自動(dòng)化水平，都具有很重要的實(shí)踐意義[3]。
參考文獻(xiàn)
[1]劉延利.后懸臂升降橫移式立體車庫(kù)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012（9）：1-10.
[2]北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司.全中文工控組態(tài)軟件MCGS用戶指南[M].北京：MCGS公司，2003.
