砂带磨床仿真及其实现.pdf

基金项目:国家自然科学基金资助(50005009)收稿日期:2003-06-06 第20卷 第11期计 算 机 仿 真2003年11月 文章编号:1006-9348(2003)11-0106-04砂带磨床仿真及其实现李仁旺1,祁国宁2(1.浙江工程学院机械与自动控制学院,浙江 杭州,310033;2.浙江大学机械系,浙江 杭州,310027)摘要:在砂带磨床的开发与销售过程中,存在设计更改单过多,以及仅靠文字和图片的描述不足以满足让买家深入了解产品的性能、外形及其运作情况。为此,在分析砂带磨床组成及其模块划分等基础之上,探讨了实现砂带磨床仿真中的参考机架、坐标系以及自由度问题;然后,以Visual Basic 5.0、Pro/Engineer和3DS MAX为工具开发了砂带磨床仿真原型系统,基于砂带磨床仿真实例演示操作流程,论述了砂带磨床仿真动画制作中的几个问题,并给出了应用示例。砂带磨床仿真将有力地帮助解决当前在其开发和销售过程中存在的许多问题。关键词:砂带磨床;仿真;模块划分中图分类号:TH166 文献标识码:A1 前言自从人类进入文明时代以来,仿真技术大致历经了三个发展阶段:早期机械物理仿真阶段、19世纪的电子物理仿真阶段和20世纪80年代以来全数字化计算机仿真阶段。目前,计算机仿真技术已得到长足发展,随着仿真硬软件性能水平的提高,其应用领域也越来越广。尤其是在国外,计算机仿真技术已经渗透到许多行业,且在其中起到关键性作用。然而就砂带磨床而言,由于砂带磨削是近几十年才兴起的一种加工技术,虽然在现代工业中已被当作是与砂轮磨削同等重要的一种不可缺少的加工方法,但是迄今针对砂带磨床仿真的研究尚是少见。尤其是,时下随着电子商务和计算机网络的迅速发展,网络购物、交易已经成为盛行的潮流。因而,无论是从有利于销售的角度,还是有利于开发的角度,砂带磨床仿真都对当前的砂带磨床生产厂家具有极其重要的实际意义和紧迫性。图1 砂带磨床的总体模块划分2 砂带磨床结构分析2.1 砂带磨床的组成及其模块划分根据模块划分原理,砂带磨床可以进行如图1图6所示的模块划分。2.2 砂带磨床的参考机架在计算一个系统及其构件的速度和加速度时,需要指定参考机架,作为速度和加速度的参考坐标系。在砂带图2 砂带磨床驱动机械模块组成磨床的运动分析过程中,有两种类型的参考机架:地面参考机架和构件参考机架。地面参考机架是一个单独的牛顿惯性参考系,它固定在一个“绝对静止”的空间中;在基于地面参考机架建立的砂带磨床“绝对静止”参考体系中,其上任何一点的速度和加速度均为零。对于大多数问题,可以将地球视为牛顿参考机架。图3 砂带磨床的装夹机构模块组成对 于 每 一个刚性体都有一个参考机架,称为构件参考机架;刚性体上的各点相对于该构件参考机架 是 静 止 的。因此,在本文中的刚性体和参图4 砂带磨床的磨削机构模块组成考机架意义相同。2.3 砂带磨床的坐标系砂带磨床的坐标系广泛采用直角坐标系,它由1个原点和3个相互垂直的单位坐标矢量组成,常用的笛卡儿坐标系就是一个采用右手规则的直角坐标系。坐标系可以固定在一个参考机架上,也可以相对于参考601图5 砂带磨床的压磨机构模块组成机架而运动。合理地设置坐标系可以简化砂带磨床的运动分析。在砂带磨床运动分析过程中,经常使用图7中3种坐标系,即:1)地面坐标系。地面坐标系又称为静坐标系,是固定在地面机架上的坐标图6 砂带磨床的箱体模块组成系。2)构件机架坐标系。构件机架实际上是一个坐标系,这个坐标系固定在构件上随构件运动。可以通过确定构件机架坐标系在图7 坐标系的不同层次地面坐标系中位置和方向来确定一个构件的位置和方向;在软件中,构件机架坐标系是构造各种不同构件的参照坐标系;在工程中,可以将构件机架坐标系视为绘图板坐标系,工程师在此坐标系下绘制零件或构件。在本文中砂带磨床运动分析中,所有构件的位置、方向和速度都用构件机架坐标系表示。3)标记坐标系。标记坐标系又称为标记,是为了简化建模和分析而在构件上设立的辅助坐标系,通常有两种类型的标记坐标系:固定标记和浮动标记。2.4 砂带磨床的自由度砂带磨床的自由度表示砂带磨床中各结构相对于地面机架所具有的独立运动数量。砂带磨床的自由度与其构件数量,运动副的类型和数量,原动机的类型和数量,以及其他约束条件有关。砂带磨床的自由度数F可以用下式计算:F=6n-mi=1pi-Xj=1qj-Rk(1)式中,n 活动构件总数;pi 第i个运动副的约束条件数;m 运动副总数;qj 第j个原动机的驱动约束条件数;x 原动机总数;Rk 其他的约束条件数。这里,1)当F0,且qj=0时,砂带磨床蜕变为刚性系统,构件之间没有相对运动;2)当F 0,表示在一个刚性砂带磨床中设置有原动机,此时原动机将无法运动,或者砂带磨床将在薄弱处遭到破坏;3)当F=0,且qj0时,砂带磨床具有确定的运动;4)当F 0时,砂带磨床没有确定的相对运动,此时砂带磨床在阻力约束条件下,按牛顿定律,向阻力最小的方向运动。3 砂带磨床仿真实现3.1 两个主要窗口介绍这是附在一个大系统上的一个模块,该模块主窗口及其仿真窗口,分别如图8、图9。图8 仿真主窗口图9 仿真工作窗口3.2 实例演示砂带磨床实例演示操作流程,如图10所示。其中,“启动系统”,指运行附有该模块的系统并打开该模块;“选择需仿真的产品”,指选择拟仿真的对象(砂带磨床或自行车等);“选择仿真方式”,指整机仿真或组件仿真;“选择视角”,指选择仿真对象的视角,如图11、图12;“选择机构”,指选择需仿真的产品局部,如图13。这里,对动画制作予以简要说明。以3DS MAX为例:701图10 砂带磨床实例演示操作流程图图11 砂带磨床前视图仿真图12 砂带磨床后视图仿真图13 装夹机构仿真1)单击“Graph Edi2tors”菜 单 上 的“T rackViews”命令打开“T rackView”(轨迹窗)编辑对话框,并展开“Objects”层级菜单,这时会显示与各对象相对应的各个关键帧以及轨迹,如图14。2)通常当实体运动路径不规则或者运动中涉及到局部变形时,就要用到运动路径。实现这个功能,一般要经过三个步骤:创建一条曲线作为路径;给物体赋予一个路径控制器;把路径控制器指向曲线。以砂带磨床的砂带制作为例,其流程如图15所示。图14 砂带磨床仿真动画轨迹窗图15 砂带磨床的砂带制作流程801图16 视屏合成编辑3)在上述1)、2)之后,就可以进行视频合成编辑,并在视频合成编辑器(Video Post)中完成视频文件的输出,如图16所示。4 总结本文在从仿真角度分析了砂带磨床结构及其模块划分等基础之上,论述了实现砂带磨床仿真中的几个问题,并开发了砂带磨床仿真原型系统。通过系统的实际应用可知,该系统能够通过其模块化等思想,帮助设计人员更好地利用以前的各种设计知识、经验以及企业现有资源等,并方便设计人员随时了解自己设计的可装配性、安全性等,从而提高设计人员的设计速度、质量,降低开发成本等;同时,也有利于销售人员通过系统演示,方便地让客户了解各种类型砂带磨床的性能、外形及其运作情况等。当然,如果要最大限度地发挥该系统的作用,则该系统数据库、部分功能模块等还有待完善。此外目前针对砂带磨床仿真的研究很少,希望本文能够对该方面的研究起到抛砖引玉作用。参考文献:1 金小刚,鲍虎军,彭群生.计算机动画技术综述J.软件学报,1997,8(4):241-251.2 周荃.实时仿真系统可视化技术的研究与应用D.长沙:国防科技大学,1997.3 李仁旺.制造系统信息集成研究D.武汉:华中科技大学博士后出站报告,2001.4 祁国宁,顾新建,李仁旺.大批量定制及其模型的研究J.计算机集成制造系统-CIMS,2000,6(2):41-45.5 黄云,朱派龙 编著.砂带磨削原理及其应用M.重庆大学出版社,1993-6.作者简介李仁旺(1971.3),男(汉族),湖南人,博士/博士后,工业工程系系主任,教授,主要研究方向为:CAD、先进制造技术、产品建模技术和企业建模技术等;祁国宁(1949.9),男(汉族),浙江人,博士,现任国家十五863计划先进制造与自动化技术领域专家委员会成员,教授,主要研究方向为:CIMS方法论、先进制造技术、产品建模技术等。Study on the Belt-grinding Machine Simulation and its RealizationLI Ren-wang1,QI Guo-ning2(1.College of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Institute ofScience and Technology,Hangzhou Zhejiang 310033,China;2.Department of Mechanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310027,ChinaABSTRACT:During developing and selling belt-grinding machine,there exist usually problems such as too many design-change orders,aswell as very difficult to let customer understand thoroughly performance,shape and operation state of belt-grinding machine.Therefore,basedon the analysis of composition and its modular partition of belt-grinding machine,whose reference machine frame,coordination system andfreedom etc are elucidated.Then,a simulation prototype system of belt grinding machine is developed through taking Visual Basic 5.0,Pro/Engineer and 3DSMAX as tools.According to the simulation instance demo operation flowof belt grinding machine,several problems are dis2sertated during making cartoon of belt-grinding machine;meanwhile,some related applications are illustrated.Belt-grinding machine simu2lation is to be very helpful for resolving many problems existed during its developing and selling.KEYWORDS:Belt-grinding machine;Simulation;Module partition901