隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在圖像處理和輔助設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)一步拓寬和深化，尤其是人與信息科學(xué)相結(jié)合的高新技術(shù)一可視化(Visualization)與虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)，給計(jì)算機(jī)應(yīng)用帶來了新的活力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與已經(jīng)高度發(fā)展的CAX(CAD、CAM及CAE等)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，為產(chǎn)品的創(chuàng)意、變更以及工藝優(yōu)化提供了虛擬的三維環(huán)境。設(shè)計(jì)人員借助于這樣的虛擬環(huán)境可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、加工、裝配和評(píng)價(jià)，避免設(shè)計(jì)缺陷，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和制造成本。虛擬技術(shù)的核心是仿真，通過仿真來處理人機(jī)交互、虛擬環(huán)境中物體的行為以及時(shí)間的流逝等。
虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)：虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容。動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境。
(2)實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)：三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，關(guān)鍵是如何實(shí)時(shí)生成。
(3)傳感技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互效應(yīng)主要由傳感技術(shù)來完成。
(4)系統(tǒng)集成技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)中包含大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)的集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。
虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最主要的特征嘲 -
(l)多感知性(Multi-Sensation)：理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知、味覺感知，嗅覺感知等。目前，由于相關(guān)技術(shù)的限制，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的感知范圍和精度都無法與人相比擬。
(2)沉浸(Immersion)，也稱為存在感(Presence):存在感是指用戶身心置于模擬環(huán)境中的體驗(yàn)。
(3)實(shí)時(shí)交互性(Real-time Interactivity)和自主性(Autonomy)：實(shí)時(shí)交互性是指用戶對(duì)模擬環(huán)境中的物體的可操作程度和從環(huán)境中得到反饋的自然程度。自主性是指虛擬環(huán)境中物體依據(jù)物理定律動(dòng)作的自然程度。
在輸送領(lǐng)域中由于新技術(shù)和新設(shè)備的不斷引入，增加了輸送設(shè)備對(duì)于安全高效、自動(dòng)化的要求，可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為滿足這一需求的有效手段。本文將虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)，開發(fā)了帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輔助側(cè)形設(shè)計(jì)、模型修改、載荷分析、靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真分析等。
2、帶式輸送機(jī)及其設(shè)計(jì)技術(shù)
帶式輸送機(jī)是以膠帶、鋼帶、鋼纖維帶、塑料帶和化纖帶作為傳送物料和牽引工件的輸送機(jī)械。如圖1所示為幾種典型的水平運(yùn)輸?shù)妮斔蜋C(jī)系統(tǒng)布置圈。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，輸送物料范圍廣泛，輸送量大，運(yùn)距長，裝卸料方便，基建投資省，營運(yùn)費(fèi)、維修費(fèi)低廉，能耗低，效率高，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、煤炭、礦山、化工、港口等行業(yè)。
帶式輸送機(jī)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是隨著輸送機(jī)運(yùn)量、運(yùn)速和運(yùn)距的提高，大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用出現(xiàn)了一些嚴(yán)重問題，如跑偏、縱向褶皺、飄帶、動(dòng)力故障等。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須應(yīng)用先進(jìn)的分析技術(shù)和分析系統(tǒng)，對(duì)其基本運(yùn)動(dòng)、受力和強(qiáng)度進(jìn)行深入的計(jì)算分析，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的仿真計(jì)算和分析，以便對(duì)實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行研究，并提供最佳解決方案。
在輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可大大提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)可用率及準(zhǔn)確率，提高工程可行性并降低設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)成本。根據(jù)國際上對(duì)機(jī)械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能試驗(yàn)和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)研究方法，將在很大程度上被迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真技術(shù)所取代。運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)全過程的動(dòng)態(tài)仿真分析與研究，確保輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定和高效。
大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括側(cè)形設(shè)計(jì)，各種運(yùn)行環(huán)境（如夏季與冬季）、運(yùn)行工況（包括啟動(dòng)、正常運(yùn)行、自由停機(jī)和制動(dòng)）下的載荷分析、強(qiáng)度分析以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等。本文以大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象，研究虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在大型帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)，并開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。
3、基于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)
虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以應(yīng)用于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多方面，例如可視化動(dòng)態(tài)側(cè)形設(shè)計(jì)、模型驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)仿真分析等。本文應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)了帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可視化動(dòng)態(tài)側(cè)形建模、模型驗(yàn)證、虛擬載荷分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析、虛擬監(jiān)測(cè)控制和三維虛擬場(chǎng)景等功能。
3.1開發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)采用c++語言作為編程語言。運(yùn)用c++語言面向?qū)ο蟆⒖梢暬焖賾?yīng)用程序開發(fā)和直接數(shù)據(jù)庫訪問等特點(diǎn)，開發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。
帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)中涉及大量標(biāo)準(zhǔn)及其選型數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)采用基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的軟件開發(fā)方法。數(shù)據(jù)庫采用微軟的Access數(shù)據(jù)庫。Access數(shù)據(jù)庫屬于文件型數(shù)據(jù)庫，對(duì)操作系統(tǒng)要求低，每個(gè)數(shù)據(jù)庫文件可以包括多個(gè)數(shù)據(jù)表，操作使用方便。系統(tǒng)使用了兩個(gè)數(shù)據(jù)摩文件。一個(gè)是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件，用于保存CEMA標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、部件型表和設(shè)計(jì)模板等，供設(shè)計(jì)選型使用。另一個(gè)是項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫文件，為每個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目創(chuàng)建，用于保存該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)、分析模型和計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。
3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
輸送機(jī)設(shè)計(jì)是在給定運(yùn)量、輸送物料、地形路線和運(yùn)行環(huán)境等條件下，進(jìn)行側(cè)形、輸送帶、托輥、拉緊、滾筒、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等部件的設(shè)計(jì)，使輸送機(jī)在正常啟動(dòng)、額定運(yùn)行和緊急制動(dòng)等工況下，在靜強(qiáng)度和動(dòng)特性方面，均能滿足輸送機(jī)安全、穩(wěn)定、可靠的要求。輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與功能模塊如圖2所示。
3.3輸送機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)
虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
3.3.1圖形化虛擬建模
輸送機(jī)設(shè)計(jì)的第一步是側(cè)形設(shè)計(jì)。系統(tǒng)建立了常用零部件的動(dòng)畫組件，包括輸送帶、料斗、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、壓面滾筒、拉緊裝置、翻帶裝置等。在側(cè)形設(shè)計(jì)時(shí)（如圖3所示），可以根據(jù)需要在圖形設(shè)計(jì)界面上，直接通過鼠標(biāo)操作來放置或移動(dòng)組件，并設(shè)置組件屬性，如顯示顏色、動(dòng)畫參數(shù)等。
3.3.2可視化計(jì)算與分析
大型帶式輸送機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。為了彤象地反映設(shè)計(jì)進(jìn)程和清晰地表達(dá)設(shè)計(jì)結(jié)果，軟件充分運(yùn)用可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與分析過程和結(jié)果的可視化。在零部件設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，通過可視化計(jì)算演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，如在各種運(yùn)行工況下輸送帶張力變化情況，輸送帶縱向應(yīng)力分布及應(yīng)力波傳播過程，輸送帶縱向應(yīng)變情況，等等。
3.3.3應(yīng)擬運(yùn)行
完成側(cè)形設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算后，通過虛擬運(yùn)行，對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，形象地展示輸送機(jī)在啟動(dòng)、額定運(yùn)行、停機(jī)和制動(dòng)等工況下的運(yùn)行情況。動(dòng)畫模擬時(shí)，皮帶傳動(dòng)，滾筒旋轉(zhuǎn)，物料移動(dòng)，各種參數(shù)在吏時(shí)變化。在虛擬環(huán)境中，通過觀察分析輸送機(jī)在各種工況下的運(yùn)行過程以及各種運(yùn)行參數(shù)的變化情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，體現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)帶來的種種便捷，在設(shè)計(jì)階段就可以自主直觀地配置和協(xié)調(diào)各相關(guān)因素，解決運(yùn)行過程中功能、性能以及控制等的協(xié)調(diào)與配合。
3.3.4虛擬監(jiān)測(cè)及控制
在虛擬運(yùn)行中，可以設(shè)置虛擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過實(shí)時(shí)計(jì)算虛擬測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值，得到監(jiān)測(cè)參數(shù)曲線，如緊急停機(jī)操作時(shí)的運(yùn)行速度、加速度、沖擊力、張力、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)等。通過對(duì)虛擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，為輸送機(jī)設(shè)計(jì)提供改進(jìn)和優(yōu)化依據(jù)，避免實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)問題而帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。通過虛擬監(jiān)測(cè)還可以為輸送機(jī)控制系統(tǒng)提供操作建議，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的虛擬控制。例如，將虛擬監(jiān)測(cè)的應(yīng)力分析結(jié)果加載到模型中，根據(jù)實(shí)際的啟動(dòng)或停機(jī)時(shí)間、速度和加速度，控制輸送機(jī)的運(yùn)行。
3.4虛擬輸送場(chǎng)景
借助鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和軟件建模技術(shù)來營造一個(gè)窗口式的虛擬環(huán)境，使設(shè)計(jì)人員可直接在建模環(huán)境中構(gòu)建逼真的系統(tǒng)模型，完成輸送機(jī)系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，展示輸送機(jī)系統(tǒng)場(chǎng)景。
虛擬輸送場(chǎng)景采用大焦距的虛擬環(huán)境。將視點(diǎn)固定在輸送機(jī)上方的幾個(gè)位置，可以看到輸送機(jī)系統(tǒng)空間狀態(tài)的演化過程。由于視點(diǎn)相對(duì)固定，視野開闊，設(shè)計(jì)者可以清楚地觀察機(jī)架的升高，堆取料場(chǎng)的擴(kuò)大，運(yùn)輸線路的架設(shè)、轉(zhuǎn)彎，進(jìn)料點(diǎn)等，同時(shí)在另一窗口中顯示輸送帶張力隨時(shí)間、物料的變化曲線。
另外，在頭尾部驅(qū)動(dòng)、輸送帶、堆取料場(chǎng)等虛擬位置增加小范圍視點(diǎn)，視野集中，讓觀察者跟隨虛擬物料的輸送過程，在設(shè)計(jì)階段就可以親歷感受現(xiàn)場(chǎng)效果。觀察者可以在輸送現(xiàn)場(chǎng)的任意地方觀察輸送系統(tǒng)的運(yùn)行，就像在觀察…個(gè)真實(shí)運(yùn)行的運(yùn)輸場(chǎng)地，有在皮帶上運(yùn)送的虛擬物料，有旋轉(zhuǎn)的滾筒和托輥，有加料的進(jìn)料斗，還有裝卸貨物的虛擬堆取料機(jī)等等。
在輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬輸送場(chǎng)景模擬，使得設(shè)計(jì)者既能從總體上把握工程主體布置，又能觀測(cè)分析各點(diǎn)微觀受力、變形等情況。通過對(duì)計(jì)算機(jī)模擬工程現(xiàn)場(chǎng)和工作過程的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，將隱患消除在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，優(yōu)化輸送機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制，使輸送機(jī)運(yùn)行更安全，更穩(wěn)定可靠。
4、結(jié)論
大運(yùn)量、高帶速和長距離帶式輸送機(jī)的應(yīng)用符合現(xiàn)代化工業(yè)需要。對(duì)大型輸送機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高要求，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析技術(shù)和系統(tǒng)軟件，是設(shè)計(jì)安全、穩(wěn)定、高效和節(jié)能的輸送機(jī)的需要。
本文將虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)，開發(fā)了基于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)，建立可視化動(dòng)態(tài)圖形組件，將其應(yīng)用于帶式輸送機(jī)模型的虛擬設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可視化動(dòng)態(tài)側(cè)形建模、模型驗(yàn)證、虛擬載荷分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析、虛擬監(jiān)測(cè)控制和三維虛擬場(chǎng)景等功能。
應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)國內(nèi)某大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，取得了良好的效果。應(yīng)用表明，采用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行大型帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析是切實(shí)有效的，可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保設(shè)計(jì)安全可靠。
