冶金机械动态仿真演示系统的设计与研究

李文越，胡 俊（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

冶金机械动态仿真演示系统的设计与研究

李文越，胡 俊（中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330000）

冶金机械设备体积通常较大，冶金设备企业要向客户展示冶金机械设备的功能，对展示环境、展示角度等方面均方面均提出了较高的要求，而计算机图形图像技术、三维仿真技术等具有虚拟、仿真功能的信息化技术的发展，为大体积冶金机械设备动态仿真演示提供了可能，为设计人员与客户更好的沟通提供了“工具”，在此背景下，本文针对冶金机械动态仿真演示系统的设计与实现问题展开研究，为冶金机械虚拟仿真演示提供参考。

冶金机械；动态仿真；演示系统

前言

将冶金机械的功能直观的、全面的向客户展示，是推动客户选择冶金机械设备的重要环节，但冶金机械设备复杂的结构、庞大的工作任务、恶劣的工作环境等方面决定冶金机械设备通常体积非常大，运行原理较为复杂，要让非专业的客户在短时间内通过冶金机械，准确的了解冶金机械的功能和设计特色存在较大的难度，所以人们尝试通过平面化的基于计算机技术的动态仿真演示系统向客户展现冶金机械的性能。

1 单机展示系统设计

冶金机械中的部分单机设备结构非常复杂，如复摆颚式破碎机等，在对此类单机进行动态仿真演示系统设计的过程中，要对其具体的工作原理、功能、结构等进行准确、全面的掌握，然后进行针对性的设计。笔者认为在设计的过程中要从以下方面着手：

1.1 在选择应用的设计软件中完成准备工作

在建模和动画制作等方面功能较突出，且对虚拟现实软件适应性较强、工作效率较高的Auto CAD软件中进行设备仿真建模，在此过程中需要注意，由于建模过程中，任何参数不准确都会影响到冶金机械的联动效果或模型整体的精度，所以在建模的过程中，应尽可能应用冶金机械零件和装配的电子图纸，然后在软件中对电子图纸进行简单的调整，并利用3ds Max软件中的捕捉、绘制等功能，对建模中的局部设计进行调整。

1.2 完成冶金机械金属材质的仿真设计

在设计的过程中，要在单色背景中向客户真实的展示出冶金机械的金属材质，要用非真实反射环境体现冶金机械的材质，并利用光线跟踪反射功能，体现出不同位置下金属材质的光线差异，完成材质制作过程，图1为冶金机械动态仿真演示系统截图。

1.3 完成可烘托仿真真实性的灯光设计

图1 冶金机械动态仿真演示系统截图

在设计的过程中，考虑到只有普通灯光或扫描线渲染器可以烘托出冶金机械设备的真实性，所以要在建设单个泛光灯的基础上，进行多次复制、粘贴，形成半球状的泛光灯排列矩阵，此时将灯光强度统一调整到0.02，并用强度为0.2的主灯对所有泛光灯进行照射，形成具有烘托作用的光线阴影[1]。

1.4 完成冶金机械演示动作的仿真设计

另外，对需要展示的具体冶金机械功能进行设计，此部分设计是单机展示系统设计的重点和难点，需要引起设计人员的高度关注。例如在针对圆锥式破碎机的偏心主轴和破碎圆锥进行设计的过程中，忽视两个结构在运行的过程中会在偏心套的作用下，会以腔体结构为中心进行运动，而且在运动的过程中会产生自转，就会导致演示的过程中，客户不能准确的了解此类冶金机械的运行原理，加大冶金机械运行故障的发生概率。笔者认为在具体设计的过程中，应先通过链接工具，将主轴和除偏心主轴外的零件建立链接关系，以此保证仿真演示动画可以反应出偏心主轴在外力作用下的自转过程[2]。在此基础上，设计人员再通过链接工具，将偏心主轴和偏心套之间建立链接关系，使原本独立的各结构之间形成相互影响的关系。在以上互动影响关系形成后，设计人员应有意识的将二维图像转化为三维的动画过程，具体操作是，先将坐标的格式调整成为自身坐标，使界面中原本处于倾斜状态的部件方向得到调整，然后通过旋转工具对部件进行旋转操作，在操作的过程中完成整个旋转过程的动画记录，此时会发现记录的旋转动画在播放的过程中，按照之前的链接关系和软件自身默认的动力学原理，可以基本反应出偏心主轴和破碎圆锥的运动轨迹。

出上述功能仿真设计外，冶金机械在应用过程中与演示发生碰撞并对演示进行破碎处理的过程，也是冶金机械设备向客户重点展示的方面，所以在进行冶金机械动态仿真系统设计的过程中，要有意识的对此方面进行重点设计。笔者在进行此方面设计的过程中，主要通过3ds Max软件所具有的空间扭曲功能和粒子系统完成，具体设计过程是先将模拟真实场景的石头模型替换粒子发射器发出的粒子模型，然后对破碎机腔体结构进行仿真设计，并通过全动力学导向器在仿真的场景中完成对碰撞代替物和圆锥部件的提取，两者均作为仿真系统的碰撞件[3]。最后，利用绑定工具将提取的碰撞件与粒子系统之间建立绑定关系，此时通过粒子发射系统可以直接发射出岩石，与冶金机械的腔体发生碰撞，而且可以反应出碰撞过程中，腔体的塑性变化。

需要注意的是，在进行冶金机械功能设计的过程中，存在的设计方法并不统一，设计者要结合自身的设计习惯和设计水平进行灵活的选择，例如在进行上述设计的过程中，除采用上述方法外，设计者还可以选择PF粒子流和NVIDIA图形卡配合应用的方式实现，虽然设计过程相比笔者介绍过程更为复杂，但也可以达到动态仿真演示的效果，图2是冶金机械动态仿真演示系统截图。

图2 冶金机械动态仿真演示系统截图

2 冶金机械设备生产线的作业状态仿真演示设计

相比冶金机械的性能，客户更注重冶金机械的工作状态，所以设计的动态仿真演示系统，不仅要可以虚拟仿真单机机械设备，而且要对冶金机械设备的生产线作业状态进行仿真，笔者认为在设计的过程中，应重点从以下方面进行：

2.1 完成冶金机械生产线场景的设计

要对真实的生产线场景进行仿真设计，在设计的过程中，为简化场景设计的复杂度和难度，应先将单机设备中外部不能直接观察到的部件删除，然后按照冶金机械设备在真实作业场景中与其他设备的写作关系，进行冶金机械设备和相关设备的仿真摆放，在此过程中，需要注意计算机存储空间和反应能力等均是有限的，要保证演示过程流畅清晰，在进行场景设计的过程中，具体的物体片数要合理的控制。

2.2 完成冶金机械具体作业过程的仿真设计

考虑到冶金机械在生产线中具有传送物料的功能，在仿真演示系统中要对此作业状态进行动态模拟。在设计的过程中，应先将粒子系统设置在具体的传送线路中，然后通过画线命令和路径跟随等功能设计出冶金机械在物料运输中的具体路径。在以上设计完成后，通过绑定工具可以使冶金机械和具体的运动路径之间建立连接，此时通过播放动画可以仿真出冶金机械按照设计路径传输物料的过程。需要注意的是，为保证仿真的真实性，设计人员在完成以上设计过程后，要针对具体的粒子发送时间、速度等方面进行合理的调整。

在以上设计环节完成后，利用Web Max等虚拟显示软件，将设计的三维图像转化为平面网页向客户传输，客户可以从仿真演示动画中直接了解冶金机械设备的外形、结构，在此过程中，客户可以结合自身的实际需要，对冶金机械进行随机的拆卸和组装，可见在以上设计的冶金机械动态仿真演示系统中，基本突破了真实冶金机械设备展示的限制约束条件，这在一定程度上说明本设计具有科学性和合理性。

3 结论

通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到利用基于计算机技术的虚拟系统和仿真系统实现冶金机械动态仿真演示的可行性和必要性，并在实践中有意识的结合现有仿真、虚拟技术发展成果进行冶金机械动态仿真演示系统的设计，这是冶金机械设计、宣传推广过程中，信息化水平提升的具体体现，应结合计算机技术的发展不断的优化。

[1]崔建伟.基于PhysX的冶金机械演示系统设计[J].计算机与现代化，2012，05：113～115.

[2]钟登华，王忠耀，李明超，刘杰.复杂地下洞室群工程地质三维建模与动态仿真分析[J].计算机辅助设计与图形学学报，2007，11：1436～1441.

[3]陶 勇.冶金冷凝过程最优机械电气控制方法研究仿真[J].电气应用，2015，11：134～137.

TF303

A

2095-2066（2016）34-0241-02

2016-11-22