牛头刨床的机构运动仿真软件模型研究

第２１卷第３期西南科技大学学报Ｖｏｌ．　２１　Ｎｏ．　３２００６年９月Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏＳｅｎｔ　　．　２００６牛头刨床的机构运动仿真软件模型研究张晓勇　　　　　　　　　　张莹（西南科技大学制造科学与工程学院四川绵阳６２１０１０）摘要：对牛头刨床机构动动的特点进行了分析，建立了牛头刨床机构动动仿真软件的运动模型。在给出系统结构和设计流程的基础上，详细阐述了各个功能模块设计的关键技术。系统采用ＯｐｅｎＧＬ技术开发，实现了牛头刨床机构运动分析数字化，具有良好的人机交互界面。关键词：运动模型运动仿真参数化建模牛头刨床中图分类号二ＴＨ１３９．　２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１一８７５５　（２００６）　０３　－００７１　－０４Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ＳｈａｐｅｒＺＨＡＮＧ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｘｉａｏ－ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎｇ（Ｓｃ　　ｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａｎｙａｎｇ　６２１０１０，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｓｈａｐｅｒ，　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅ－ｍｅｎｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ＯｐｅｎＧＬ．　Ｔｈｅ　ｈｉｅｒａｒｃｈｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｆｏｗ　ｃｈａｔｒｏｆ　　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ａｌｌｔ　ｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ．　Ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｇｏｏｄａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｓｈａｐｅｒ　ｉｓ　ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ；　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｓｈａｐｅｒ　　　　机构运动仿真分析，可以实现机械工程中非常复杂、精确的机构运动分析，在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代ＣＡＤ工程中的一个重要方向及课题。目前，　　　　一些专用的三维ＣＡＤ软件，比如Ｐｒｏ／Ｅ，ＵＧ等大多具有运动仿真的模块，但基本上只能展示机构的直观运动，针对具体的机构进行运动仿真还显得非常薄弱，特别要实现模型参数化以及运动中的各种运动参数的获取就无能为力。针对以上问题，结合计算机图形学技术，采用ＯｐｅｎＧＬ技术开发机构运动仿真软件具有十分重要的理论和实际意义。１牛头刨床机构运动模型１．１牛头刨床机构运动的坐标系　　　　动点选择初始位置时０１Ｂ杆上和销钉Ａ点相重合的点，而运动参考系则选择随着ＯＡ杆一起转动，其坐标原点为Ｏ，ｘ轴沿０，Ｂ，而绝对参考系的坐标原点为０，点，ｘ轴沿平行于０，８方向。见图１、图２０收稿日期：２００６－０５－３１基金项目：四川省教育厅资助项目（２００５００５０３１）０作者简介：张晓勇（１９７２一），男，硕士，讲师，主要从事计算机图形学及辅助设计、计算机软件的研究与教学。Ｅ－ｍａｉｌ：　ｓｃｕｘｙｚ＠　１６３．　ｃｏｍａ西南科技大学学报１．２牛头刨床机构运动模型采用刚体运动学方法进行运动分析，　　　　从动力学的角度给出所研究的质点的运动状态参数，包括动点的绝对运动参数和相对运动参数。图１机构简图Ｆｉｇ．１　Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｒｔＦｉｇ．２　　Ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｏｐｐｏｓｉｔｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ１．２．１绝对运动模型牛头刨床机构的绝对运动轨迹是指曲柄围绕０点做圆周运动，运动轨迹是一个空间二维曲线，运动方程为　ｒ．Ｘ　．一－．‘Ｌｙ一－Ｚ一一　　　　其中０为曲柄与：轴的夹角，ｒ为曲柄的长度，是主动杆长度与套钩的半径之和。１．２．２相对运动模型相对运动的轨迹绘制问题同绝对运动轨迹绘制的基本思想是一致的，主要考虑动点的获取（动点的具体位置的确定）。按照曲柄与ｘ轴的夹角。的大小记ＬＡＯＡ＇　＝　０（按照逆时针方向），按照以下４种情况确定动点的位置：（１）０＜。＜晋；（２）晋＜。＜７Ｔ；（３）７Ｔ＜。＜誓；（４）誓＜。＜２７ｒ　ｏ１．２．３运动参数的获取绝对运动参数和相对运动参数主要包括速度、角速度、切向加速度、法向加速度等。这些参数的获取是在建立绝对运动轨迹和相对运动轨迹的基础上按照基本的定义形式求得。２系统结构及流程设计　　　　依据ＯｐｅｎＧＬ实现运动仿真基本思路，首先需要根据实际需求，通过相应的参数定制相应的模型，然后通过各种外部命令来控制系统的运行，如对速度、加速度等的控制、相对运动轨迹和绝对运动轨迹的控制以及绘制，具体的流程如图３０本系统的人机交互接口主要通过以下各个方面的控制参数来实现，　　　　包括：（１）模型参数：铰曲面参数，铰厚度参数，曲柄和导杆的长度参数，机架高度参数等；（２）运动参数：曲柄ＯＡ与ｘ轴的夹角；（３）运动参数：运动与静止开关；（４）内容参数：绝对运动，相对运动，随绝对运动展示的相对运动及其运动轨迹类型的参数。３系统各主要功能模块设计３．１机构动静控制为了控制整个机构的运动与静止，　　　　主要引人布尔变量ｍ＿　ｔｉｍｅｒｌ，并初始化为ｆａｌｓｅ；当启动定时器的时候就将其值置为ｔｒｕｅ，停止时将其置为ｆａｌｓｅ，判断定时器是否启动只需要判断ｍ＿　ｔｉｍｅｒｌ的值。第３期张晓勇，等：牛头刨床的机构运动仿真软件模型研究图３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　系统流程图Ｆｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｇ．３　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ２速度调整模块以及匀变速运动中的加速／减速控制３．２．１速度调整器为了实现对机构的运动速度的控制，在视类引人变量ｍ＿ｓｐｅｅｄＦａｃｔｏｔ和ｍ一　ｒｏｔａｔｅＡｎｇｌｅ，分别表示机构的运动角速度和当前的旋转角度，利用对话框的交互功能来改变机构的运动角。３．２．２匀变速运动中的匀加／减速本系统对匀变速圆周运动中两种最简单的基本形式匀加速和匀减速进行了近似模拟，为了区别两种不同运动形式，引人变量ｍ＿　ａｃｃｌｅｒａｔｅ和Ｍ　－ｓｌｏｗ，利用定时器控制运动的角速度，根据运动的形式在ＯｎＴｉｍｅｒ（）函数中对ｍ　ｓｐｅｅｄＦａｃｔｏｒ进行控制。３．３绝对运动轨迹的绘制机构的曲柄作的是匀速圆周运动，　　　　运动的轨迹是圆，采用离散的方法，按照一定的步长值绘制各点并将各点连接起来即可，具体算法参看下面的程序段：ｇｌ　　　　Ｂｅｇｉｎ（ＧＬ　ＬＩＮＥ　ＳＴＲＩＰ）；ｆ　　　　　　ｏｒ（　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　１二０．０；ｉ＜＝ｒｏｔａｔｅＲａｄ；ｉ＋＝ｓｔｅｐ　）ｇＩ　　　　　　　　　　Ｖｅｒｔｅｘ３　ｆ（０．　Ｏｆ，　ｓｉｇｎ＊ｌｅｎｇｔｈ＊ｓｉｎ（ｉ），ｓｉｇｎ＊ｌｅｎｇｔｈ＊ｃｏｓ（ｉ））；ｇ　　　　１Ｅｎｄ）；３．４相对运动轨迹的绘制根据对相对运动轨迹的分析，　　　　关键确定出动点在相对坐标系中的位置，从而绘制相对运动的轨迹。具体算法如下。ｇ　　　　ｌＢｅｇｉｎ（　ＧＬ－ＬＩＮＥ－ＳＴＲＩＰ）；ｇ　　　　　　ＩＣｏｌｏｒ３　ｆ　（０．　５ｆ，　１．Ｏｆ，０．２ｆ）；ｇｌ　　　　　　Ｖｅｒｔｅｘ３ｄ（　ｍ　ｂａｒｌ　Ｌｅｎｇｔｈ＋ｍ＿　ｒａｄｉｕｓ，０．０，０．０）；ｆ　　　　　　ｏｒ（　ＧＬｄｏｕｂｌｅ　ｉ　＝０．　０；ｉ＜＝ｍ＿　ｒｏｔａｔｅＡｎｇｌｅｌ；ｉ＋＝ｓｔｅｐ）；　　　　　　　ｃｏｏｒｄ＝ＤｒａｗＲｅｌａｔｉｖｅｌ　Ｐｏｉｎｔ（　ｍ一ｅｉｇｈ，，ｍ　　　　　　　ｂａｒｌ　Ｌｅｎｇｔｈ，ｍ　－ｒａｄｉｕｓ，ｉｎｉｔＬｅｎｇｔｈ，ｉ）；　　　　　　ｇＩＶｅｒｔｅｘ３ｄ（ｃｏｏｒｄ．　ｘＣｏｏｒｄ，ｃｏｏｒｄ．　ｙＣｏｏｒｄ，０．０）；｝ｇ　　　　ｌＥｎｄ）；５运动参数的解析从动力学角度解析机构的运动，　　　　分析机构的运动参数，包括相对运动参数和绝对运动参数，主要包括：５．　１套筒的绝对运动在绝对坐标系中，套筒的运动可以看作是沿着导杆的平动和围绕支座的转动所构成的复合运动，为了记录套筒的运动状态，定义如下的数据机构：ｔ　　　　ｙｐｅｄｅｆ　ｓｔｒｕｃｔ　Ａｂｓｏｌｕｔｅ｛ｌｆ　　　　　　ｏａｔ　ｍ＿ＲｅｌａｔｉｖｅＷ　；／／转动角速度３．３．３．７４西南科技大学学报２００６ｌｆ　　ｏａｔ　ｍ习ｉａｏＡｃｃ　；　／／转动角加速度ｌｆ　　ｏａｔ　ｍ　－ｓｐｅｅｄ；／平动速度ｌｆ　　ｏａｔ　ｍ　ｘｉａｏｘｉｎＡｃｃ；／／向心加速度　　｝；ｔｙｐｅｄｅｆ　ｓｔｒｕｃｔ　ｌｅｎｇｔｈａｎｇｌｅ｛ＧＬｄｏｕｂｌ　　ｅ　ｂａｒ２ＲｏｔａｔｅＡｎｇｌｅ，ｔａｏｔｏｎｇＴｒａｎｓｌａｔｅ；／／导杆与：轴夹角以及套筒的位移；｝ＬＥＮＧＴＨＡＮＧＬＥＩＮＦＯ；３．５．２动点的相对运动参数解析选取导杆上初始时刻与套筒相重合的点为运动的参考点，按照一般运动的研究方法考察机构的相对运动特性。为了记录动点的动力学参数，　　　　定义如下数据结构：　　　　ｔｙｐｅｄｅｆ　ｓｔｒｕｃｔ　ＳｔａｔｕｓＩ　　　　ｌｆ　　　　ｏａｔ　ｍ＿　ＲｅｌａｔｉｖｅＷ；　　　　ｌｆｏａｔ　ｍ＿ＰＤＳｐｅｅｄ；ｌｆ　　　　ｏａｔ　ｍ，ｊｉａｏＡｃｃ；ｌｆ　　　　ｏａｔ　ｍ　ｘｉａｎｇｘｉｎＡｃｃ；ｌｆ　　　　ｏａｔ　ｍ＿ｇｉｅｘｉａｎｇＡｃｃ；ｌｆ　　　　ｏａｔ　ｍ＿ｐＤＡｃｃ；｝；　　　　３．６软件换肤实现为使软件的界面更加美观，　　　　本系统实现了软件换肤，关键代码的实现如下：ＶＥＲＩ　　　　ＦＹ（１＝＝ＩｎｉｔＳｋｉｎＭａｇｉｃＬｉｂ　（　ＡｆｘＧｅｔｌｎｓｔａｎｃｅＨａｎｄｌｅ），”Ｄｅｍｏ＂　，　ＮＵＬＬ，　ＮＵＬＬ））；／／初始化类库ＶＥＲＩ　　　　　　ＦＹ　（１＝＝ＬｏａｄＳｋｉｎＦｒｏｍＲｅｓｏｕｒｃｅ（ＡｆｘＧｅｔｌｎｓｔａｎｃｃＨａｎｄｌｅ（），”ＫＲＯＭＯ＂，”ＳＫＩＮＭＡＧＩＣ＂））；／／从资源中加载皮肤ＶＥＲＩ　　　　　　ＦＹ（１＝二ＳｅｔＷｉｎｄｏｗＳｋｉｎ　（ｍ＿ｐＭａｉｎＷｎｄ一＞ｍ＿　ｈＷｎｄ，”ＭａｉｎＦｒａｍｅ＂））；本系统利用Ｏｐ　　　　ｅｎＧＬ强大的三维参数化建模功能，实现了牛头刨床机构的运动仿真，在线绘制出机构的绝对运动和相对运动的运动轨迹，并采用数据文件保存运动参数，为机构的分析提供了直观的、数字化的、可靠的技术手段。软件界面美观，人机交互良好。参考文献　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［１］焦恩璋．以Ａｕｔｏ　ＣＡＤ为平台的机器人运动仿真研究【Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２００１，（１０）；１３一１０．Ｊ　　　　　　ＩＡＯ　Ｅｎ－ｚｈａｎｇ．　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｕｔｏ　ＣＡＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｎｒａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，２００１，　　　　　　（１０）；１３一１０．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）［２〕王恒．利用ＭＦＣ二次开发Ｐｒｏ／Ｅ［　Ｊ］．计算机辅助设计与图形学学报，２００４，１６（６）　：８６９　－－　８７２．ＷＡＮＧ　　　　　　　Ｈｅｎｇ．　Ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒｏ／Ｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＦＣ　ａｎｄ　ＶＣ＋＋［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－　ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｎｇ＆Ｃｏｍ－　　　　　　ｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，　２００４，１６（６）　：８６９一８７２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）［３］孙家广，杨常贵．计算机图形学【Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９５．ＳＵＮ　　　　　　　Ｊｉａ－ｇｕａｎｇ，　ＹＡＮＧ　Ｃｈａｎｇ－ｇｕｉ．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：　Ｔｓｈｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｕｂｉｌｓｈｉｎｇ　Ｈｏｕｓｅ，　１９９５．（ｉｎ　Ｃｈｉ－ｎｅｓｅ）　　　　　　［４］　　Ｓｉｄｅｗｉｓｅ　Ｅ．　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｏｂｊｅｃｔ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ＳｏｆｔｗａｅｒＤ　ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ：　Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｎｒａｌ　ｏｆ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，１９８９，（９）　　　　　　　：９５一１０８．４结束语