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Advanced Materials Research Online:2013-05-14

ISSN: 1662-8985, Vols. 694-697, pp 2423-2427

doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.694-697.2423

copy; 2013 Trans Tech Publications, Switzerland

基于Virtools的门座起重机的虚拟装配系统

关键词

虚拟装配；门座起重机；模块化；Virtools

摘要

门座起重机，由于其大跨度，高精度的装配空间需求，大部分的门座起重机在设计装配过程中不便实现其物理样机的装配。考虑到虚拟装配系统可为设计人员提供详尽的模块库、良好的人机交互体验和可靠的装配仿真，本文通过模块化分析MQ4025门座起重机的装配需求，在Solidworks软件中完成了其相关零部件的模型建设，开发了通过Virtools的虚拟装配平台，实现了零部件之间的运动模拟。通过Virtools开发的虚拟装配平台，在Virtools中实现了由冲突检测的零部件之间的碰撞模拟，在平台上进行虚拟装配实验。结果表明，相比于物理样机的组装，在该虚拟装配平台上完成门式起重机的装配的时间更短，且其通过调用门座起重机的复合模块库软件完成的装配仿真比其他CAD快。

简介

整体而言，门座起重机是一个大型的起重机械结构。装配过程中的任何不当操作都可能会引起整个门座起重机的故障，这将会引起意想不到的损失。因此，在设计过程中进行装配仿真是必不可少的。

然而，由于种种外在约束，许多大型部件的物理样机是不便实现装配模拟的，如港口用的门式起重机。但正因如此，运用虚拟仿真来实现装配模拟的过程是非常有必要的。而且在虚拟仿真中的模块化建模思想还可大大提高设计效率，保证零部件的合理性。在设计过程中，由模块和模块单元构成的零部件将大大降低建模参数的复杂度。此外，此方法还可将程序中的错误限制在相关模块和接口上，从而大大提高软件的可调性和可靠性。

虚拟装配系统框架设计

在本文中，门座起重机虚拟装配系统（VAC）概念被提出。在组件需求的基础上模块化分析了MQ4035门座起重机并根据组件的模块化分析结果用Solidworks完成各个部分的建模。为了使操作人员有更好的体验，VAC将Virtools作为虚拟现实的开发平台，用3dsMAX和Solidworks作为建模软件为门式起重机提出VAC系统。

起重机建模

本文以MQ4035门座起重机作为例子进行详细说明。其最大起升量为40吨，最大最小幅度分别为35米、15米，最大起升高度为28米，最大下降高度为14米，尾部回转半径为7.65米，整机总重328吨，有390千瓦的装机能力。

3.1模块化分析

MQ4035由圆筒门架，电缆缠绕装置，梯子，栏杆，转台总成，机房和驾驶室，变幅机构，推进器和平衡系统，臂架系统，起升机构，回转机构，钩套，行走机构，锚固装置，防滑装置及各种连接件组成。4条腿上的法兰凹槽是禁锢螺栓与4条门腿连接在运行小车平衡梁上的部件。旋转平台和底座由金属轴连接，这有助于起重机完成360°范围内的旋转。各部件与旋转平台之间由销连接，但推进器的支撑固定在没有相对运动的旋转平台上。

3.2模块分析结果

在零件分析的基础上，该起重机的各个机构被逐步分解成数个子组件模块，子组件模块包含若干组件模块和零件等。依此类推，用这种方式我们完成了门式起重机的模块化分析。第一级的模块化结构如图1所示。

图1 第一级模块化结构

第一级的模块化结构包括圆筒门架、电缆卷绕装置、梯子、栏杆、转台组、机房和驾驶室、变幅机构、推进器和平衡系统、吊车的悬臂系统、起升机构、回转机构、吊钩、运行装置、安全装置这12个模块。代表的三维框架的模块，包含一个子集，计划箱的子集代表没有子集的模块。

图2 模块化装配

门式起重机中的行走机构模块是运行驱动模块的第一级模块化之一。它是由运行驱动模块、运行支持模块、运行安全模块以及各子模块组成。该起升机构在一级模块中，主要包括运行驱动模块，钢丝绳卷绕模块，提取装置模块，安全保护装置以及子模块自身。

还有其他子模块的一个模块结构比较简单，在此我们不讨论这个部分的细节。相应的SolidWorks模型和整体装配模型如图2所示

基于Virtools交互系统的开发

本文主要从以下三个方面进行论述：界面设计，碰撞检测工艺设计与互动装配设计。因为整个组装过程之间不同部件的起重机有很多相似之处，我们在装配和演示过程中以圆筒门架和转台为例，描述VAC的一些重要细节的产生和发展。界面和纹理效果的规则的开发是不存在的。

4.1界面设计

窗体顶端

在动态组装的过程中，在不同的状态下应该有不同的文本显示。我们主要是通过使用在Virtools内的与文本相结合的摄像头来实现这一功能。该动画界面上面的介绍性文字分别对应在不同的状态下发生的不同装配过程。在Virtools中的示意图如图3所示。我们所构建的基本单元如下：

1. 设置为活动摄像头——摄像头/剪辑/设置为活动摄像头
   （b）文本显示——接口/文本/文本显示

图3 界面设计

4.2交互式装配设计

接下来便涉及到装配和碰撞检测处理的设计。其装配过程包括三个方面：当相关按钮被按下时，它触发了转盘移动到连接件圆柱销；当检测到碰撞时，转盘停止运动；当代表正在组装的信号停止时，围绕着圆柱销运动的信号被输出。示意图如图4所示，其中我们所构建的基本单元如下：

（a）关键因素——控制器/键盘/关键事件

（b）识别——逻辑/计算/识别

（c）贝塞尔进展——逻辑/循环/贝塞尔进展

（d）插补——逻辑/插值/插补

图4 交互式装配设计

4.3碰撞检测的设计

当零部件发生碰撞时，零件装配过程应立即停止。为了解决这个问题，我们引入了碰撞检测模块。应用碰撞检测原理固定转盘。碰撞检测：自动设置几何精度；检测试验-8；安全位置测试-8，并设置触摸障碍，通过功率输出变量作为基本单元发送消息。发送消息：传送邮件。将消息命名为消息阻挡组件，消息通过目标转盘输入接收。发送消息后循环滚动发出的消息，以便检测下一个碰撞。示意图如图5所示。

图5 Virtools的原理图

在组装结束时，它将会变成浏览模式。可用口令控制整个组件的对焦，并可通过相机来改变视角。

平台建立后，我们就可以进行零件组装过程。结果如图6所示。当在VAC系统上操作时，起始界面是如图所示的第一张图表。点击指定图标，我们可以得到VAC的操作说明。单击模块分析图标，我们可以得到门式起重机的所有的模块分析信息。第三张图表显示了门式起重机在VAC上的最终组装的效果。

图6 VAC的示范

结语

从整体上来看，门座式起重机属于大型起重机械结构。其物理样机的空间装配具有大跨度和高精度的要求，细微的误差可能会导致整个组件失效进而造成不可想象的损失。通过虚拟装配平台，可以验证组件的设计和使用是否合格，从而减少实际装配的难度并保证最终的装配质量。为了降低设计难度，加快系统的开发周期，本文提出虚拟装配人机交互VAC，这也是人机交互的体验集成。

致谢

本项研究由武汉理工大学的自主创新研究基金资助（126818014）。

参考文献

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[7] Information on http://www.3ds.com/products/3dvia/3dvia-virtools/

Manufacturing Process and Equipment

10.4028/www.scientific.net/AMR.694-697

Portal Crane Virtual Assembly System Based on Virtools

10.4028/www.scientific.net/AMR.694-697.2423

Advanced Materials Research Online:2014-03-24

ISSN: 1662-8985, Vol. 910, pp 304-307

doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.910.304

copy; 2014 Trans Tech Publications, Switzerland

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