圆形堆取料机的虚拟现实仿真技术研究
|
摘要
堆取料机是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，广泛应用于港口、码头、钢铁厂、焦化厂、储煤厂、电厂等散料(矿石、煤、焦碳、及砂石)堆存料场的堆、取料作业，可完成产品的堆、取和均质化工作实现堆取料同时进行。基于堆取料机广泛的实用性与可靠性，笔者将虚拟现实技术应用到堆取料机视景仿真系统的开发中，从而能够直观、快速、经济、有效地整合设计方案，这对水泥生产工程项目的研究开发有重要的实用价值。
本论文以圆形堆场堆取料机为研究对象，在广泛收集和研究国内外相关文献的基础上，通过建立堆取料机工作场景的视景仿真应用系统，更为深入地探讨了虚拟现实技术在水泥生产工业中的应用问题，使得圆形堆取料机的研究工作得到更为全面的分析及讨论。
具体进行以下工作：
(1)探讨了虚拟现实和仿真技术的相关理论知识，研究了虚拟设计的基本理论及其设计方法，学习掌握实现虚拟仿真的相关软件工具，包括MultiGen Creator和Vega Prime的操作方法和使用技巧，为虚拟现实仿真应用系统的建立打下坚实的基础。
(2)在广泛调查和收集整理国内外主要堆取料机的基础上，深入了解圆形堆取料机的结构、工艺、工作原理、工作流程和场景布局等，利用ProEngineer建模软件和Creator软件建立并简化三维模型，建立起仿真对象的静态模型场景。
(3)充分利用Vega Prime强大的Lynx Prime界面初步建立起虚拟现实仿真应用系统，实现了基本的人机交互功能。在VC++平台基础上，充分利用Vega Prime的自带函数实现圆形堆取料机工作场景的虚拟仿真，解决了粒子系统、自由度控制等关键技术。
通过对圆形堆取料机工作场景的虚拟仿真研究，建立了一个较为完整的应用系统，该系统可以再现圆形堆取料机的工作状态，辅助设计人员在远离粉尘的环境中进行设计研究，从而直观、快速、经济、有效的完成设计任务，更重要的是，将虚拟现实技术应用到水泥生产中，为我国的水泥生产行业提供了一个经济、可行、高效、科学的研究方法。
The loader is a high efficient equipment for loading scattered articles in modern industry and applied widely for stacking and fetching in harbor, dock, steel works, coal works, electricity plants and so on. The loader could complete stacking and fetching work at the same time. Because of the loader's wide utility and reliability, author applied virtual reality technology into the development of the loader's scene simulation system, in order to deal with design project directly, qucikly, economicly and efficiently, which has a significant utility value in the research development of cement production projects.
This thesis, on the object of loader, established the loader's scene simulation application system through model building and simlification, on the platform of collecting broadly the related literature and work, disucssed more deeply about the VR's application in the cement industry, caused the loader obtain a more comprehensive analysis and discussion.
The work details are followed:
1. Collect contects about virtual reality (VR) and simulation technology, research the basic theory and design methods of VR, learn to grasp some related tools to realize simulation, including the operation and skills about MultiGen Creator and Vega Prime, which prepared for the system's realism.
2. On the base of broad research and collection for the loader, get the loader's main structure, process, work principle and scene layout, establish models by ProEngineer and simplify them by Creator, therefore build all models and environment.
3. Established application system by utilizing Lynx Prime panel in Vega Prime, realized simple human machine action. On the platform of VC++. realized virtual simulation about the loader's working scene by loading the function in the Vega Prime, resolved some related some key techonologies such as crash, particle system, degree of freedom ans so on.
Through the research of virtual simulation for the loader, this thesis established a completed application system. This system could show how the loader worked, assist the designers to do researchment without suffering an environment full of dusty, therefore help designers fininsh the work directly, quickly, economicly and efficiently. More importantly, the system applied virtual reality technology into the cement production and give forward to a possible and scientific method for the cement industry in our country.
本论文以圆形堆场堆取料机为研究对象，在广泛收集和研究国内外相关文献的基础上，通过建立堆取料机工作场景的视景仿真应用系统，更为深入地探讨了虚拟现实技术在水泥生产工业中的应用问题，使得圆形堆取料机的研究工作得到更为全面的分析及讨论。
具体进行以下工作：
(1)探讨了虚拟现实和仿真技术的相关理论知识，研究了虚拟设计的基本理论及其设计方法，学习掌握实现虚拟仿真的相关软件工具，包括MultiGen Creator和Vega Prime的操作方法和使用技巧，为虚拟现实仿真应用系统的建立打下坚实的基础。
(2)在广泛调查和收集整理国内外主要堆取料机的基础上，深入了解圆形堆取料机的结构、工艺、工作原理、工作流程和场景布局等，利用ProEngineer建模软件和Creator软件建立并简化三维模型，建立起仿真对象的静态模型场景。
(3)充分利用Vega Prime强大的Lynx Prime界面初步建立起虚拟现实仿真应用系统，实现了基本的人机交互功能。在VC++平台基础上，充分利用Vega Prime的自带函数实现圆形堆取料机工作场景的虚拟仿真，解决了粒子系统、自由度控制等关键技术。
通过对圆形堆取料机工作场景的虚拟仿真研究，建立了一个较为完整的应用系统，该系统可以再现圆形堆取料机的工作状态，辅助设计人员在远离粉尘的环境中进行设计研究，从而直观、快速、经济、有效的完成设计任务，更重要的是，将虚拟现实技术应用到水泥生产中，为我国的水泥生产行业提供了一个经济、可行、高效、科学的研究方法。
The loader is a high efficient equipment for loading scattered articles in modern industry and applied widely for stacking and fetching in harbor, dock, steel works, coal works, electricity plants and so on. The loader could complete stacking and fetching work at the same time. Because of the loader's wide utility and reliability, author applied virtual reality technology into the development of the loader's scene simulation system, in order to deal with design project directly, qucikly, economicly and efficiently, which has a significant utility value in the research development of cement production projects.
This thesis, on the object of loader, established the loader's scene simulation application system through model building and simlification, on the platform of collecting broadly the related literature and work, disucssed more deeply about the VR's application in the cement industry, caused the loader obtain a more comprehensive analysis and discussion.
The work details are followed:
1. Collect contects about virtual reality (VR) and simulation technology, research the basic theory and design methods of VR, learn to grasp some related tools to realize simulation, including the operation and skills about MultiGen Creator and Vega Prime, which prepared for the system's realism.
2. On the base of broad research and collection for the loader, get the loader's main structure, process, work principle and scene layout, establish models by ProEngineer and simplify them by Creator, therefore build all models and environment.
3. Established application system by utilizing Lynx Prime panel in Vega Prime, realized simple human machine action. On the platform of VC++. realized virtual simulation about the loader's working scene by loading the function in the Vega Prime, resolved some related some key techonologies such as crash, particle system, degree of freedom ans so on.
Through the research of virtual simulation for the loader, this thesis established a completed application system. This system could show how the loader worked, assist the designers to do researchment without suffering an environment full of dusty, therefore help designers fininsh the work directly, quickly, economicly and efficiently. More importantly, the system applied virtual reality technology into the cement production and give forward to a possible and scientific method for the cement industry in our country.
引文
[1] 陈定方，罗亚波等著《虚拟设计》 机械工业出版社2002年10月第1版
[2] 戴忠鑫．堆取料机在水泥工业中的应用[J]．机械装备．CEMENT TECHNOLOGY6／2001
[3] 刘更新，贺锡海，杨澎．堆取料机的使用和完善[J]．煤矿现代化，2001年第4期总第43期
[4] 陈谊．虚拟现实技术及其应用[J]．北京轻工业学院学报，1998，16(1)：38
[5] 韦有双，杨湘龙，王飞．虚拟现实与系统仿真[M]．北京：国防工业出版社，2004：89-92
[6] 胡小强 著．《虚拟现实技术》．北京邮电大学出版社．2005，80-81
[7] 胡小强 编著．《虚拟现实技术》．北京邮电大学出版社．2005，117
[8] 张小强，孙晓南，何玉林．Web 3D技术及其在产品仿真系统中的应用[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2002，25(5)：50
[9] 乔桂秀，肖田元，等．虚拟生产环境中的实时碰撞检验技术[J]．高技术通讯，2004
[10] 汪成为，高文，王行仁．灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M]．北京：清华大学出版社，1997
[11] 赵沁平，何红梅．分布式虚拟环境综述[J]．计算机科学，2000，27(11)：1
[12] John V. Virtual reality system. Great Britain: Addison-Wesley Publishing Company, 1995
[13] 江见鲸．《21世纪初的虚拟现实》清华大学出版社，2000
[14] 韦有双，杨湘龙，王飞，虚拟现实与系统仿真，北京：国防工业出版社，2004．1
[15] 朱名铨，张树生等编著《虚拟制造系统与实现》西北工业大学出版社2001年10月第一版
[16] 万刚，夏青，等．虚拟视景仿真中实体行为建模技术的研究[J]．测绘学院学报，2002
[17] 韦有双，杨湘龙．《虚拟现实中的建模方法》．西北工业大学出版社2001年10月第一版
[18] 陈楷民，帅锐．《虚拟环境建模方法及应用》．北京：国防工业出版社，2004．1
[19] W.Kruger and C.A.Bohn. The responsive workbench: a virtual work environment. Computer, 1995
[20] 魏迎梅等译．[美]Grigore C．Burdea．[法]Philippe Coiffet．虚拟现实技术(第二版)．北京：电子工业出版社，2005
[21] 许云，任爱珠，江见鲸．虚拟现实技术WTK及应用开发．计算机工程．2001，27(5)：68-70
[22] 吴晓，丁国富，王金诺．基于WTK的虚拟环境建模方法与应用研究．计算机应用研究．2001(2)：23-25
[23] 唐秋华，陈定方，孔建益．虚拟现实工具包WTK接口开发技术．武汉理工大学学报． 2001，23(10)：38-41
[24] S. Jayaram, H.I.Connacher and K.W.Lyons. Virtual assembly using virtual reality techniques. Computer-Aided Design, 1997
[25] 焦培刚，周以齐，王灿运，胡效东．基于Creator可视化仿真建模优化方法的探讨[J]．机电产品开发与创新，2006，19(2)：86
[26] MultiGen Paradigm, Inc. The MultiGen Creator Online Help Summary[M].U.S.A: MultiGen Paradigm, 2003
[27] MultiGen Paradigm, Inc. The MultiGen Desktop Tutor[M].U.S.A: MultiGen Paradigm. 2003
[28] MultiGen Paradigm, Inc.Creating Models for Simulations[M].U.S.A: MultiGen Paradigm. 2003
[29] 胡麒麟．《基于MultiGen的三维建模和基于Vega的图形驱动在岸边集装箱起重机仿真训练器中的应用》．2004：19
[30] 陈楷民，帅锐．基于VegaPrime的塔台视景仿真系统的实现[J]．中国民航飞行学院学报，2006，17(1)：20
[31] S.C.Fok, W.Xiang and EEYap. Feature-Based Component Models for Virtual Prototyping of Hydraulic Systems. Advanced Manufacture Technology, 2001
[32] 张秀山等．虚拟现实技术及编程技巧．国防科技大学出版社，1999年9月
[33] ayaram S, etal. VADE:A virtual assembly design environment. IEEE Computer Graphics and Ao01 ications, 1999
[34] 陈楷民，帅锐．基于Vega Prime的塔台视景仿真系统的实现[J]．中国民航飞行学院学报，2006，17(1)：21
[35] 张国东，秦丹，丁四华．德国桥式堆取料机在新集二矿选煤厂的应用[J]．选煤技术，2001年8月，第4期
[36] 孙方，徐清波．堆取料机斗轮传动系统结构分析及改进[J]．煤矿机械，1998年第12期
[37] 郑笑红．圆形料场堆取料机堆料臂复合运动分析[J]．矿山机械，2004(3)：23
[38] 方俊峰．圆形堆取料机在水泥生产各种的应用[J]．四川水泥，2002(2)：27-28
[39] 张喜军．圆形混匀料场刮板堆取料机结构形式及物料混匀工艺[J]．起重运输机械，1999(1)：22
[40] 林锦尧，尹勇，等．集装箱装卸仿真系统的运动模型和原型机[J]．系统仿真学报，2004
[41] 朱林，陈发，努尔夏提·朱马西，王学农．机械虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术．《新疆农机化》2002年第6期
[42] 李为真，伍北成，等．最新ProEngineer 20001应用实例教程[M]．北京：冶金工业出版社，2000
[43] 尹勇，林锦尧，郭国忠．采用VR技术的集装箱吊装模拟器原型机的研究．系统仿真学报，2004
[44] 焦培刚，周以齐，王灿运，胡效东．基于Creator可视化仿真建模优化方法的探讨[J]．机电产品开发与创新，2006，19(2)：86
[45] 王延红，杨平利，仇小鹏，陈晖．仿真建模软件Creator的应用技术[J]．计算机仿真，2005，22(7)：181
[46] 洪光，李洪儒，牟建国．基于Creator的三维模型的简化研究[J]．计算机仿真，2004，21(1)：58
[47] Virtue 3D's VSimplify plug-in for MultiGen Creator 2.1 simplifies OpenFlight models.
[48] 张德锋，王华兵，薛原，聂孝亮．基于Vega Prime的视景仿真技术研究与应用
[49] Dani, T.H.and Gadh, R. Networked Virtual Reality for Collaborative Design.31~(st) CIRP International Seminar on Manufacturing Systems, Berkeley, CA, 1998
[50] 黄维通．Visual C++面向对象与可视化程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2000
[51] 江义华．C／C++完美演绎[M]．北京：中国水利水电出版社，2001年9月
[52] 杨勇，殷宏，宋晓江．基于Vega Prime／Creator的三维环境仿真系统开发[J]．计算机与信息技术，2005(4)：31
[53] Antonino, G.S. and Zachmann, G. Integrating Virtual Reality for Virtual Prototyping. Proceedings ASME Design Technical Conference and Computers in Engineering Conference, DETC98/CIE-5536, Atlanta, Georgia, September 13-16
[54] 张德锋，王华兵，薛原，聂孝亮．基于Vega Prime的视景仿真技术研究与应用
[55] 郑淳，尚涛．Vega Prime环境下的古建筑虚拟现实系统[J]．武汉大学学报(工学版)，2006，39(2)：84-85
[56] Jayaram S, etal. VADE:A virtual assembly design environment. IEEE Computer Graphics and Ao01 ications, 1999
[57] P.Zerfass, E.Keeve. Towards a virtual environment for biomechanical simulation[J]. International Congress Series 1230(2001)
[2] 戴忠鑫．堆取料机在水泥工业中的应用[J]．机械装备．CEMENT TECHNOLOGY6／2001
[3] 刘更新，贺锡海，杨澎．堆取料机的使用和完善[J]．煤矿现代化，2001年第4期总第43期
[4] 陈谊．虚拟现实技术及其应用[J]．北京轻工业学院学报，1998，16(1)：38
[5] 韦有双，杨湘龙，王飞．虚拟现实与系统仿真[M]．北京：国防工业出版社，2004：89-92
[6] 胡小强 著．《虚拟现实技术》．北京邮电大学出版社．2005，80-81
[7] 胡小强 编著．《虚拟现实技术》．北京邮电大学出版社．2005，117
[8] 张小强，孙晓南，何玉林．Web 3D技术及其在产品仿真系统中的应用[J]．重庆大学学报(自然科学版)，2002，25(5)：50
[9] 乔桂秀，肖田元，等．虚拟生产环境中的实时碰撞检验技术[J]．高技术通讯，2004
[10] 汪成为，高文，王行仁．灵境(虚拟现实)技术的理论、实现及应用[M]．北京：清华大学出版社，1997
[11] 赵沁平，何红梅．分布式虚拟环境综述[J]．计算机科学，2000，27(11)：1
[12] John V. Virtual reality system. Great Britain: Addison-Wesley Publishing Company, 1995
[13] 江见鲸．《21世纪初的虚拟现实》清华大学出版社，2000
[14] 韦有双，杨湘龙，王飞，虚拟现实与系统仿真，北京：国防工业出版社，2004．1
[15] 朱名铨，张树生等编著《虚拟制造系统与实现》西北工业大学出版社2001年10月第一版
[16] 万刚，夏青，等．虚拟视景仿真中实体行为建模技术的研究[J]．测绘学院学报，2002
[17] 韦有双，杨湘龙．《虚拟现实中的建模方法》．西北工业大学出版社2001年10月第一版
[18] 陈楷民，帅锐．《虚拟环境建模方法及应用》．北京：国防工业出版社，2004．1
[19] W.Kruger and C.A.Bohn. The responsive workbench: a virtual work environment. Computer, 1995
[20] 魏迎梅等译．[美]Grigore C．Burdea．[法]Philippe Coiffet．虚拟现实技术(第二版)．北京：电子工业出版社，2005
[21] 许云，任爱珠，江见鲸．虚拟现实技术WTK及应用开发．计算机工程．2001，27(5)：68-70
[22] 吴晓，丁国富，王金诺．基于WTK的虚拟环境建模方法与应用研究．计算机应用研究．2001(2)：23-25
[23] 唐秋华，陈定方，孔建益．虚拟现实工具包WTK接口开发技术．武汉理工大学学报． 2001，23(10)：38-41
[24] S. Jayaram, H.I.Connacher and K.W.Lyons. Virtual assembly using virtual reality techniques. Computer-Aided Design, 1997
[25] 焦培刚，周以齐，王灿运，胡效东．基于Creator可视化仿真建模优化方法的探讨[J]．机电产品开发与创新，2006，19(2)：86
[26] MultiGen Paradigm, Inc. The MultiGen Creator Online Help Summary[M].U.S.A: MultiGen Paradigm, 2003
[27] MultiGen Paradigm, Inc. The MultiGen Desktop Tutor[M].U.S.A: MultiGen Paradigm. 2003
[28] MultiGen Paradigm, Inc.Creating Models for Simulations[M].U.S.A: MultiGen Paradigm. 2003
[29] 胡麒麟．《基于MultiGen的三维建模和基于Vega的图形驱动在岸边集装箱起重机仿真训练器中的应用》．2004：19
[30] 陈楷民，帅锐．基于VegaPrime的塔台视景仿真系统的实现[J]．中国民航飞行学院学报，2006，17(1)：20
[31] S.C.Fok, W.Xiang and EEYap. Feature-Based Component Models for Virtual Prototyping of Hydraulic Systems. Advanced Manufacture Technology, 2001
[32] 张秀山等．虚拟现实技术及编程技巧．国防科技大学出版社，1999年9月
[33] ayaram S, etal. VADE:A virtual assembly design environment. IEEE Computer Graphics and Ao01 ications, 1999
[34] 陈楷民，帅锐．基于Vega Prime的塔台视景仿真系统的实现[J]．中国民航飞行学院学报，2006，17(1)：21
[35] 张国东，秦丹，丁四华．德国桥式堆取料机在新集二矿选煤厂的应用[J]．选煤技术，2001年8月，第4期
[36] 孙方，徐清波．堆取料机斗轮传动系统结构分析及改进[J]．煤矿机械，1998年第12期
[37] 郑笑红．圆形料场堆取料机堆料臂复合运动分析[J]．矿山机械，2004(3)：23
[38] 方俊峰．圆形堆取料机在水泥生产各种的应用[J]．四川水泥，2002(2)：27-28
[39] 张喜军．圆形混匀料场刮板堆取料机结构形式及物料混匀工艺[J]．起重运输机械，1999(1)：22
[40] 林锦尧，尹勇，等．集装箱装卸仿真系统的运动模型和原型机[J]．系统仿真学报，2004
[41] 朱林，陈发，努尔夏提·朱马西，王学农．机械虚拟设计中基于特征的零件实体建模技术．《新疆农机化》2002年第6期
[42] 李为真，伍北成，等．最新ProEngineer 20001应用实例教程[M]．北京：冶金工业出版社，2000
[43] 尹勇，林锦尧，郭国忠．采用VR技术的集装箱吊装模拟器原型机的研究．系统仿真学报，2004
[44] 焦培刚，周以齐，王灿运，胡效东．基于Creator可视化仿真建模优化方法的探讨[J]．机电产品开发与创新，2006，19(2)：86
[45] 王延红，杨平利，仇小鹏，陈晖．仿真建模软件Creator的应用技术[J]．计算机仿真，2005，22(7)：181
[46] 洪光，李洪儒，牟建国．基于Creator的三维模型的简化研究[J]．计算机仿真，2004，21(1)：58
[47] Virtue 3D's VSimplify plug-in for MultiGen Creator 2.1 simplifies OpenFlight models.
[48] 张德锋，王华兵，薛原，聂孝亮．基于Vega Prime的视景仿真技术研究与应用
[49] Dani, T.H.and Gadh, R. Networked Virtual Reality for Collaborative Design.31~(st) CIRP International Seminar on Manufacturing Systems, Berkeley, CA, 1998
[50] 黄维通．Visual C++面向对象与可视化程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2000
[51] 江义华．C／C++完美演绎[M]．北京：中国水利水电出版社，2001年9月
[52] 杨勇，殷宏，宋晓江．基于Vega Prime／Creator的三维环境仿真系统开发[J]．计算机与信息技术，2005(4)：31
[53] Antonino, G.S. and Zachmann, G. Integrating Virtual Reality for Virtual Prototyping. Proceedings ASME Design Technical Conference and Computers in Engineering Conference, DETC98/CIE-5536, Atlanta, Georgia, September 13-16
[54] 张德锋，王华兵，薛原，聂孝亮．基于Vega Prime的视景仿真技术研究与应用
[55] 郑淳，尚涛．Vega Prime环境下的古建筑虚拟现实系统[J]．武汉大学学报(工学版)，2006，39(2)：84-85
[56] Jayaram S, etal. VADE:A virtual assembly design environment. IEEE Computer Graphics and Ao01 ications, 1999
[57] P.Zerfass, E.Keeve. Towards a virtual environment for biomechanical simulation[J]. International Congress Series 1230(2001)