1、引言
    隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機在圖像處理和輔助設(shè)計方面的應(yīng)用進一步拓寬和深化，尤其是人與信息科學相結(jié)合的高新技術(shù)一可視化(Visualization)與虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)，給計算機應(yīng)用帶來了新的活力。虛擬現(xiàn)實技術(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)計人員借助于這樣的虛擬環(huán)境可以在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，對產(chǎn)品進行虛擬設(shè)計、加工、裝配和評價，避免設(shè)計缺陷，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時降低產(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交互、虛擬環(huán)境中物體的行為以及時間的流逝等。
    虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：
    (1)動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)：虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心內(nèi)容。動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)的目的是獲取實際環(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)實時三維圖形生成技術(shù)：三維圖形的生成技術(shù)已經(jīng)較為成熟，關(guān)鍵是如何實時生成。
    (3)傳感技術(shù)：虛擬現(xiàn)實中的人機交互效應(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)實具有三個最主要的特征嘲 -
    (l)多感知性(Multi-Sensation)：理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、運動感知、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。
    (3)實時交互性(Real-time Interactivity)和自主性(Autonomy)：實時交互性是指用戶對模擬環(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)備對于安全高效、自動化的要求，可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)將會成為滿足這一需求的有效手段。本文將虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機設(shè)計，開發(fā)了帶式輸送機設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了輔助側(cè)形設(shè)計、模型修改、載荷分析、靜態(tài)分析和動態(tài)仿真分析等。
2、帶式輸送機及其設(shè)計技術(shù)
    帶式輸送機是以膠帶、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械。如圖1所示為幾種典型的水平運輸?shù)妮斔蜋C系統(tǒng)布置圈。帶式輸送機結(jié)構(gòu)簡單，輸送物料范圍廣泛，輸送量大，運距長，裝卸料方便，基建投資省，營運費、維修費低廉，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)。
    帶式輸送機系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是隨著輸送機運量、運速和運距的提高，大型帶式輸送機系統(tǒng)應(yīng)用出現(xiàn)了一些嚴重問題，如跑偏、縱向褶皺、飄帶、動力故障等。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，必須應(yīng)用先進的分析技術(shù)和分析系統(tǒng)，對其基本運動、受力和強度進行深入的計算分析，對動態(tài)響應(yīng)進行詳細的仿真計算和分析，以便對實際運行中可能出現(xiàn)的故障進行研究，并提供最佳解決方案。
    在輸送機系統(tǒng)設(shè)計中運用虛擬設(shè)計技術(shù)可大大提升設(shè)計系統(tǒng)可用率及準確率，提高工程可行性并降低設(shè)計、施工、維護成本。根據(jù)國際上對機械工程領(lǐng)域產(chǎn)品性能試驗和研究開發(fā)手段的統(tǒng)計和預(yù)測，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)實物試驗研究方法，將在很大程度上被迅速發(fā)展起來的計算機數(shù)字化仿真技術(shù)所取代。運用虛擬設(shè)計技術(shù)可以方便地進行系統(tǒng)全過程的動態(tài)仿真分析與研究，確保輸送機系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定和高效。
    大型帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計主要包括側(cè)形設(shè)計，各種運行環(huán)境（如夏季與冬季）、運行工況（包括啟動、正常運行、自由停機和制動）下的載荷分析、強度分析以及動態(tài)響應(yīng)分析等。本文以大型帶式輸送機系統(tǒng)為對象，研究虛擬設(shè)計技術(shù)在大型帶式輸送機設(shè)計中的應(yīng)用技術(shù)，并開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計軟件系統(tǒng)。
3、基于虛擬設(shè)計技術(shù)的帶式輸送機設(shè)計系統(tǒng)
    虛擬設(shè)計技術(shù)可以應(yīng)用于帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計的許多方面，例如可視化動態(tài)側(cè)形設(shè)計、模型驗證和動態(tài)仿真分析等。本文應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)開發(fā)了帶式輸送機設(shè)計軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了可視化動態(tài)側(cè)形建模、模型驗證、虛擬載荷分析、動態(tài)響應(yīng)仿真分析、虛擬監(jiān)測控制和三維虛擬場景等功能。
3.1開發(fā)環(huán)境
    系統(tǒng)采用c++語言作為編程語言。運用c++語言面向?qū)ο�、可視化快速�?yīng)用程序開發(fā)和直接數(shù)據(jù)庫訪問等特點，開發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)的帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計軟件。
     帶式輸送機設(shè)計中涉及大量標準及其選型數(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，對操作系統(tǒng)要求低，每個數(shù)據(jù)庫文件可以包括多個數(shù)據(jù)表，操作使用方便。系統(tǒng)使用了兩個數(shù)據(jù)摩文件。一個是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫文件，用于保存CEMA標準參數(shù)、部件型表和設(shè)計模板等，供設(shè)計選型使用。另一個是項目數(shù)據(jù)庫文件，為每個設(shè)計項目創(chuàng)建，用于保存該項目的設(shè)計參數(shù)、分析模型和計算分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。
3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
    輸送機設(shè)計是在給定運量、輸送物料、地形路線和運行環(huán)境等條件下，進行側(cè)形、輸送帶、托輥、拉緊、滾筒、電動機、制動器等部件的設(shè)計，使輸送機在正常啟動、額定運行和緊急制動等工況下，在靜強度和動特性方面，均能滿足輸送機安全、穩(wěn)定、可靠的要求。輸送機設(shè)計系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與功能模塊如圖2所示。
3.3輸送機的虛擬設(shè)計
    虛擬設(shè)計技術(shù)在輸送機設(shè)計系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
3.3.1圖形化虛擬建模
    輸送機設(shè)計的第一步是側(cè)形設(shè)計。系統(tǒng)建立了常用零部件的動畫組件，包括輸送帶、料斗、驅(qū)動滾筒、改向滾筒、壓面滾筒、拉緊裝置、翻帶裝置等。在側(cè)形設(shè)計時（如圖3所示），可以根據(jù)需要在圖形設(shè)計界面上，直接通過鼠標操作來放置或移動組件，并設(shè)置組件屬性，如顯示顏色、動畫參數(shù)等。
3.3.2可視化計算與分析
    大型帶式輸送機是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)。為了彤象地反映設(shè)計進程和清晰地表達設(shè)計結(jié)果，軟件充分運用可視化技術(shù)，實現(xiàn)計算與分析過程和結(jié)果的可視化。在零部件設(shè)計發(fā)生變化時，通過可視化計算演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)，如在各種運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)擬運行
    完成側(cè)形設(shè)計和設(shè)計計算后，通過虛擬運行，對輸送機進行動態(tài)仿真，形象地展示輸送機在啟動、額定運行、停機和制動等工況下的運行情況。動畫模擬時，皮帶傳動，滾筒旋轉(zhuǎn)，物料移動，各種參數(shù)在吏時變化。在虛擬環(huán)境中，通過觀察分析輸送機在各種工況下的運行過程以及各種運行參數(shù)的變化情況，對設(shè)計方案進行評價，體現(xiàn)虛擬設(shè)計技術(shù)帶來的種種便捷，在設(shè)計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)測及控制
    在虛擬運行中，可以設(shè)置虛擬監(jiān)測點。通過實時計算虛擬測點的監(jiān)測值，得到監(jiān)測參數(shù)曲線，如緊急停機操作時的運行速度、加速度、沖擊力、張力、應(yīng)力、應(yīng)變、振動等。通過對虛擬監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，為輸送機設(shè)計提供改進和優(yōu)化依據(jù)，避免實際運行時出現(xiàn)問題而帶來巨大經(jīng)濟損失。通過虛擬監(jiān)測還可以為輸送機控制系統(tǒng)提供操作建議，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行的虛擬控制。例如，將虛擬監(jiān)測的應(yīng)力分析結(jié)果加載到模型中，根據(jù)實際的啟動或停機時間、速度和加速度，控制輸送機的運行。
3.4虛擬輸送場景
    借助鍵盤、鼠標、顯示器等標準外設(shè)和軟件建模技術(shù)來營造一個窗口式的虛擬環(huán)境，使設(shè)計人員可直接在建模環(huán)境中構(gòu)建逼真的系統(tǒng)模型，完成輸送機系統(tǒng)的整體方案設(shè)計，展示輸送機系統(tǒng)場景。
    虛擬輸送場景采用大焦距的虛擬環(huán)境。將視點固定在輸送機上方的幾個位置，可以看到輸送機系統(tǒng)空間狀態(tài)的演化過程。由于視點相對固定，視野開闊，設(shè)計者可以清楚地觀察機架的升高，堆取料場的擴大，運輸線路的架設(shè)、轉(zhuǎn)彎，進料點等，同時在另一窗口中顯示輸送帶張力隨時間、物料的變化曲線。
    另外，在頭尾部驅(qū)動、輸送帶、堆取料場等虛擬位置增加小范圍視點，視野集中，讓觀察者跟隨虛擬物料的輸送過程，在設(shè)計階段就可以親歷感受現(xiàn)場效果。觀察者可以在輸送現(xiàn)場的任意地方觀察輸送系統(tǒng)的運行，就像在觀察…個真實運行的運輸場地，有在皮帶上運送的虛擬物料，有旋轉(zhuǎn)的滾筒和托輥，有加料的進料斗，還有裝卸貨物的虛擬堆取料機等等。
    在輸送機設(shè)計系統(tǒng)中進行虛擬輸送場景模擬，使得設(shè)計者既能從總體上把握工程主體布置，又能觀測分析各點微觀受力、變形等情況。通過對計算機模擬工程現(xiàn)場和工作過程的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，將隱患消除在設(shè)計環(huán)節(jié)，優(yōu)化輸送機設(shè)計和運行控制，使輸送機運行更安全，更穩(wěn)定可靠。
4、結(jié)論
    大運量、高帶速和長距離帶式輸送機的應(yīng)用符合現(xiàn)代化工業(yè)需要。對大型輸送機設(shè)計技術(shù)提出了更高要求，應(yīng)用先進的設(shè)計分析技術(shù)和系統(tǒng)軟件，是設(shè)計安全、穩(wěn)定、高效和節(jié)能的輸送機的需要。
    本文將虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機設(shè)計，開發(fā)了基于虛擬設(shè)計技術(shù)的帶式輸送機設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮慕M件技術(shù)，建立可視化動態(tài)圖形組件，將其應(yīng)用于帶式輸送機模型的虛擬設(shè)計，實現(xiàn)了可視化動態(tài)側(cè)形建模、模型驗證、虛擬載荷分析、動態(tài)響應(yīng)仿真分析、虛擬監(jiān)測控制和三維虛擬場景等功能。
    應(yīng)用本系統(tǒng)對國內(nèi)某大型帶式輸送機系統(tǒng)進行設(shè)計分析，取得了良好的效果。應(yīng)用表明，采用虛擬設(shè)計技術(shù)進行大型帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計分析是切實有效的，可以大大縮短設(shè)計周期，節(jié)約設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量，確保設(shè)計安全可靠。