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1、引言
    隨著計算機技術的高速發展，計算機在圖像處理和輔助設計方面的應用進一步拓寬和深化，尤其是人與信息科學相結合的高新技術一可視化(Visualization)與虛擬現實(Virtual Reality)，給計算機應用帶來了新的活力。虛擬現實技術與已經高度發展的CAX(CAD、CAM及CAE等)系統的有機結合，為產品的創意、變更以及工藝優化提供了虛擬的三維環境。設計人員借助于這樣的虛擬環境可以在產品的設計過程中，對產品進行虛擬設計、加工、裝配和評價，避免設計缺陷，縮短產品的開發周期，同時降低產品的開發成本和制造成本。虛擬技術的核心是仿真，通過仿真來處理人機交互、虛擬環境中物體的行為以及時間的流逝等。
    虛擬現實的關鍵技術主要包括：
    (1)動態環境建模技術：虛擬環境的建立是虛擬現實技術的核心內容。動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境。
    (2)實時三維圖形生成技術：三維圖形的生成技術已經較為成熟，關鍵是如何實時生成。
    (3)傳感技術：虛擬現實中的人機交互效應主要由傳感技術來完成。
    (4)系統集成技術；虛擬現實中包含大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。
    虛擬現實具有三個最主要的特征嘲 -
    (l)多感知性(Multi-Sensation)：理想的虛擬現實技術應具有視覺感知、聽覺感知、觸覺感知、運動感知、味覺感知，嗅覺感知等。目前，由于相關技術的限制，虛擬現實技術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境中的物體的可操作程度和從環境中得到反饋的自然程度。自主性是指虛擬環境中物體依據物理定律動作的自然程度。
    在輸送領域中由于新技術和新設備的不斷引入，增加了輸送設備對于安全高效、自動化的要求，可視化和虛擬現實技術將會成為滿足這一需求的有效手段。本文將虛擬設計技術應用于帶式輸送機設計，開發了帶式輸送機設計系統，實現了輔助側形設計、模型修改、載荷分析、靜態分析和動態仿真分析等。
2、帶式輸送機及其設計技術
    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的輸送機系統布置圈。帶式輸送機結構簡單，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，廣泛應用于電力、冶金、煤炭、礦山、化工、港口等行業。
    帶式輸送機系統機械結構雖然簡單，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應用出現了一些嚴重問題，如跑偏、縱向褶皺、飄帶、動力故障等。因此，在系統設計時，必須應用先進的分析技術和分析系統，對其基本運動、受力和強度進行深入的計算分析，對動態響應進行詳細的仿真計算和分析，以便對實際運行中可能出現的故障進行研究，并提供最佳解決方案。
    在輸送機系統設計中運用虛擬設計技術可大大提升設計系統可用率及準確率，提高工程可行性并降低設計、施工、維護成本。根據國際上對機械工程領域產品性能試驗和研究開發手段的統計和預測，傳統的機械系統實物試驗研究方法，將在很大程度上被迅速發展起來的計算機數字化仿真技術所取代。運用虛擬設計技術可以方便地進行系統全過程的動態仿真分析與研究，確保輸送機系統運行的安全、穩定和高效。
    大型帶式輸送機系統設計主要包括側形設計，各種運行環境（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、強度分析以及動態響應分析等。本文以大型帶式輸送機系統為對象，研究虛擬設計技術在大型帶式輸送機設計中的應用技術，并開發相應的設計軟件系統。
3、基于虛擬設計技術的帶式輸送機設計系統
    虛擬設計技術可以應用于帶式輸送機系統設計的許多方面，例如可視化動態側形設計、模型驗證和動態仿真分析等。本文應用虛擬設計技術開發了帶式輸送機設計軟件系統，實現了可視化動態側形建模、模型驗證、虛擬載荷分析、動態響應仿真分析、虛擬監測控制和三維虛擬場景等功能。
3.1開發環境
    系統采用c++語言作為編程語言。運用c++語言面向對象、可視化快速應用程序開發和直接數據庫訪問等特點，開發基于Windows操作系統的帶式輸送機系統設計軟件。
     帶式輸送機設計中涉及大量標準及其選型數據，因此系統采用基于數據庫技術的軟件開發方法。數據庫采用微軟的Access數據庫。Access數據庫屬于文件型數據庫，對操作系統要求低，每個數據庫文件可以包括多個數據表，操作使用方便。系統使用了兩個數據摩文件。一個是系統數據庫文件，用于保存CEMA標準參數、部件型表和設計模板等，供設計選型使用。另一個是項目數據庫文件，為每個設計項目創建，用于保存該項目的設計參數、分析模型和計算分析結果數據等。
3.2系統結構與功能
    輸送機設計是在給定運量、輸送物料、地形路線和運行環境等條件下，進行側形、輸送帶、托輥、拉緊、滾筒、電動機、制動器等部件的設計，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、穩定、可靠的要求。輸送機設計系統軟件結構與功能模塊如圖2所示。
3.3輸送機的虛擬設計
    虛擬設計技術在輸送機設計系統軟件中的應用主要體現在以下幾個方面。
3.3.1圖形化虛擬建模
    輸送機設計的第一步是側形設計。系統建立了常用零部件的動畫組件，包括輸送帶、料斗、驅動滾筒、改向滾筒、壓面滾筒、拉緊裝置、翻帶裝置等。在側形設計時（如圖3所示），可以根據需要在圖形設計界面上，直接通過鼠標操作來放置或移動組件，并設置組件屬性，如顯示顏色、動畫參數等。
3.3.2可視化計算與分析
    大型帶式輸送機是一個復雜的機電系統。為了彤象地反映設計進程和清晰地表達設計結果，軟件充分運用可視化技術，實現計算與分析過程和結果的可視化。在零部件設計發生變化時，通過可視化計算演示系統結構的力學狀態，如在各種運行工況下輸送帶張力變化情況，輸送帶縱向應力分布及應力波傳播過程，輸送帶縱向應變情況，等等。
3.3.3應擬運行
    完成側形設計和設計計算后，通過虛擬運行，對輸送機進行動態仿真，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，物料移動，各種參數在吏時變化。在虛擬環境中，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的變化情況，對設計方案進行評價，體現虛擬設計技術帶來的種種便捷，在設計階段就可以自主直觀地配置和協調各相關因素，解決運行過程中功能、性能以及控制等的協調與配合。
3.3.4虛擬監測及控制
    在虛擬運行中，可以設置虛擬監測點。通過實時計算虛擬測點的監測值，得到監測參數曲線，如緊急停機操作時的運行速度、加速度、沖擊力、張力、應力、應變、振動等。通過對虛擬監測數據的分析，為輸送機設計提供改進和優化依據，避免實際運行時出現問題而帶來巨大經濟損失。通過虛擬監測還可以為輸送機控制系統提供操作建議，實現結構設計及運行的虛擬控制。例如，將虛擬監測的應力分析結果加載到模型中，根據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、顯示器等標準外設和軟件建模技術來營造一個窗口式的虛擬環境，使設計人員可直接在建模環境中構建逼真的系統模型，完成輸送機系統的整體方案設計，展示輸送機系統場景。
    虛擬輸送場景采用大焦距的虛擬環境。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空間狀態的演化過程。由于視點相對固定，視野開闊，設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、轉彎，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，在設計階段就可以親歷感受現場效果。觀察者可以在輸送現場的任意地方觀察輸送系統的運行，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。
    在輸送機設計系統中進行虛擬輸送場景模擬，使得設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場和工作過程的分析，發現設計缺陷，將隱患消除在設計環節，優化輸送機設計和運行控制，使輸送機運行更安全，更穩定可靠。
4、結論
    大運量、高帶速和長距離帶式輸送機的應用符合現代化工業需要。對大型輸送機設計技術提出了更高要求，應用先進的設計分析技術和系統軟件，是設計安全、穩定、高效和節能的輸送機的需要。
    本文將虛擬設計技術應用于帶式輸送機設計，開發了基于虛擬設計技術的帶式輸送機設計系統。系統采用面向對象的組件技術，建立可視化動態圖形組件，將其應用于帶式輸送機模型的虛擬設計，實現了可視化動態側形建模、模型驗證、虛擬載荷分析、動態響應仿真分析、虛擬監測控制和三維虛擬場景等功能。
    應用本系統對國內某大型帶式輸送機系統進行設計分析，取得了良好的效果。應用表明，采用虛擬設計技術進行大型帶式輸送機系統設計分析是切實有效的，可以大大縮短設計周期，節約設計成本，提高設計質量，確保設計安全可靠。