基于Virtools的齿轮泵虚拟装配训练系统

1、第25卷第3期苏 州 大 学 学 报(工 科 版Vol.25No.32005年6月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY(ENGINEERING SC IENCE EDITIONJun.2005文章编号:1673-047X(200503-0029-04线天线辐射特性的矩量法分析吴晓英,刘学观(苏州大学电子信息学院,江苏苏州215006摘 要:用矩量法对偶极子天线上的电流分布进行了分析,对电流分布的海伦方程用点匹配法进行了求解,最后得到了天线的电流分布和功率辐射方向图。关键词:矩量法;电流分布;功率方向图中图分类号:TN92 文献标识码:A0 引言随着现代通信技术的迅猛发展,

2、无线通讯越来越广泛,越来越多地应用于国防建设、经济建设以及人民生活等领域。在无线通信系统中,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转变为导波能量。用来辐射或接收无线电波的装置称为天线。天线在无线通讯中有着极其重要的作用,它的性能的好坏直接影响到通讯质量的优劣。因此,对天线辐射特性的研究有着极其重要的作用。矩量法1是分析各种电磁散射与辐射问题的主要方法之一。在进行自然科学与工程问题的研究中,需要求解微分方程、积分方程以及其他泛函方程的数学问题。对于边界不复杂的问题可用解析法得到精确解。但在实际工作中却常常会遇到较复杂的边值问题,用解析法不能得到解答。20世纪60年代年代以来,由

3、于电子计算机和近代技术物理的发展更加促进了数值方法的新发展。数值法可将微分方程化为差分方程,或将积分方程中的积分化为有限求和建立代数方程,也可将微分方程或积分方程用矩量法求解。它的基本思想是将一个泛函方程化为矩阵方程,然后用人们熟悉的方法求解该矩阵方程。矩量法是一种误差最小的方法。本文用矩量法对偶极子天线进行了分析,对天线上的电流分布用点匹配法对海伦方程2进行了原理的推导,最后得到它的电流分布图和功率辐射图。从而验证了矩量法作为研究电磁问题的数值方法之一,在分析天线的散射与辐射中能得到较好的结果。1 矩量法基本原理3,5在电磁场散射问题中,假如一金属导体其表面电流密度为J ,由边界条件4知道,

4、在导体表面切向电场为零。即E s t +E it =O (1E s t 为由导体表面的电流产生的散射场的切向分量,E i t 为由导体上或导体外源的入射场在导体表面的切向分量。略去下标后得-E s =E i(2定义算子L (J =-E s =E i(3我们首先将J 展开为基函数的级数,基函数的各项为J 1,J 2,J 3, J N ,因而J 可近似表示为JNn=1I n J n(4收稿日期:2005-03-29作者简介:吴晓英(1981-,女,硕士研究生,主要研究方向为无线通信。上式中I n 为待求的系数,一般为复数。当求得I n 后,便可知道总电流的幅度和相位。将式(4代入式(3中,可得到L

5、Nn=1I n J n=E i(5由于算子的线性关系,可知Nn=1I n L (J n =Ei(6定义一组检验函数 1, 2, 3 且这些检验函数在算子L 域内,对式(6求内积如下Nn =1I n m ,L (J n = m ,E i (7若令 m =J m ,则这种方法称为伽略金法。这样(7式变为Nn =1I n J m ,L (J n =J m ,E i (8则构成下列矩阵方程J m ,L (J 1 J 1,L (J 2 J 2,L (J 2 J 2,L (J 2I 1I 2 I N=J 1,E i J 2,E i J m ,E i(9式(9也可以写成ZI =V (10式中Z 的元素称为广

6、义阻抗,I 的元素称为广义电流,V 的元素称为广义电压,对于不同的问题,它们可以具有不同的含义。由式(10,可得I =Z -1V (11选择狄拉克(Dirac 函数作为检验函数的方法称之为点匹配法。2 点匹配法的实现图1 偶极子天线为了研究线天线的特性,必须知道天线上的电流分布。如图1所示是偶极子天线,现在用点匹配法计算表述该对称天线上电流分布的海伦积分方程630j+l -l I (z e -j k r r d z =C 1cos k z +V 02sin k |z |选择展开函数为I (z =ni=1a i sin ik (l -|z |首先对海伦方程进行等式变换,得+l-l I (z e

7、-j k r r d z =130j C 1cos k z +V 02sin k |z |(12选取L ( =30j+l-l e -j k r r d zg =130j C 1cos k z +V 02sin k |z |(13u =I (z =ni=1a i sin ik (l -|z |W i = (r -r i 30苏州大学学报(工科版 第3期则由nj =1w i ,L (u j a j =w i ,g 可得W 1,L (u 1 W 1,L (u 2 W 1,L (u n W 2,L (u 1 W 2,L (u 2 W 2,L (u n W n ,L (u 1 W n ,L (u 2W

8、n ,L (u n a 1a 2 a n=W 1,g W 2,gW n ,g (14则(r -r 1,L (u 1 (r -r 1,L (u 2 (r -r 1,L (u n (r -r 2,L (u 1 (r -r 2,L (u 2 (r -r 2,L (u n (r -r n ,L (u 1 (r -r n ,L (u 2 (r -r n ,L (u n a 1a 2 a n=(r -r 1,g (r -r 2,g (r -r n ,g(15令Z nNm M = (r -r nN ,L (u mM =10 (r -r nN,L (u mM d z =+l-lsin mMk (1-|z |e

9、 -j k r nMr nN d z(其中:r nN =a 2+( z nN -z 2 nN =1 n(16V nN = (r -r nN ,g =10(r -r nN g d z =130j C 1cos k z nN +V 02sin k |z nN |则(2式可以变为Z 11Z 12 Z 1n Z 21Z 22 Z 2n Z nN 1Z nN 2 Z nNnA V irtools -based Trai n ing Syste m of V irtual Asse m bly for G ear Pu mpC HU Sh iguang ,Z HANG Zh il,i LI X iangy

10、ang ,LONG Yong(State K ey Lab ofA r m a m ent Launch Theory and Techno l o gy ,The Second A rtillery Eng i n eeri n g Co llege ,X i an Shaanx i 710025,Ch i n aAbstrac t :T he assemb l y traini ng f o r gear pu m p i s an i m po rtant part of hydrau li c system s m aintenance traini ng .In order to i

11、 m -prove the tra i ni ng e ffect o f schoo ls and tra i ning agencies ,and m ake w orkers grasp the me t hod of gear pu m p s asse m bly qu ick l y ,thetra i ning syste m of v irtual asse m bl y for gear pu m p was desi gned .A g ener i c design conception was proposed for t he V i rtoo ls -based t

12、ra i n -i ng system.The 3D soli d models o f gear pu m p s components w ere bu ilt usi ng CAT I A.T he trai n i ng syste m w as desi gned v ia V irt oo ls p l a tfor m.T he developed syste m prov i des an env iron m en t which is fr i end l y ,i nte ractive and si m ple operated .It can m ee t the d

13、em and for tra i n i ng of schoo l s and tra i ning agencies .K eyword s :CAT I A;V irtoo l s ;G ear pump ;V irt ua l asse m bly在传统的装备维修训练中,维修工人主要是通过分析二维工程图纸以及装配工艺来完成装配任务,装配训练效率低,质量不高。虚拟装配技术将虚拟样机和直接操作方式结合在一起,提供的是实物装配过程的行为模拟,通过虚拟现实系统,工人能够在虚拟环境中观察产品的装配过程并直接操作零件模型,有效地促进了工人对装配任务的理解和感知1。通过虚拟装配过程的训练,操作工人能

14、够熟练掌握机器装配的操作技能,对难度较大、成本较高、有挑战性的装配将是很好的演习训练机会。作者研究的齿轮泵虚拟装配训练系统就是在计算机上完成齿轮泵产品元件的实体造型,并且进行齿轮泵的装配分析、干涉分析等多次协调设计,实现齿轮泵产品的三维设计与元件装配,使工人能够交互式地完成齿轮泵的装配,有效提高了工人的操作技能。1 基于V irtoo ls 的齿轮泵虚拟装配训练系统的开发流程该系统具有向使用者提供操作说明、演示齿轮泵装配过程的动画和在文字提示下引导使用者装配齿轮泵等功能。由于V irtoo ls 本身没有建模功能,其建立三维模型的功能需要借助外部三维建模软件来完成,图1 齿轮泵虚拟装配训练系统

15、开发流程因此该系统的设计首先采用CAT I A 完成齿轮泵产品软件的实体造型,保存为两款软件遵循的工业标准格式 * 3dx m ;l 然后导入V irtoo ls 中,在V irtools 提供的图形开发界面中,添加行为模块,并编辑脚本,实现各种预定的功能;最后将系统输出展示,开发流程如图1所示。2 基于C ATI A 的模型建立2 1 零部件建模齿轮泵主要由左端盖、泵体、传动齿轮轴、右端盖、螺钉和密封圈等零件组成2图2 电流分布和功率辐射图(n =112 2 装配体的生成齿轮泵的零部件设计完成后,要把这些零部件根据设计要求组装起来,生成装配体,以实现产品功能,这就要求零件之间的装配合理准确。

16、用CAT I A 中的相和、接触、距离、角度等命令来完成零部件的装配设计,只要定义出相关零件之间的约束关系,系统就能够根据给出的约束要求,将各零件装配到位。装配方法分为:T op -do wn 自顶向下的设计模式和Bo-tto m-up 自底向上的设计模式。Botto m-up 自底向上的设计模式的主要思路是先设计零件,再将这些零件进行装配。T op -do wn 自顶向下的设计模式更符合产品的开发过程,从功能建模开始,根据产品的功能要求和设计约束,来确定零件的初步设计模型,再进行修改、细化、完善形成零件,最终完成整个设计过程3。由于该产品的三维模型建立过程中,有现成的图纸,各零部件的信息比较

17、全面,故采用Botto m-up 设计模式。完成了装配体的生成后,为了以后便于在V irtools 中调用各零部件,还要对齿轮泵装配体的结构树进行调整,使各零部件的顺序更加符合实际的拆装顺序,装配体的模型及结构树如图2 所示。图2 齿轮泵的装配图Analysis for Radiation of Antennas by Moment MethodWU Xiao y ing,LIU Xue guan(College of Electr onic and Inf ormation E ngineering ,S oochow Univer sity ,S uzhou 215021,China Ab

18、stract:The moment method is one of the methods for the studying antennas radiation and scattering.In this paper,we analyzed the current distribution of the antenna and solved the Hallen integral equation w ith the mo ment method.Finally,the chart for the amplitude of the current distribution and pow

19、er radiation are found.Key words:method of moment;current distribution;power radiation chart32。其包含的数百个V irtools 提供的模块(BB 行为交互模块,可以完成齿轮泵虚拟装配训练系统的三维实时浏览、实体三维变换、三维场景管理、环境效果等复杂三维程序开发。该装配训练系统主要设计了两种模式,即拆装演示模式和拆装指导模式,另外还增加了摄影机的设置,来实现多角度的浏览。3 1 拆装演示模式设计使用者在拆装演示模式中,可以在三维空间内多角度浏览齿轮泵具体装配工艺过程。齿轮泵的拆装演示创建先要在三维世界

20、编辑区导入* 3dx m l 模型文件,对于齿轮泵拆装演示的实现是通过对齿轮泵各零部件拆装前后的坐标值控制实现的,首先按照 螺钉 左端盖 螺塞 螺钉 右端盖 密封圈 主动齿轮轴 从动齿轮轴 密封圈 销子 泵体 的拆装顺序构建齿轮泵阵列,通过阵列存储齿轮泵各零件拆装前后的坐标值,然后通过阵列迭代器(Iterator实现对拆装后齿轮泵阵列的遍历,利用贝塞尔级数(Bezi er P r ogressi on 和内插运算(Interpolator实现各零部件拆装前坐标和拆装后坐标的获取以及零部件空间坐标的变换过渡,最后通过设定位置(Set Position模块将各零件放置在拆装后停留的空间位置5,齿轮

21、泵的拆卸演示控制模块如图3所示。装配过程与拆卸过程相反,只是将各零件拆 装前后的坐标位置调换一下。图3 齿轮泵的拆卸演示控制模块3 2 拆装指导模式设计使用者在拆装指导模式中,可以根据模式内设定的提示,通过鼠标、键盘控制,在三维空间内拾取零件,按照装配工序对齿轮泵进行拆装。根据设定的装配序列文字提示,通过鼠标点选、拖动将单个零件按照拆装演示的顺序提取出来,完成齿轮泵的交互拆卸;装配过程主要是通过鼠标点选、拖动将单个零件按照拆装演示的反顺序使零部件与处于初始坐标位置的辅助参考对象融合,从而使装配过74 机床与液压第39卷程更加次序化、形象化。鼠标点选、拖动零部件的脚本如图4所示,当点击鼠标左键并

22、按住时,鼠标点选(2D P icki ng模块就开始判断鼠标在空间中所点选到的实体对象,并且通过K ee p A ctive 模块使对象处于激活状态,当松开鼠标左键时,此实体对象便处于未激活状态;实体对象被激活后,就要使此实体对象跟随鼠标而移动,而V irtools 没有直接实现这个功能的行为交互模块,需要编写相关的VSL 来构建合适条件的移动实体(P lace Ent ity 模块代码。图4 点选、拖动控制模块3 3 摄影机的设定为了增强齿轮泵虚拟装配过程中使用者与场景的交互性,在V irtoo ls 中可以通过创建摄像机,并编写控制摄像机运动的脚本予以确定进入场景时的观察位置,同时也能实现

23、从不同角度观察齿轮泵的装配。主要控制包括视线的前进后退、左右旋转、左右平移、上下平移和仰视及俯视等,这些均是通过控制由视点指向参考点的视线变化来实现的。通过控制摄像机的前进后退、左右旋转、推近或拉远镜头实现多角度的观察场景,其实现过程是使用Create Ca m era 命令建立摄影机,通过图形化方法为摄影机创建对应脚本 ,图5 摄影机控制模块并对其参数进行相应设置,脚本如图5所示。该系统设计的是通过鼠标滚轮的转动实现视线的前进和后退;点击鼠标右键,并移动鼠标实现观察角度的改变;点击鼠标左键,移动鼠标实现上下左右平移。4 系统输出展示齿轮泵的虚拟装配训练系统完成后,有两种方式可以输出展示:(1

24、可执行播放方式,直接将整个虚拟装配系统以* v mo 文件格式保存,这种情况输出保存的文件可以直接在安装了V irtoo ls P layer 的计算机上播放。但对于较大的系统而言,更为方便的是生成 exe 可执行文件,但需要外挂V irtools M ake -Exe exe 和Custo mP laer e xe 文件来实现;(2网页播放方式,将整个虚拟装配系统以* ht m l 文件格式输出保存,用户只需要安装播放插件V irtools W eb P layer ,就可以进行单机操作,同时可以发布到网上进行展示6,方便工人远程操作和技术学习。5 结束语基于V irtools 的齿轮泵虚拟装配训练系统可以直观、真实、多角度、深层次地再现齿轮泵装配过程,使维修工人真实体验和掌握齿轮泵装配,尤其是在工厂培训和学校教学中都有