Modelowanie I Animacja Układów Napędowych Parowozów W Programie 3Ds Max
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Rok akademicki 2011/2012 Politechnika Warszawska Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Instytut Informatyki Praca Dyplomowa Inżynierska Marcin Gecow Modelowanie i animacja układów napędowych parowozów w programie 3ds Max Opiekun pracy dr inż. Cezary Stępień Ocena: . ......................................... Podpis Przewodniczącego Komisji Egzaminu Dyplomowego Specjalność: Inżynieria Systemów Informatycznych Data urodzenia: 1988.03.28 Data rozpoczęcia studiów: 2008.02.21 Życiorys Urodziłem się 28.03.1988r. w Warszawie. W roku 2004 rozpocząłem naukę w XIV Liceum Ogólnokształcącym im. Stanisława Staszica w Warszawie. Po zdaniu egzami- nów maturalnych dostałem się na studia dzienne I stopnia na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej na kierunek Informatyka. Od trzeciego roku studiów moją wybraną specjalnością jest Inżynieria Systemów Infor- matycznych w Instytucie Informatyki. Poza studiami interesuję się fotografią, turystyką oraz sportami zespołowymi. ..................................... Podpis studenta EGZAMIN DYPLOMOWY Złożył egzamin dyplomowy w dniu . 2012 r. z wynikiem . Ogólny wynik studiów . Dodatkowe wnioski i uwagi Komisji: . .................................................................................. .................................................................................. STRESZCZENIE Niniejsza praca dotyczy modelowania i animacji mechanizmów napędowych pa- rowozów. Ma na celu utworzenie narzędzia w środowisku 3ds Max, umożliwiającego szybkie i łatwe odtworzenie zależności mechanicznych takiego układu. Do realiza- cji został wybrany układ napędowy Walschaertsa-Heusingera, gdyż jest najbardziej popularny wśród maszyn parowych. Pracę zrealizowano w programie firmy Autodesk — 3ds Max, z wykorzystaniem dostarczonego języka skryptowego — MAXScript. Kwestie mechanizmów zosta- ły rozwiązane z wykorzystaniem algorytmów kinematyki odwrotnej. Przygotowa- ny skrypt umożliwia utworzenie odpowiedniego systemu zależności mechanicznych, adekwatnych do realizowanego układu napędowego. Słowa kluczowe: kinematyka odwrotna, MAXScript, parowóz, układ napędowy, układ korbowy, rozrząd pary, modelowanie, animacja, grafika komputerowa MODELING AND ANIMATION OF STEAM LOCOMOTIVE VALVE GEAR IN 3DS MAX This thesis concerns the modeling and animating of mechanisms of steam lo- comotive valve gear. Its aim is to create a tool in a 3ds Max environment which enables quick and easy reconstruction of mechanical dependences of system of this type. To implementation was chosen Walschaerts-Heusingers valve gear, since it is the most popular steam locomotive. The work was realized in the Autodesk’s program — 3ds Max, at use of sup- plied scripting language — MAXScript. Problems of mechanisms have been solved with the use of inverse kinematics algorithms. Created script enables creation of an appropriate system of mechanical dependences relevant for realized drive system. Keywords: inverse kinematic, MAXScript, steam locomotive, drive system, crank system, valve gear, modeling, animation, computer graphics Spis treści 1. Wstęp .........................................6 1.1. Cel pracy . .6 1.2. Układy napędowe w parowozach . .6 1.3. Zasada działania systemu Walschaertsa-Heusingera . .8 2. Dostępne metody animacji układu ....................... 10 2.1. Opis ruchu z pomocą funkcji matematycznych . 10 2.2. Zastosowanie ograniczników . 11 2.3. Zastosowanie systemów kości . 13 2.4. Zastosowanie algorytmów kinematyki odwrotnej bez wykorzystania systemów kości . 14 3. Założenia projektowe ................................ 16 3.1. Środowisko graficzne Autodesk 3ds Max .................... 16 3.2. Zastosowanie języka MAXScript ........................ 16 3.3. Możliwość korzystania z fotografii . 17 3.4. Uniwersalność rozwiązania . 17 4. Projekt rozwiązania ................................. 18 4.1. Działanie narzędzia . 18 4.2. Podział na podzespoły . 19 5. Opis implementacji ................................. 23 5.1. Łączenie podzespołów . 23 5.2. Zakończenia podzespołów . 23 5.2.1. Końcowy efektor . 24 5.2.2. Wiązania . 24 5.3. Kulisa — realizacja łuku . 24 5.4. Kulisa — środek okręgu . 25 5.4.1. Wyznaczenie środka okręgu na podstawie trzech punktów . 25 5.4.2. Wyznaczenie środka okręgu na podstawie dwóch punktów oraz promienia . 26 5.5. Możliwość korzystania z fotografii . 28 5.5.1. Ustawienie tapety . 29 5.5.2. Nałożenie tekstury . 31 5.6. Parametry algorytmu kinematyki odwrotnej . 31 6. Opis wyników weryfikacji opracowanego rozwiązania ............ 33 6.1. Modelowanie parowozu TKh1-191 . 33 6.2. Modelowanie parowozu Las47 . 36 6.3. Modelowanie parowozu Ty2-50 . 38 6.4. Modelowanie parowozu Ty51-137 . 41 6.5. Opis wizualizacji realistycznej parowozu TKh1-191 . 45 6.6. Wnioski . 47 7. Podsumowanie .................................... 48 Bibliografia ........................................ 49 Spis rysunków ...................................... 50 Spis treści 5 Dodatki .......................................... 52 Dodatek A. Dokumentacja techniczna . 52 A.1. Wykaz głównych funkcji i złożonych obiektów . 52 A.2. Instrukcja obsługi . 52 A.2.1. Instalacja . 52 A.2.2. Obsługa . 53 Dodatek B. Układ napędowy parowozu w ujęciu historycznym . 55 Dodatek C. Skrypt . 55 Dodatek D. Zawartość płyty CD . 66 D.1. Opis animacji umieszczonych na płycie CD . 66 1. Wstęp Przyrost mocy obliczeniowych komputerów powoduje, że coraz skuteczniej wy- korzystywane są one do tworzenia przeróżnych przestrzennych animacji. Równole- gle rośnie stale zapotrzebowanie na coraz bardziej specjalistyczne oprogramowanie ułatwiające i przyspieszające pracę grafików komputerowych. Dlatego cały czas po- wstają dla nich przeróżne, nowe narzędzia. 1.1. Cel pracy Celem pracy jest opracowanie narzędzia graficznego w standardzie 3D, ułatwia- jącego modelowanie i animację układów napędowych parowozów. Jest ich wiele rodzajów. Przygotowane narzędzie ma służyć do modelowania najbardziej rozpo- wszechnionego napędu, jakim jest system Walschaertsa-Heusingera. Niniejsza praca służy do odtworzenia mechanicznych zależności, które można potem wykorzystać w animacji parowozów. 1.2. Układy napędowe w parowozach Jednym z fragmentów mechanizmu napędowego parowozu jest układ korbowy. Energia dostarczana z kotła w postaci gorącej, sprężonej pary wprawia w ruch tłoki. Układ korbowy zamienia ruch posuwisto-zwrotny na ruch obrotowy. Zwykle składa się on z korby, korbowodu oraz suwaka (rysunek 1.1). Rysunek 1.1. Układ korbowy Jeden koniec korbowodu jest przymocowany wahliwie do elementu posuwisto-zwrotnego — suwaka. W typowym silniku samochodowym suwakiem jest tłok, a w parowozie jest to tzw. krzyżulec będący zakończeniem tłoczyska. Natomiast funkcję korby w lokomotywach parowych pełni koło. Oprócz tego w mechanizmie napędowym parowozu jest układ dźwigni stano- wiący rozrząd pary, dzięki któremu można sterować kierunkiem i prędkością jazdy. Rozdział 1. Wstęp 7 Nadzoruje on pracę suwaka zaworu, który odpowiada za to, z której strony oraz ile pary zostanie wpuszczone do cylindrów. Kierunek jazdy jest wynikiem zależno- ści czasowych pomiędzy ruchem poszczególnych elementów układu. Ilość dostarcza- nej pary wpływa na prędkość. Schemat budowy wraz z opisem układu napędowego Walschaertsa-Heusingera przedstawia rysunek 1.2. Nazwy poszczególnych elementów: 1. koło silnikowe, 11. ramię wsteczne nastawnika, 2. koła wiązane, 12. wodzidło suwaka, 3. wiązar, 13. krzyżulec, 4. korba mimośrodu, 14. wodzik wahacza, 5. drążek mimośrodowy, 15. prowadnica trzonu suwaka, 6. korbowód, 16. wahacz krzyżulcowy, 7. drąg stawidłowy, 17. trzon tłokowy, 8. łącznik wodzidła, 18. trzon suwaka, 9. kulisa, 19. suwak. 10. ramię unoszące nastawnika, Rysunek 1.2. Mechanizm napędowy i parorozdzielczy Rysunek na podstawie grafiki ze strony http://pl.wikipedia.org/wiki/Parowóz W parowozach układ napędowy zazwyczaj składa się z dwóch lustrzanych mecha- nizmów. Konstruowano również parowozy o 3 lub 4 cylindrach. Czasami zdarzały się parowozy 6-cylindrowe. Parowozy mające więcej niż 6 cylindrów występowały bardzo rzadko. Większa liczba cylindrów pozwalała na wzrost sprawności poprzez zastosowanie silnika o podwójnym rozprężaniu. Para, pod dużym ciśnieniem, dopły- wała do cylindra wysokociśnieniowego, a następnie była źródłem zasilania znacznie większego cylindra niskociśnieniowego. Przykładem konstrukcji składającej się z dwóch lustrzanych mechanizmów jest system Walschaertsa-Heusingera. Jeden mechanizm jest po lewej, drugi po prawej stronie parowozu. Mechanizmy te są przesunięte w fazie, by wyeliminować wzajemnie tzw. martwe punkty. Wszystkie rozważania w niniejszej pracy dotyczą jednego z tych mechanizmów. Najczęściej stosowany system Walschaertsa-Heusingera, wybrany jako główny w tej pracy, skonstruowany został w roku 1850 i szybko rozpowszechnił się na całym świecie. Swój sukces zawdzięczał precyzyjnej pracy oraz ważnej przy utrzymaniu — prostocie. Niniejsza praca dotyczy tego właśnie systemu. Rozdział 1. Wstęp 8 1.3. Zasada działania systemu Walschaertsa-Heusingera Zasadniczymi elementami silnika parowego są: cylinder z tłokiem oraz mecha- nizm korbowy. Na rysunku 1.3 przedstawione są dwa uproszczone schematy maszyny parowej. W obu przypadkach układy korbowe i tłoki są w tym samym położeniu. Cylindry z tłokami mają po dwie komory. Do jednej z nich jest wpuszczana gorąca para pod ciśnieniem. Komora przeciwległa jest połączona z układem wydechowym. Różnica ciśnień powoduje jednostronne parcie na tłok, w wyniku czego przesuwa się on zgodnie z kierunkiem tej siły. W zależności od tego, do której z komór zostanie wpuszczona