楊 光

（集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

在機(jī)械領(lǐng)域，虛擬設(shè)計(jì)的工業(yè)應(yīng)用主要以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)、虛擬裝配、動(dòng)態(tài)仿真、網(wǎng)絡(luò)交互等功能。虛擬設(shè)計(jì)可以表現(xiàn)產(chǎn)品的外觀以及動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真，如機(jī)器工作原理的虛擬表達(dá)、虛擬裝配過(guò)程或虛擬操作，或者是工業(yè)過(guò)程的虛擬體現(xiàn)等。這些過(guò)程，均為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合理和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考，代替小試甚至中試過(guò)程，同樣為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)節(jié)約了大量的時(shí)間、人力、物力和財(cái)力[1-6]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，人與環(huán)境互相交流，可以模擬真實(shí)的試驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)信息反饋，還可以從中獲得有關(guān)試驗(yàn)的一些啟示，從而熟悉整臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)過(guò)程。

建筑與影視作品的虛擬現(xiàn)實(shí)建模多依賴于3ds max和Maya，機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品建模要求嚴(yán)格的尺寸、形狀和裝配關(guān)系。CAXA軟件包括特征造型、曲面造型、實(shí)體造型在內(nèi)的多種造型方法，同時(shí)提供了自頂向下和自底向上的裝配設(shè)計(jì)方法。CAXA軟件同時(shí)提供了VRML軟件的數(shù)據(jù)接口。液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)，首先通過(guò)CAXA軟件完成工業(yè)產(chǎn)品造型和靜態(tài)裝配模型，然后結(jié)合VRML和Javascript技術(shù)，完成動(dòng)態(tài)裝配、試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)、試樣力學(xué)性能仿真和零件信息提取等方面的內(nèi)容。

1 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)模型的建立

液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)裝配模型在 CAXA軟件中完成。首先，在CAXA軟件中逐個(gè)建立液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)零件模型，包括機(jī)體、下滑塊、按鈕1、按鈕2、按鈕3、螺桿1、螺桿2和表盤(pán)等。然后，將所有零件按照組件裝配，最后裝配成完整的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

接下來(lái)，將CAXA的ics格式的文件導(dǎo)出為VRML V2.0版的wrl格式文件，然后在VRML文件編輯器VrmlPad中讀入wrl文件，再對(duì)此對(duì)象進(jìn)行場(chǎng)景渲染或者動(dòng)畫(huà)制作等。但是，對(duì)于比較復(fù)雜的裝配文件，如果將裝配的ics文件作為整體導(dǎo)出為wrl格式，會(huì)導(dǎo)致在虛擬現(xiàn)實(shí)編輯軟件中文件過(guò)大，帶來(lái)對(duì)組件和零件的操作不方便等一系列麻煩。一般的處理方法是：在CAXA軟件中的裝配狀態(tài)下，每次導(dǎo)出一個(gè)零件，其余零件隱藏掉，這樣重復(fù)操作至導(dǎo)出每一個(gè)零件；然后建立一個(gè)新的wrl格式文件，利用Inline命令將所有零件的wrl文件聯(lián)系起來(lái)[3]，此時(shí)，不用做調(diào)整，就可以保證各個(gè)零件的相對(duì)位置的正確性，圖1為部分零部件的Inline命令和轉(zhuǎn)換后液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)裝配體的虛擬現(xiàn)實(shí)模型。

圖1 Inline命令和轉(zhuǎn)換后的液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)模型

2 液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)

液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的虛擬工作過(guò)程包括機(jī)體動(dòng)畫(huà)設(shè)置和材料力學(xué)性能試驗(yàn)仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 VRML動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)

VRML通過(guò)時(shí)間傳感器（TimeSensor）和插補(bǔ)器（Interpolator）以及路由（ROUTE）語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵動(dòng)畫(huà)[3]?；具^(guò)程為時(shí)間傳感器給出控制動(dòng)畫(huà)效果的時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘包括動(dòng)畫(huà)的開(kāi)始時(shí)間、停止時(shí)間、時(shí)間間隔和是否循環(huán)等參數(shù)，此時(shí)鐘信息輸出到插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)定義了關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵數(shù)值，VRML根據(jù)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)外區(qū)域的線性插值，完成勻變速動(dòng)畫(huà)過(guò)程。如果需要變速動(dòng)畫(huà)過(guò)程或者復(fù)雜動(dòng)畫(huà)過(guò)程，需要結(jié)合腳本語(yǔ)言 Javascript來(lái)實(shí)現(xiàn)：時(shí)間傳感器的輸出可以控制插補(bǔ)器和 Javascript的輸入，而插補(bǔ)器和 Javascript的輸出又可以控制零件的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。對(duì)于液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，在對(duì)相應(yīng)按鈕設(shè)置觸發(fā)傳感器之后，時(shí)間傳感器開(kāi)始作用，此時(shí)，表盤(pán)指針指示壓力的變化，兩個(gè)螺桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，下滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拉伸或者壓縮試樣的運(yùn)動(dòng)。

圖2為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)螺桿旋轉(zhuǎn)和下滑塊移動(dòng)的動(dòng)畫(huà)路由，包括時(shí)間傳感器、位置插補(bǔ)器和朝向插補(bǔ)器的設(shè)置。

圖2 動(dòng)畫(huà)路由

2.2 材料力學(xué)性能試驗(yàn)仿真的關(guān)鍵技術(shù)

材料力學(xué)性能試驗(yàn)仿真的關(guān)鍵技術(shù)包括試樣變形和應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真等方面的內(nèi)容。

2.2.1 試樣變形的實(shí)現(xiàn)

此處以壓縮塑性材料為例，試樣變形通過(guò)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和腳本實(shí)現(xiàn)，在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)中內(nèi)聯(lián)試樣變形的關(guān)鍵狀態(tài)文件。其中，腳本語(yǔ)句和路由語(yǔ)句如下：

DEF cpu Script {

eventIn SFFloat curfra

eventOut SFInt32 outCho

url "javascript:

// Handler for event curfra of type SFFloat.

function curfra (value, timestamp)

{ print(curfra);

outCho=curfra*20/2.5;

}" }

ROUTE cpu.outCho TO swit.set_whichChoice

ROUTE tims.fraction_changed TO cpu.curfra

ROUTE touch.touchTime TO tims.startTime

在瀏覽器中，點(diǎn)擊按鈕1后，表針開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，螺桿開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，下滑塊下滑，下滑塊的壓頭接觸工件之后，隨著壓力增加，塑性材料試樣經(jīng)過(guò)彈性變形階段和屈服階段直至被壓扁。

2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真技術(shù)

液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在仿真測(cè)試材料性能時(shí)，同時(shí)可以輸出應(yīng)力應(yīng)變曲線，這樣使得材料力學(xué)性能更加一目了然。應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真技術(shù)和試樣變形技術(shù)一樣，通過(guò)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和腳本實(shí)現(xiàn)。圖3為塑性材料試樣變形及與其對(duì)照的應(yīng)力應(yīng)變曲線的虛擬現(xiàn)實(shí)。

圖3 試樣變形及應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.3 聲音添加

VRML所播放的聲音有自己的聲源，它模擬現(xiàn)實(shí)中的3D聲音傳播方式，給人現(xiàn)實(shí)中的聽(tīng)覺(jué)感受。為了達(dá)到虛擬工作過(guò)程的逼真效果，具體做法是，首先錄制液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)各種動(dòng)作的現(xiàn)場(chǎng)聲音，然后進(jìn)行剪裁和分段處理，通過(guò)聲音節(jié)點(diǎn)給 VRML世界添加合適的聲音，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

Sound {

source DEF sou AudioClip {url "test.wav"

loop FALSE}

location 0 0 0

direction 1 0 0

maxBack 100000

maxFront 100000

minBack 1

minFront 1

intensity 1}

2.2.4 信息提取

利用VRML中的Anchor節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的裝配零件信息的獲取[4]。比如，要想提取試樣的材料信息并超鏈接到試樣文件，具體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句為：

Anchor { url" shiyang1a.wrl"

description "HT200 D=2mm L=2mm "

children [DEF shiyang1a Transform {…} ]}

圖4為試樣材料信息的提取結(jié)果，當(dāng)鼠標(biāo)放在試樣上時(shí)，出現(xiàn)“HT200 D=2mm L=2mm”字樣，單擊鼠標(biāo)，VRML空間轉(zhuǎn)換到試樣文件形成的環(huán)境空間，如圖5所示，在此，可以單獨(dú)瀏覽試樣零件。

圖4 試樣信息提取

圖5 試樣超鏈接

3 結(jié) 論

利用VRNML、Javascript技術(shù)與 CAXA的協(xié)同設(shè)計(jì)，能夠很好地完成具有交互功能的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的虛擬試驗(yàn)過(guò)程，在不消耗實(shí)材的情況下，可以反復(fù)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，其具體解決技術(shù)應(yīng)用于工程機(jī)械的虛擬現(xiàn)實(shí)具有普遍意義。

[1]尹念東, 余 群. 基于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)仿真的立體視覺(jué)實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2002, 33(1):23-26.

[2]倪 濤, 趙丁選, 倪 水, 等. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙控操作工程機(jī)器人圖形仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005,36(5): 80-83.

[3]王 炎. 虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言 VRML[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué),1999, 26(12): 38-42.

[4]張潞弟, 朱群雄. 新型虛擬現(xiàn)實(shí)建模交互方法[J].計(jì)算機(jī)工程, 2008, 34(1): 72-75.

[5]張翠敏, 王菁華, 董翠英. 應(yīng)用OpenGL實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度場(chǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)可視化[J]. 機(jī)床與液壓, 2008, 36(2):157-159.

[6]高印寒, 馬增治, 李春光, 等. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2003,33(2): 105-106.