馮桂珍， 池建斌， 王大鳴， 王 晨

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減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

馮桂珍， 池建斌， 王大鳴， 王 晨

（石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050043）

針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)備臺(tái)套數(shù)和場(chǎng)地等的不足，分析了國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，在研究Cult3D構(gòu)建交互式三維虛擬場(chǎng)景的過程、方法和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以齒輪減速器為例，利用Cult3D及其它相關(guān)軟件工具，構(gòu)建了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的齒輪減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有三維、動(dòng)態(tài)性、交互性、低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍匦裕朔藗鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；減速器拆裝實(shí)驗(yàn)；場(chǎng)景交互；Cult3D技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)各高校對(duì)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，大都存在著實(shí)驗(yàn)形式、內(nèi)容、要求越來越高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)的保障相對(duì)滯后的矛盾，實(shí)驗(yàn)保障條件的制約在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地的不足，徹底打破空間、時(shí)間的限制；通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教育資源共享從而可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的低水平重復(fù)建設(shè)和儀器設(shè)備重復(fù)引進(jìn)的資金投入，有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平；網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠靈活地提供給學(xué)生系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況自主確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和安排學(xué)習(xí)進(jìn)程從而可以最大限度地滿足學(xué)生的不同需要。因此，國(guó)內(nèi)外許多高等院校及科研機(jī)構(gòu)開發(fā)了具有自己特色的虛擬實(shí)驗(yàn)室，如Gentral Florida大學(xué)教育訓(xùn)練研究院建立VSL(Visual Systems Laboratory)虛擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、Model Science的Model Chemlab化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)巴爾的摩(Baltimore)約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University)建立的化工虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual laboratory)等。這些實(shí)驗(yàn)室多專注于專業(yè)化設(shè)計(jì)，操作比較復(fù)雜。國(guó)內(nèi)也有很多類似案例，如文獻(xiàn)[5]開發(fā)的基于Matlab Web Server的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，解決了Web系統(tǒng)開發(fā)程序中數(shù)值計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出能力較差的難點(diǎn)問題，文獻(xiàn)[6]中使用Java Applet及Matlab/Simulink構(gòu)建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室等，而基于網(wǎng)絡(luò)的減速器測(cè)繪實(shí)驗(yàn)比較少。

Cult3D是全新的Web3D技術(shù)、一個(gè)跨平臺(tái)的3D引擎。其目的是在網(wǎng)頁上建立交互式的3D對(duì)象，基于Java內(nèi)核，具有良好的跨平臺(tái)性；可視化的開發(fā)界面使開發(fā)者可以輕松掌握；32位的高視覺渲染方式使其渲染質(zhì)量遠(yuǎn)勝于VRML語言；特殊的壓縮方式使得文件體積很小，適合低帶傳輸；鑒于此，利用Cult3D，結(jié)合Pro/E、3DMax、Photoshop、fireworks、DreamWeave等軟件工具，開發(fā)了一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的齒輪減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)，通過互聯(lián)網(wǎng)可以隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，深受用戶歡迎。

1 減速器測(cè)繪實(shí)驗(yàn)過程分析及系統(tǒng)框架

減速器中包含多種通用零件，如齒輪、軸、軸承、螺紋緊固件、潤(rùn)滑裝置、密封元件等。減速器測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中涉及零部件的拆裝和結(jié)構(gòu)分析，對(duì)學(xué)生掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)、了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，更好地進(jìn)行課程沒計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大的幫助，對(duì)提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力起到促進(jìn)作用，是啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維的重要手段。

真實(shí)減速器測(cè)繪的拆裝實(shí)驗(yàn)過程是先將減速器放在測(cè)繪臺(tái)上，觀察其整體形狀結(jié)構(gòu)，了解工作原理和運(yùn)動(dòng)情況，然后按拆卸順序拆卸零件，了解各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系和位置關(guān)系，并進(jìn)行零件的測(cè)繪，繪制裝配示意圖和零件草圖，測(cè)繪完畢后將拆卸的零件按照裝配順序進(jìn)行裝配。

減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程為依據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)采用服務(wù)器／瀏覽器模式，服務(wù)器端存放由建模工具創(chuàng)建好的零件通過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入Cult3D中構(gòu)建的動(dòng)態(tài)交互實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，瀏覽器端是嵌入*.co格式文件的主界面，提供Cult3D虛擬場(chǎng)景的瀏覽和基于鼠標(biāo)的交互控制和操作。圖1是系統(tǒng)框架圖。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的創(chuàng)建

2.1 虛擬模型的創(chuàng)建

Cult3D的開發(fā)步驟可分為3個(gè)階段：建模、編輯、發(fā)布（見圖2）。本身不具有三維建模的功能，需要使用其他的三維建模工具。目前，Clut3D支持創(chuàng)建3D模型的主要工具有3DSMax、Maya等。在這些軟件安裝有對(duì)應(yīng)的Cult3D插件后才能將三維模型導(dǎo)出為C3D文件（Cult3D模型文件）。鑒于3DSMax是目前使用最多的三維建模、動(dòng)畫、渲染軟件，其功能強(qiáng)大，可以外掛很多插件來彌補(bǔ)本身的功能不足。因此，采用3DSMax作為模型格式轉(zhuǎn)化工具，利用Pro/E創(chuàng)建零部件模型，導(dǎo)入到3DSMax后，通過Cult3D Export導(dǎo)出Cult3D模型文件（*.c3d文件），然后在C3Ddesigner中完成交互式拆裝。

圖2 Cult3D程序開發(fā)流程

在具體建模過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）Pro/E與3DMax是通過STL格式進(jìn)行接口。在Pro/E的裝配模塊中裝配零部件并設(shè)置外觀材質(zhì)顏色（最終裝配效果圖見圖3、圖4），然后逐個(gè)導(dǎo)出零件的STL文件，這樣用3DMax逐一導(dǎo)入Pro/E保存的STL零件副本后，是符合裝配關(guān)系的裝配體，定位準(zhǔn)確。

（2）將擁有共同運(yùn)動(dòng)行為的物體成組并調(diào)整組的幾何軸心到合適位置，以便在Cult3D中做交互運(yùn)行時(shí)，該組物體以某一軸心做共同旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不是以各自軸心做運(yùn)動(dòng)。如同一軸系上的齒輪、鍵、軸、齒輪等一起旋轉(zhuǎn)，因而需將軸系的幾何軸心調(diào)整到與軸的幾何軸心重合。

（3）設(shè)置視點(diǎn)。Cult3D支持3DMax中的攝像機(jī)，自定義攝像機(jī)來設(shè)置合適的觀察角度，還可以創(chuàng)設(shè)多個(gè)攝像機(jī)分別放在不同的位置，以便于后期制作虛擬裝配和拆卸時(shí)視點(diǎn)的選擇，展示最佳視覺效果。

圖3 一級(jí)齒輪減速器

圖4 二級(jí)齒輪減速器

2.2 動(dòng)態(tài)與交互功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

C3Ddesigner是一個(gè)完全拖放式軟件。從SceneGraph窗口選中將要操作的對(duì)象，拖入Event Map窗口，然后在Action窗口中選擇要實(shí)施的動(dòng)作，把它也拖入Event Map窗口，在Event Map中選擇觸發(fā)該動(dòng)作的事件。Cult3D為用戶提供了鼠標(biāo)和鍵盤兩種觸發(fā)事件。通過預(yù)覽窗口可以檢查動(dòng)作和事件以及操作對(duì)象之間的相互關(guān)系。

由于齒輪減速器的拆裝過程必須符合一定的邏輯順序，因而在動(dòng)作設(shè)計(jì)中進(jìn)行了相應(yīng)處理，使得整個(gè)拆裝過程具有動(dòng)態(tài)性、交互性和邏輯控制性，符合實(shí)際的工藝要求。具體實(shí)現(xiàn)是，用時(shí)間線(TimeLine)控制動(dòng)作的先后次序，用激活事件或解除激活事件控制每一步的拆卸或安裝。同時(shí)，在拆裝過程中，為了呈現(xiàn)最佳觀察方位，程序?qū)崿F(xiàn)了視點(diǎn)自動(dòng)切換。視點(diǎn)自動(dòng)切換是通過切換攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)的。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的交互操作提示，在拆裝過程中添加了工具提示和語音提示，工具提示(Tool tip)與相關(guān)零部件綁定，提供相應(yīng)信息，如拆卸順序、零件相關(guān)信息等；語音提示可打開或關(guān)閉，提示操作步驟。圖5是部分時(shí)間線控制窗口。交互和動(dòng)態(tài)性設(shè)計(jì)完成后將文件保存并輸出co壓縮類型的網(wǎng)絡(luò)文件，用于系統(tǒng)集成時(shí)嵌入到網(wǎng)頁中。

圖5 時(shí)間線控制

3 系統(tǒng)集成

Cult3D專門開發(fā)了用于Dreamweaver的插件，Cult3D的場(chǎng)景在Dreamweaver中顯示為activeX控件。在File框中輸入已輸出的CO文件路徑，開啟抗鋸齒選項(xiàng)Antialiasing以提高畫面質(zhì)量，做好3D與2D部分的結(jié)合。編輯網(wǎng)頁并將CO文件插入到網(wǎng)頁中。在Dreamweaver界面下進(jìn)行編輯，將虛擬實(shí)驗(yàn)的3D部分與實(shí)驗(yàn)輔助信息部分統(tǒng)一風(fēng)格，融為一體。根據(jù)系統(tǒng)框架圖設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主頁如圖6所示，選擇齒輪減速器的類型展示相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圖7是進(jìn)入二級(jí)齒輪減速器后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括自動(dòng)和手動(dòng)裝配與拆卸、工作原理展示、零件三維模型任意角度查看、二維測(cè)繪草圖的預(yù)覽等。若要進(jìn)入虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)提示用戶安裝Cult3D插件，用戶通過鼠標(biāo)交互拆卸和安裝零部件，并能任意角度多方位瀏覽，通過工具提示和語音提示為用戶提供操作幫助，柔美的背景音樂增添了聽覺享受。圖8是二級(jí)齒輪減速器拆卸后的效果圖。

4 結(jié) 論

虛擬實(shí)驗(yàn)以其跨越時(shí)空并超越時(shí)空、低成本、低損耗、無危險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要方式，三維立體可交互操作實(shí)驗(yàn)是目前虛擬實(shí)驗(yàn)研究的主要方向。筆者利用Cult3D開發(fā)的齒輪減速器虛擬實(shí)驗(yàn)，因其三維效果優(yōu)于其它的三維交互技術(shù)，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感和交互性，帶給學(xué)習(xí)者身臨其境的視聽感受，實(shí)際教學(xué)應(yīng)用后得到師生的一致歡迎和好評(píng)。

圖8 二級(jí)減速器手動(dòng)拆裝

[1] Casini M, Prattichizzo D, Vicino A. The automatic control telelab：a remote laboratory of automatic control [C]//Proc.40th IEEE Conf. on Decision Control, 2001: 3242-3247.

[2] http://www.vsl.ist.ucf.edu/home/home.html

[3] http://www.modelscience.com/

[4] http://www.jhu.edu/~virtlab/virtlab.html

[5] 王 通, 李 欣, 李偉華, 等. 基于Matlab WebServer的輸油管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào), 2008, (6): 228-232.

[6] 劉萍先, 俞 立, 楊馬英, 等. 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室方案設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2004, 21(2): 151-154.

[7] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL]. http://www.cult3D.com

[8] Cult3D-theleading3Dtechnologyforthe Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/whatiscult3D/whitepaper.pdf

Construction of Reducer Virtual Disassembly and Assembly Experiment System

FENG Gui-zhen, CHI Jian-bin, WANG Da-ming, WANG Chen

( Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China )

In view of the lack of experiment equipment and place, analyzing the current condition and features of virtual labs. On the basis of studying the process, method and related technology of constructing 3D interactive virtual scene with Cult3D, taking the gear reducer as example, a gear reducer virtual disassembly and assembly experiment is constructed with Cult3D and other related software tools. The virtual experiment system is proved to be of good efficiency in practical application owing to its characters of three-dimension，dynamic, interaction, low-bandwidth transmission, and overcoming the discomfort of traditional experiment.

computer application; reducer disassembly and assembly experiment; scene interaction; Cult3D technology

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0089-05

2009-06-30

馮桂珍（1978-），女，內(nèi)蒙古商都人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。