金 燕，兆文忠

JIN Yan, ZHAO Wen-zhong

（大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，大連 116028）

0 引言

在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，企業(yè)如何能讓客戶迅速對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案建立起直觀認(rèn)識(shí)，提高溝通效率，是實(shí)現(xiàn)良好設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的交流方式是通過產(chǎn)品的圖片和文字等二維平面信息進(jìn)行的，不利于客戶對(duì)產(chǎn)品形成形象、直觀的認(rèn)識(shí)，滿足不了感觀需求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]的出現(xiàn)為這種交流提供了一種新的手段，借助逼真的三維可視化虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行直觀的產(chǎn)品數(shù)字化模型設(shè)計(jì)與裝配，獲得虛擬樣機(jī)[2]，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、避免設(shè)計(jì)缺陷，同時(shí)因?yàn)榇媪宋锢順訖C(jī)，也降低了開發(fā)成本。采用這種技術(shù)手段，企業(yè)可以就產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)，與客戶實(shí)現(xiàn)更直觀高效的交流與溝通，使客戶詳細(xì)了解產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能，從而完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，滿足客戶要求。作者應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),對(duì)某企業(yè)的出口鐵路貨車－平車創(chuàng)建了三維模型，并進(jìn)行了虛擬裝配[3]，然后基于VRML語(yǔ)言,借助于可視化編輯工具，對(duì)平車的虛擬裝配過程和功能實(shí)現(xiàn)了仿真[4]。本文以下部分將從工具和關(guān)鍵技術(shù)等方面詳細(xì)介紹仿真的實(shí)現(xiàn)方法。

1 實(shí)現(xiàn)工具

1）仿真語(yǔ)言

VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言[5]，能夠創(chuàng)建可視化的三維虛擬環(huán)境與場(chǎng)景，通過瀏覽器瀏覽，使人產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。它不僅具有多媒體、人機(jī)交互等功能，還具有與平臺(tái)無(wú)關(guān)性。由于VRML文件(.wrl)是一種ASCII碼的描述性語(yǔ)言，與其它三維模型格式文件相比，占用存儲(chǔ)空間要小得多。對(duì)于鐵路平車比較復(fù)雜的三維模型，采用VRML文件格式進(jìn)行虛擬裝配與功能仿真，可以大大減小文件長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間。另外，在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段，往往需要修改設(shè)計(jì)，零部件模型采用(.wrl)格式，且均為獨(dú)立的模塊文件，則不會(huì)因修改模型而影響仿真的實(shí)現(xiàn)。

2）仿真平臺(tái)

由于VRML文件是文本文件，如果采用人工編寫代碼，工作量很大，效率也很低，SGI公司針對(duì)VRML開發(fā)的Cosomo Worlds編輯工具，使得創(chuàng)建三維場(chǎng)景與制作動(dòng)畫可視化，所見即所得，因此在該平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品虛擬裝配與功能仿真，能夠在很大程度上減少工作量，提高實(shí)現(xiàn)仿真的效率。

3）建模工具

產(chǎn)品模型的建立與裝配對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量至關(guān)重要，Cosmo Worlds編輯工具雖然提供了建模功能，但對(duì)平車這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難以用該工具創(chuàng)建模型，目前應(yīng)用比較廣泛的CAD/CAE軟件I-DEAS，具有很強(qiáng)的三維建模、裝配和分析功能[6]。借助于該軟件對(duì)平車建立三維模型，然后進(jìn)行虛擬裝配，并對(duì)零部件的可裝配性進(jìn)行檢驗(yàn)與評(píng)估，可以達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。另外I-DEAS還提供了VRML輸出接口，可以方便地將平車的零部件模型輸出為(.wrl)格式。

4）瀏覽播放器

VRML文件需要通過瀏覽器支持才能運(yùn)行，采用SGI公司開發(fā)的CosmoPlayer播放器瀏覽仿真過程，具有流暢的瀏覽功能，而且界面操作簡(jiǎn)潔、方便和快捷。

2 實(shí)現(xiàn)方法

在對(duì)鐵路平車進(jìn)行虛擬裝配和功能仿真的過程中，采用了模塊化設(shè)計(jì)思想。首先創(chuàng)建平車各零部件的三維模型，然后進(jìn)行虛擬裝配，模型格式轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行虛擬裝配過程和功能的仿真，最后完善仿真效果以達(dá)到形象、生動(dòng)的演示目的。仿真實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示，下面介紹所采用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。

圖1 實(shí)現(xiàn)虛擬裝配和功能仿真流程圖

2.1 仿真模型準(zhǔn)備

2.1.1 建模與虛擬裝配

鐵路平車主要用于運(yùn)輸鋼材、木材、汽車、機(jī)械設(shè)備等體積或重量比較大的貨物，本文所涉及的平車用于運(yùn)輸汽車，它的組成與層次結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 平車的組成與層次結(jié)構(gòu)

以I-DEAS軟件作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，按照平車的組成結(jié)構(gòu)，首先在Master Modeler模塊中分別對(duì)轉(zhuǎn)向架、底架和鉤緩裝置各組成部分的零部件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，創(chuàng)建實(shí)體模型，然后根據(jù)它們之間的約束關(guān)系和層次關(guān)系，在Master Assembly模塊進(jìn)行虛擬裝配。在虛擬裝配過程中，還要進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，以確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可裝配性。

2.1.2 實(shí)體模型定位

由于對(duì)平車虛擬裝配后，其裝配體的零部件是虛擬件，需要在Master Modeler模塊中用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等工具將每一個(gè)零部件實(shí)體進(jìn)行定位組成實(shí)體裝配體。這樣在Cosmo Worlds中實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)，其三維空間坐標(biāo)系與導(dǎo)入的(.wrl)零部件坐標(biāo)系恰好重合，即Cosmo Worlds坐標(biāo)系原點(diǎn)與零部件空間坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)Transform的相對(duì)坐標(biāo)偏移量Translation域值的默認(rèn)值都是[0 0 0]，也就是零部件的裝配位置均為[0 0 0]，所以將所有零部件實(shí)體模型導(dǎo)入便能組成平車裝配體，為實(shí)現(xiàn)仿真做好模型準(zhǔn)備。

2.1.3 模型格式轉(zhuǎn)換

借助于Cosmo Worlds可視化編輯工具實(shí)現(xiàn)仿真，需要將平車的實(shí)體零部件模型轉(zhuǎn)換為VRML格式文件， I-DEAS軟件提供了VRML文件的輸出接口，將平車裝配體的搖枕、側(cè)架等零部件模型逐一輸出為(.wrl)格式。在輸出VRML文件時(shí)，先選取Display命令下Part對(duì)話框中的參考線(Reference Line)一項(xiàng)，使得輸出的幾何體不帶中心線、參考點(diǎn)等一些影響視覺效果的無(wú)關(guān)信息，然后選取Export命令輸出VRML文件，在幾何體part對(duì)話框中選取只輸出幾何(Geometry Only)選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)生成的文件比其它選項(xiàng)生成的文件節(jié)省一定的存儲(chǔ)空間，輸出的信息能夠滿足實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真的需要。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

Cosmo Worlds有兩種導(dǎo)入文件方式,(Import)導(dǎo)入和(Import As Inline)內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入。(Import)導(dǎo)入方式導(dǎo)入的模型文件包含了幾何體的三維造型數(shù)據(jù)、材料和顏色等所有信息，對(duì)于平車這樣比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，零部件數(shù)量也比較多，如果以Import方式導(dǎo)入，會(huì)導(dǎo)致源文件過大，給程序的調(diào)試帶來(lái)諸多不便。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以(Import As Inline)內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)方式導(dǎo)入模型文件，使得實(shí)現(xiàn)仿真的源文件由若干子程序組成，即作為(.wrl)格式文件的零部件模型均為獨(dú)立的模塊，且模型文件只包含三維造型信息，這樣不僅減小源文件的大小，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，提高代碼的重用率，而且不會(huì)因產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)階段對(duì)某零部件模型的修改，影響虛擬裝配及功能仿真的實(shí)現(xiàn)，從而提高了軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

2.3 仿真實(shí)現(xiàn)

2.3.1 仿真動(dòng)畫原理

基于VRML平車虛擬裝配及功能的仿真是通過制作動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)的。VRML作為文本描述性語(yǔ)言主要由文件頭、節(jié)點(diǎn)、事件、腳本和路由等組成。節(jié)點(diǎn)是VRML的基本組成要素，最具特色的節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)交互感知節(jié)點(diǎn)，它包括時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)(TimeSensor)、動(dòng)畫插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)、觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)(TouchSensor)及感知節(jié)點(diǎn)。其中動(dòng)畫插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)有位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)(PositionInterpolator)和方向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)(OrientationInterpolator)等。

實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)畫時(shí)，利用了VRML的時(shí)間傳感器、各種插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)以及路由語(yǔ)句，通過路由傳遞事件形成控制流完成動(dòng)畫過程。首先運(yùn)用時(shí)間傳感器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)控制動(dòng)畫效果的時(shí)鐘, 設(shè)置時(shí)鐘的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、播放速度和是否循環(huán)等參數(shù)，然后通過路由輸出這個(gè)時(shí)鐘事件，在虛擬場(chǎng)景中驅(qū)動(dòng)各種插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)中定義的關(guān)鍵幀(key)和關(guān)鍵值(keyValue)，VRML瀏覽器根據(jù)插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置,采用線性插值方法實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀動(dòng)畫[7]。在平車虛擬裝配及功能仿真中，利用插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵幀控制零部件的裝配順序和視點(diǎn)的變化順序，關(guān)鍵值設(shè)置零部件的裝配路徑和旋轉(zhuǎn)角度以及視點(diǎn)的移動(dòng)軌跡和旋轉(zhuǎn)角度。

2.3.2 實(shí)現(xiàn)過程

在實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真之前,首先要進(jìn)行總體規(guī)劃，確定零部件的合理裝配順序和路徑，使其在裝配時(shí)避免發(fā)生干涉。根據(jù)平車的結(jié)構(gòu)總體裝配順序確定為：先安裝轉(zhuǎn)向架的搖枕、側(cè)架、制動(dòng)組成和輪對(duì)組成，然后將底架落下，接著裝配鉤緩裝置的沖擊座和車鉤,再安裝轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)的油缸、油泵以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

在Cosmo Worlds制作動(dòng)畫過程中,按照裝配順序和規(guī)劃的路徑,先用Inline方式將零部件模型導(dǎo)入，然后創(chuàng)建仿真動(dòng)畫,定義動(dòng)畫指針的長(zhǎng)度和速度, 再點(diǎn)擊(Add Actor)命令,添加動(dòng)作,將指針拖到確定的關(guān)鍵幀位置,利用移動(dòng)(或旋轉(zhuǎn))工具移動(dòng)(或旋轉(zhuǎn))零部件,點(diǎn)擊(Master Record)后,便產(chǎn)生了該零部件Transform的PositionInterpolator或OrientationInterpolator的關(guān)鍵幀域值(key)和關(guān)鍵值(keyValue)。在界面的右側(cè)可以精確輸入、修改各節(jié)點(diǎn)的域值，這樣就實(shí)現(xiàn)了仿真動(dòng)畫，圖3為虛擬裝配仿真動(dòng)畫制作過程截圖。

圖3 虛擬裝配仿真動(dòng)畫制作過程截圖

2.3.3 VRML節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用

在制作動(dòng)畫中，實(shí)際上利用了VRML的各插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真動(dòng)畫。

1)利用位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn),清晰地表達(dá)了虛擬裝配過程，使零部件按照裝配順序和規(guī)劃的路徑依次從視窗外移動(dòng)到視窗內(nèi)，組成平車的裝配體。

2) 利用方向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，將某些零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)表達(dá)其細(xì)節(jié),全方位地展示了零部件的構(gòu)造，以便客戶詳細(xì)了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

3)由于平車裝配體的體積比較大且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要清楚表達(dá)各方位的裝配以及局部裝配，利用(Viewpoint)節(jié)點(diǎn)添加了視點(diǎn)，并對(duì)其定義了動(dòng)畫，通過改變視點(diǎn)的位置和方向，能夠從視窗的一個(gè)視點(diǎn)切換到另一個(gè)視點(diǎn)或者放大和縮小。

4)利用觸摸傳感器節(jié)點(diǎn)，使得演示具有交互功能，可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊零部件確定動(dòng)畫演示的開始。

5)為了真實(shí)地模擬裝配過程以及展示產(chǎn)品的功能，利用方向插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)和位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，對(duì)緊固件的裝配添加了緊固動(dòng)作；轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)盤中心座添加了旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來(lái)表達(dá)裝卸汽車的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功能，使得整個(gè)演示更加生動(dòng)和形象。

2.3.4 仿真效果完善

1)賦材質(zhì)

由于平車的底架下面安裝了轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)臺(tái)下面還安裝了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等裝置，為了能透過底架和轉(zhuǎn)盤看到其下面的裝置，分別將底架及轉(zhuǎn)盤的模型設(shè)置為半透明。另外，零部件的材質(zhì)和色彩直接影響虛擬裝配仿真的演示效果，為了真實(shí)地模擬平車的質(zhì)感，區(qū)分不同的零部件，同時(shí)考慮到演示的美觀效果，對(duì)底架和轉(zhuǎn)盤分別賦予藍(lán)色和紫色，其它零部件均賦予不銹鋼色、銅色等金屬材質(zhì)。

2)刪除冗余代碼

動(dòng)畫制作完成后，輸出(.wrl)仿真動(dòng)畫文件。通過瀏覽器瀏覽，發(fā)現(xiàn)零部件在裝配過程中從視窗外移動(dòng)到視窗內(nèi)的裝配位置時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡并沒有按照預(yù)定的行走，而是添加了一些緩沖動(dòng)作才到達(dá)裝配位置。這是因?yàn)檩敵?.wrl)動(dòng)畫文件時(shí)，Cosmo Worlds軟件在零部件的起始和結(jié)束動(dòng)作之間產(chǎn)成了一些關(guān)鍵幀和關(guān)鍵值，這種情況下零部件的裝配路徑并非最短路徑。為了消除演示過程中的這種緩沖影響，設(shè)計(jì)了一個(gè)程序?qū)?.wrl)動(dòng)畫文件進(jìn)行編輯，自動(dòng)刪除冗余代碼，便可以得到理想的演示效果,而且能夠提高瀏覽速度。冗余代碼的刪除也可以通過手工方式完成。

完善了平車虛擬裝配及功能仿真動(dòng)畫后，還將其制作了AVI動(dòng)畫文件，這樣不僅可以用VRML瀏覽器播放，而且可以不受VRML瀏覽器的限制，在任何計(jì)算機(jī)環(huán)境都能播放，使得與客戶的溝通更為便捷。平車虛擬裝配及功能仿真效果如圖4所示：

3 結(jié)束語(yǔ)

作者采用基于VRML語(yǔ)言的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)某企業(yè)出口的鐵路貨車－平車應(yīng)用I-DEAS軟件建立了三維仿真模型，利用Cosmo Worlds可視化編輯工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了平車虛擬裝配及功能的仿真。

本系統(tǒng)應(yīng)用于該產(chǎn)品的競(jìng)標(biāo)取得了成功，得到了企業(yè)和國(guó)外客戶的認(rèn)可。通過仿真動(dòng)畫演示，清晰、直觀地表達(dá)了平車的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和功能，由于方案設(shè)計(jì)中模塊化設(shè)計(jì)的采用，使得零部件模型的修改不會(huì)影響仿真動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，從而提高了企業(yè)與客戶的溝通效率，可以快速完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，這種技術(shù)手段對(duì)于企業(yè)競(jìng)標(biāo)以及在方案設(shè)計(jì)階段與客戶的交流提供了一種高效的溝通方式，不僅能夠滿足客戶對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的感觀需求，而且能夠降低成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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