劉杰宇，單 奇

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR），1992 年由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助的交互式系統(tǒng)項(xiàng)目工作組的報(bào)告提出，并作了全面論述——它是一種逼真的模擬人在自然環(huán)境中視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和運(yùn)動(dòng)行為的人機(jī)界面技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)演示作品，突出特點(diǎn)是實(shí)時(shí)、逼真、開(kāi)放、互動(dòng)。它通過(guò)在多維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有完善的人機(jī)交互能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思。

伴隨現(xiàn)代化機(jī)械制造技術(shù)和進(jìn)口裝備應(yīng)用程度的不斷提高，對(duì)國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)從業(yè)者特別是售后維修人員的要求也越來(lái)越高。進(jìn)口裝備的拆裝操作難度大、技術(shù)含量高、使用壽命有限[1]，所以售后維修人員的日常拆卸、裝配訓(xùn)練已經(jīng)成為影響裝備效能發(fā)揮的重要因素。目前的維修人員訓(xùn)練中，存在下列缺陷：

1）進(jìn)口裝備結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，造價(jià)昂貴，數(shù)量和機(jī)型有限，難以及時(shí)全面配備，學(xué)員的操作時(shí)間難以得到保證，造成了訓(xùn)練工作的滯后。

2）傳統(tǒng)裝配維修培訓(xùn)中，學(xué)員主要是通過(guò)分析二維工程圖紙以及裝配工藝流程圖來(lái)完成裝配任務(wù)，裝配訓(xùn)練效率低且質(zhì)量不高。

3）實(shí)體裝備上進(jìn)行訓(xùn)練，需要許多其他實(shí)體裝備的支持，在訓(xùn)練過(guò)程中存在著大量工具、零件和材料的損耗，訓(xùn)練成本較高。

虛擬裝配是近十幾年興起的，是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向，它利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、VR技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、信息技術(shù)等，建立一個(gè)具有較強(qiáng)真實(shí)感的虛擬環(huán)境，用戶可在虛擬環(huán)境中交互式地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，裝配操作、規(guī)劃、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配性能，并制定合理的裝配方案[2]。它可以避免或減少物理樣機(jī)的制作，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，有利于產(chǎn)品并行開(kāi)發(fā)，提高維修人員的裝配質(zhì)量和效率，改善產(chǎn)品售后服務(wù)。

本文以某進(jìn)口型號(hào)挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)核心部件——多路換向閥為對(duì)象，在充分利用先進(jìn)CAD技術(shù)、VR技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究復(fù)雜機(jī)械部件在實(shí)體建模、互動(dòng)仿真、虛擬裝配等環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一整套適應(yīng)于工程機(jī)械行業(yè)從業(yè)者的虛擬裝配系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)員能夠在虛擬環(huán)境中觀察多路閥的裝配過(guò)程并直接操作零部件模型，有效地加深了學(xué)員對(duì)裝配任務(wù)的理解和感知。實(shí)踐結(jié)果表明：將其與傳統(tǒng)的人工圖文培訓(xùn)方式結(jié)合起來(lái)，可以大大提高各類機(jī)械部件的裝配質(zhì)量和效率，改善產(chǎn)品售后服務(wù)質(zhì)量，提升檢修技師與學(xué)員的專業(yè)素質(zhì)，減少日常培訓(xùn)學(xué)習(xí)費(fèi)用，提高企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

虛擬裝配系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

硬件平臺(tái)：專業(yè)圖形工作站（基于Windows/Intel架構(gòu)）1臺(tái)。

軟件平臺(tái)：UG NX 8.0，Autodesk 3Ds Max 2012，Virtools Dev 5.0，Virtools-Max exporter，Virtools-Make Exe。

多路閥虛擬裝配系統(tǒng)具有向?qū)W員提供操作說(shuō)明、演示多路閥拆裝過(guò)程動(dòng)畫(huà)和互動(dòng)式虛擬裝配等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程包括：資料整理、實(shí)體建模、格式轉(zhuǎn)換、模型優(yōu)化、虛擬裝配和整合發(fā)布。在多路閥資料整理的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)的機(jī)械三維建模軟件UG對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行實(shí)體建模，輸出文件經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入3Ds Max，模型優(yōu)化后導(dǎo)入Virtools，在三維世界編輯區(qū)（3D Layout）添加一系列行為模塊（behavior blocks）并編輯腳本，實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的功能。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)整合發(fā)布后，學(xué)員可以在PC、Pad或其它移動(dòng)設(shè)備終端上，對(duì)多路閥主要機(jī)械部件進(jìn)行互動(dòng)式虛擬裝配等日常培訓(xùn)內(nèi)容，具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

2 實(shí)體建模

精確建模是整個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，模型質(zhì)量直接決定了虛擬環(huán)境的真實(shí)度。多路閥主要零部件包括：殼體、各類閥芯總成、彈簧蓋、螺栓、螺釘、O型圈、彈簧座、彈簧、制動(dòng)器、閥芯蓋、蓋板、液壓油堵頭、選配件等，圖2為旋轉(zhuǎn)閥芯總成。

圖2 旋轉(zhuǎn)閥芯總成

由于多路閥所含零部件種類多、數(shù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模過(guò)程中應(yīng)考慮以下3個(gè)問(wèn)題：

1）針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件如螺栓、O型圈、螺釘?shù)龋瑯?gòu)建標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)以減少重復(fù)性工作，提高建模效率。

2）應(yīng)對(duì)復(fù)雜機(jī)械部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將復(fù)雜部件分解為幾類簡(jiǎn)單零部件，盡量使零部件結(jié)構(gòu)由UG的基本特征要素組成。

3）選擇合理的建模順序。雖然不同的建模順序可以構(gòu)造出相同的模型結(jié)構(gòu)，但不同方法構(gòu)造出的模型卻具有不同的穩(wěn)定性、可修改性和可驅(qū)動(dòng)性[3]。當(dāng)零部件數(shù)量加劇上升、系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)大時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。

3 格式轉(zhuǎn)換與模型優(yōu)化

3.1 格式轉(zhuǎn)換

由于Virtools無(wú)法直接讀取UG的三維模型文件，故需要借助3Ds Max進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換，將UG的模型文件最終轉(zhuǎn)換為*.nmo格式的文件，才可導(dǎo)入Virtools。UG NX 8.0具有豐富的文件格式轉(zhuǎn)換接口，能 夠 輸 出 VRML、STL、ProE、IGES、PhotoShop 在 內(nèi)的諸多文件格式。多路閥的零部件模型由UG輸出*.STL格式的文件，根據(jù)多路閥零件結(jié)構(gòu)樹(shù)，按照層級(jí)依次合理命名，這樣便于后臺(tái)零部件管理。將*.STL文件導(dǎo)入3Ds Max，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，在導(dǎo)入時(shí)需要設(shè)置一系列參數(shù)，包括鋸齒數(shù)目、焊接精度等，應(yīng)該根據(jù)不同的精度要求選擇合理的參數(shù)，否則導(dǎo)入到3Ds Max的零件模型會(huì)出現(xiàn)破面和特征丟失。由3Ds Max輸出*.nmo格式的文件時(shí)，首先要安裝Virtools提供的插件Virtools-Max exporter，同時(shí)注意參數(shù)設(shè)置。

3.2 模型優(yōu)化

雖然UG輸出的零部件模型尺寸、配合度精確，但是色澤、材質(zhì)、燈光都比較死板生硬，與實(shí)際使用的零部件有較大差異，真實(shí)度很低，因此需要在3Ds Max中進(jìn)行一系列模型優(yōu)化處理。3Ds Max功能強(qiáng)大、插件豐富，有著出色的視覺(jué)渲染能力，渲染速度快，畫(huà)面質(zhì)量高。它可以最大程度地對(duì)多路閥各類零部件進(jìn)行顏色渲染、材質(zhì)貼圖、表面紋理、燈光影像等處理，減少不必要的多邊形，提高顯示的刷新速率，增強(qiáng)系統(tǒng)的真實(shí)性和用戶體驗(yàn)的沉浸性[4]。

4 虛擬裝配設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介

Virtools除了自身的三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)Virtools Dev之外，還有5大可選模塊，分別是：物理屬性模塊、沉浸式平臺(tái)、人工智能模塊、Xbox開(kāi)發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊[5]。其包含數(shù)百個(gè)行為交互模塊BB，每個(gè)BB都是封裝了的行為控制函數(shù)，并且提供了行為輸入、輸出，參數(shù)輸入、輸出4個(gè)引腳。通過(guò)對(duì)零件模型添加不同類型的BB，在Schematic中編輯一系列運(yùn)動(dòng)行為腳本，實(shí)現(xiàn)多路閥虛擬裝配過(guò)程的三維實(shí)時(shí)瀏覽、三維實(shí)體變換、三維場(chǎng)景管理、環(huán)境效果等復(fù)雜的三維程序開(kāi)發(fā)。

4.2 拆裝演示

首先在3D Layout區(qū)域?qū)?.nmo模型文件，然后通過(guò)對(duì)多路閥各零部件拆裝前后的空間位置坐標(biāo)值進(jìn)行控制，系統(tǒng)自動(dòng)完成規(guī)定順序的拆裝操作演示。由于多路閥包含的零部件數(shù)目較多，本系統(tǒng)將多路閥總成分為兩個(gè)層級(jí)：（1）殼體——閥芯總成層級(jí)；（2）閥芯總成——零件層級(jí)。以閥芯總成——零件層級(jí)中的旋轉(zhuǎn)閥芯總成為例，按照螺釘、彈簧蓋、旋轉(zhuǎn)閥芯、外彈簧座、外彈簧、內(nèi)彈簧、制動(dòng)器、內(nèi)彈簧座、內(nèi)六角螺栓、O型圈的拆卸工序構(gòu)建旋轉(zhuǎn)閥芯陣列。在3D Layout區(qū)域建立一個(gè)3D Frame基準(zhǔn)點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)置為（0，0，0），作為各零部件模型運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)。通過(guò)陣列存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)閥芯各零件拆裝前后的坐標(biāo)值，然后調(diào)用陣列迭代器（Iterator）對(duì)拆裝后的旋轉(zhuǎn)閥芯陣列進(jìn)行遍歷，利用貝塞爾級(jí)數(shù)（Bezier Progression）和內(nèi)插運(yùn)算（Interpolator）實(shí)現(xiàn)各零件拆裝前后坐標(biāo)值的獲取以及零件空間坐標(biāo)的變換過(guò)渡，最后通過(guò)設(shè)定位置坐標(biāo)（Set Position）將各零件放置在拆裝后停留的實(shí)際空間位置[6]。旋轉(zhuǎn)閥芯的拆卸演示模塊腳本如圖3所示。

裝配過(guò)程與拆卸過(guò)程相反，只需將各零件拆裝前后的坐標(biāo)位置調(diào)換即可。此外，為了便于學(xué)員全面地掌握拆裝過(guò)程中各類注意事項(xiàng)，應(yīng)加以文字信息提示。當(dāng)拆裝某一零件的操作有注意事項(xiàng)時(shí)，在該零件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的瞬間觸發(fā)文字提示，界面?zhèn)冗咃@示相應(yīng)文字內(nèi)容，零件到達(dá)既定位置后，文字內(nèi)容隱藏?？紤]到用戶使用的舒適性，文字提示采用漸入漸出方式。

4.3 互動(dòng)裝配

圖3 旋轉(zhuǎn)閥芯的拆卸演示模塊腳本

學(xué)員在互動(dòng)裝配場(chǎng)景中，可以根據(jù)文字提示，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)和鍵盤(pán)控制，在三維虛擬空間內(nèi)按照拆裝工序?qū)Χ嗦烽y總成進(jìn)行交互式拆裝，還可以拾取具體的零件并瀏覽其三維信息。目前在所有的交互式裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，鼠標(biāo)動(dòng)作是核心內(nèi)容，需要解決鼠標(biāo)在三維空間的拾取和定位、鼠標(biāo)在拖動(dòng)零部件時(shí)物體的位置和視角方向這兩個(gè)技術(shù)難題[7]。

鼠標(biāo)動(dòng)作檢測(cè)模塊腳本如圖4所示，其中2D Picking一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，用于接收鼠標(biāo)的狀態(tài)，當(dāng)鼠標(biāo)拾取的物體為群組中的零部件時(shí)（Test輸出值為真），觸發(fā) Mouse Waiter，設(shè)定引腳參數(shù)：Left Button Down Received連接 Keep Active的 In端口，Left Button Up Received連接Keep Active的Reset端口。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)觸發(fā)Keep Active，使得其后的行為模塊一直處于運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)鼠標(biāo)左鍵彈起時(shí)，關(guān)閉Keep Active后面的行為模塊。

圖4 鼠標(biāo)動(dòng)作檢測(cè)模塊腳本

鼠標(biāo)拾取定位模塊如圖5所示，利用Get Mouse Displacement獲得鼠標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位移，其中X和Y兩個(gè)輸出值表示鼠標(biāo)在X軸和Y軸的相對(duì)位移值，由于X、Y的輸出值為Integer型，在實(shí)際運(yùn)用中單位和精度要求較為嚴(yán)格，故需要進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為Float型。此外，選擇前文提到的3D Frames作為一個(gè)虛擬參考基準(zhǔn)，用于輔助定位零部件的空間位移和視角方向。將上述X、Y轉(zhuǎn)換后的浮點(diǎn)數(shù)值實(shí)時(shí)賦給虛擬參考基準(zhǔn)，再將其位移信息傳遞給拾取的零部件。用戶可以在零部件上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵不放開(kāi)，將零部件拖動(dòng)至期望位置時(shí)，松開(kāi)左鍵，實(shí)現(xiàn)零部件的鼠標(biāo)拾取定位功能。

根據(jù)不同用戶的需求，本系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)由操作鍵盤(pán)來(lái)控制零部件運(yùn)動(dòng)的功能。鍵盤(pán)行為模塊是一系列3D Transformations子模塊與Switch On Key的組合，包括平移Translate、旋轉(zhuǎn)Rotate、縮放Scale、移動(dòng)Move to等。用戶通過(guò)操作鍵盤(pán)來(lái)控制零部件的運(yùn)動(dòng)，W、S、A、D 控制上、下、左、右平移，LEFT、RIGHT控制向左、向右旋轉(zhuǎn)，UP、DOWN控制放大、縮小。

圖5 鼠標(biāo)拾取定位模塊

圖6 視角方向模塊腳本

視角方向模塊可以增強(qiáng)使用者與場(chǎng)景在交互過(guò)程中的真實(shí)性。要求編寫(xiě)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)腳本，使其在進(jìn)入場(chǎng)景后能夠上下左右平移、前進(jìn)后退、左右旋轉(zhuǎn)和仰視俯視，這些均通過(guò)控制由視點(diǎn)指向參考點(diǎn)的視線變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。視角方向模塊腳本如圖6所示，通過(guò)鼠標(biāo)滾輪的滾動(dòng)控制視線的前進(jìn)和后退，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵并拖動(dòng)鼠標(biāo)改變觀察角度，從而實(shí)現(xiàn)由不同視角方向觀察多路閥裝配和具體零件信息。

特別需要注意的是，由于液壓多路閥零部件數(shù)目繁多、裝配精密，單一場(chǎng)景必然無(wú)法展現(xiàn)特定零部件的所有信息，所以整個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)分為多個(gè)場(chǎng)景，例如：多路閥總成場(chǎng)景、閥芯總成場(chǎng)景、單個(gè)零件場(chǎng)景等。這樣，用戶就可以在適合的場(chǎng)景中，直觀清晰地看到裝配體和零部件的所有細(xì)節(jié)。這也是本系統(tǒng)有別于其他虛擬裝配系統(tǒng)的特點(diǎn)，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)工作量有所加大，但是避免了很多實(shí)踐中的客觀問(wèn)題，減少了后期修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，更加貼近用戶在實(shí)際工作中的需求。

5 整合發(fā)布

多路閥虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可以采用兩種方式進(jìn)行整合發(fā)布：1）播放方式，將整個(gè)系統(tǒng)文件保存為*.vmo格式，就可以在任何一臺(tái)安裝有Virtools Player的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行播放。2）可執(zhí)行文件方式，通過(guò)插件Virtools-Make Exe將整個(gè)系統(tǒng)輸出打包為為一個(gè)可執(zhí)行文件*.exe，任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)不用安裝任何插件就可以運(yùn)行。本系統(tǒng)采用第二種方式，輸出的exe執(zhí)行文件還可以刻錄在光盤(pán)里，制成教學(xué)培訓(xùn)光盤(pán)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，這種方式既省去了用戶安裝播放軟件的程序，又能使用戶方便快捷地進(jìn)行虛擬裝配學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的虛擬裝配系統(tǒng)可以使用戶真實(shí)、交互、全方位地掌握液壓多路閥的裝配過(guò)程，在工廠培訓(xùn)、學(xué)校教學(xué)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。它不僅能夠滿足工程機(jī)械行業(yè)培訓(xùn)任務(wù)的需要，也能為其他虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供一定的參考，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著近些年VR技術(shù)的蓬勃發(fā)展，其交互設(shè)備也推陳出新[8]，本文作者目前正在研究包括數(shù)據(jù)手套、空間位置追蹤器、3D鼠標(biāo)等設(shè)備在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序，以建立更完備的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

[1] 劉金林，曾凡明.基于Catia/Virtools的艦船主動(dòng)力裝置虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)研究 [J].艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（6）：104-141.

[2] 李建廣，夏平均.虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2010（3）：34-38.

[3] 劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典-Virtools開(kāi)發(fā)工具篇[M].成都：四川電子音像出版社，2005：38-65.

[4] 孫倩.基于3DS MAX的三維建模及其在Virtools環(huán)境中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2008（12）：94-95.

[5] 劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典-Virtools游戲開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].汕頭：電腦報(bào)電子音像出版社，2009：153-167.

[6] 徐英欣，王丹東，胥林.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典-Virtools虛擬裝配制作實(shí)例[M].重慶：電腦報(bào)電子音像出版社，2009：27-53.

[7] 王丹東，王永友.基于Virtools的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備虛擬裝配技術(shù)研究[J].中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，21（5）：32-34.

[8] 沈可，蔣建國(guó)，彭太樂(lè).基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人機(jī)物理交互仿真系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25（4）：210-212.