馬希青等

摘 要：實驗滾筒球磨機是一種被廣泛使用的物理試驗儀器。為了給生產(chǎn)技術人員提供更加便捷的工具，讓有興趣的人能更直觀地了解實驗滾筒球磨機各主要組件的結構和功能，設計一種球磨機虛擬拆裝系統(tǒng)。文章以一款小型臥式實驗球磨機為例，通過對其拆卸和裝配過程的分析，構建各零部件的三維模型，利用3D技術和VRP虛擬現(xiàn)實平臺實現(xiàn)對該球磨機進行交互性拆卸和裝配的功能。

關鍵詞：VRP；虛擬現(xiàn)實；實驗滾筒球磨機；交互性

引言

虛擬現(xiàn)實是以計算機技術為核心，結合傳感技術、人工智能等營造一個仿真的虛擬空間環(huán)境，用戶借助各種交互設備可對該環(huán)境中的對象進行觀看、操作和控制，并產(chǎn)生身臨其境的融入感和參與感[1]。

虛擬現(xiàn)實技術目前已經(jīng)廣泛應用在了科技開發(fā)、商業(yè)、醫(yī)療、娛樂等領域，但在實驗滾筒球磨機這樣的小型工業(yè)設備上，還少有具體的成果。一般的企業(yè)用戶或愛好者了解工業(yè)設備，主要通過實地觀摩學習，會受到時間和地點的限制。因此，建立一個球磨機虛擬拆裝系統(tǒng)既能使用戶感同身受，又可以節(jié)省大量人力物力[2]。

3ds Max具有強大的材質(zhì)貼圖功能和渲染功能，能使三維模型和虛擬環(huán)境看起來生動、逼真。VRP-Platform是一款人性化、易操作的虛擬現(xiàn)實軟件平臺，具有良好交互性。3ds Max與VRP-Platform具有完美的兼容性。

1 零部件三維模型的建立與轉換

小型的實驗滾筒球磨機主要由罩殼、磨機、電動機及電器控制箱四大部分組成。其中磨機部分是研磨物料的主體，由筒體、磨門蓋、軸承及軸承座、聯(lián)軸器和齒輪減速機等零部件組成。

文章使用了SolidWorks來進行磨機部分的零件建模。SolidWorks主要用于研發(fā)機械設備，造型與建模方式簡單直觀，且具有專門服務于機械產(chǎn)品的toolbox插件和齒輪建模工具。繪制完成后只需要將它們保存成*.wrl的格式，再打開3ds Max軟件，選擇“導入”的方式加載模型，并選擇合并場景即可。因此使用SolidWorks來進行部分零件建模之后再導入3ds Max可以提高建模效率。

2 模型的簡化處理

隨著技術的發(fā)展，取得的三維數(shù)據(jù)場的規(guī)模越來越大，由此三維重建取得的三維表面模型的面數(shù)巨大，而在很多的情況下，高分辨率的模型不是必要的，并可能嚴重影響到VR-DEMO的演示運行速度。因此，對模型的精確度及復雜度需折中考慮。

文章中的電動機和電器控制箱，采用法線貼圖的方式處理，既降低模型面數(shù)又保證了模型的細節(jié)特征。

對于在3ds Max中繪制的幾何體，可以直接通過減小步數(shù)、分段數(shù)、形狀步幅、路徑步幅等參數(shù)的方式處理，以達到精簡物體總面數(shù)的目的。

3 渲染及烘焙

在3ds Max中導入裝配體后，需根據(jù)其材質(zhì)分別對每個零部件添加材質(zhì)貼圖。

在3Ds Max中給虛擬裝配場景設置環(huán)境光。3ds Max中的目標平行光可用來模擬太陽光，再對模型添加若干個目標聚光燈。添加燈光時，使用光度學燈，再對模型進行光能傳遞計算，使模型顯得更細膩，更真實。為了使模型在導入VRP之后仍然有光感和體感，需要對部分模型進行貼圖烘焙。

金屬材質(zhì)的模型，也可以不進行烘焙，在VRP編輯器中進行編輯。VRP自帶的模型材質(zhì)設置和動態(tài)光照設置相結合，可以制作出逼真的金屬材質(zhì)效果。

4 在VRP中制作拆裝展示動畫

在VRP和3ds Max中，都可以制作簡單的剛體動畫，制作過程類似。文章的拆裝展示動畫，選擇在VRP編輯器中制作。

選擇創(chuàng)建時間軸，根據(jù)所需的動畫時長設置時間軸長度。點擊自動關鍵幀，然后將關鍵幀移動至運動狀態(tài)發(fā)生改變的時間點對應的幀上，VRP會自動計算關鍵幀中間的動畫幀。使用這種方式只需做出拆卸球磨機的動畫，球磨機組裝的動畫使用更改時間軸播放方式的腳本來完成[3]。

5 添加控件和交互腳本

VRP編輯器中可以建立若干個頁面，文章的虛擬拆裝系統(tǒng)使用了三個頁面，分別為加載頁面、虛擬拆裝頁面、手動觀察頁面。下面主要介紹虛擬拆裝頁面和手動觀察頁面的制作。

在VRP編輯器初級界面中，單擊【新建頁面按鈕】，便可以彈出【頁面名稱】對話框，新建頁面操作即完成。在制作虛擬拆裝頁面時，創(chuàng)建兩個按鈕，“自動拆”和“自動裝”。方法是點擊【高級界面】中的【控件】面板，再單擊【普通按鈕】，然后在繪圖窗口中拖動以繪制按鈕。在屏幕右邊的卷展欄中，可以編輯按鈕的位置尺寸、風格和控件屬性。在【控件屬性】下拉菜單中，編輯按鈕的腳本，以控制動畫的播放，即實現(xiàn)自動拆裝。

制作手動觀察頁面的目的是，可以用鼠標隨意拖動零件模型，多角度地觀察零件模型的細節(jié)。具體方法是：（1）在窗口消息函數(shù)中，定義變量。（2）對每個零件模型創(chuàng)建如圖2所示的移動模型的函數(shù)腳本。（3）創(chuàng)建每個零件模型的鼠標觸發(fā)函數(shù)，設置定時器，調(diào)用“步驟2”中的函數(shù)。

6 VRP中的虛擬現(xiàn)實漫游

為了使場景更加真實、美觀，最后為該場景添加了天空盒，背景音樂等。調(diào)整好VRP場景之后，將該場景生成單機版可執(zhí)行exe文件，便于在其他計算機上進行演示。

參考文獻

[1]王學文，秦毅，楊昕宇，等.采煤機虛擬現(xiàn)實裝配仿真系統(tǒng)研究[J].圖學學報，2015，36（2）：268-270.

[2]李浩，李鴻操.高能球磨機技術探索[J].中國新技術新產(chǎn)品，2012，8：106.

[3]李儒茂，郭翠翠.VRP12虛擬現(xiàn)實編輯器標準教程[M].北京：印刷工業(yè)出版社，2013：77.