文懷興，朱效杰

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安710021)

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基于EON Studio的虛擬拆裝方法的研究*

文懷興，朱效杰

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安710021)

摘要：虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械領(lǐng)域的應(yīng)用極大地促進了機械行業(yè)的快速發(fā)展，為機械產(chǎn)品的研發(fā)帶來了新的思路和方向。以典型的機械產(chǎn)品齒輪泵為研究對象，以虛擬現(xiàn)實軟件EON Studio為研究平臺，論述了在虛擬環(huán)境中用該軟件進行虛擬拆裝的優(yōu)勢、原理以及方法，并且以齒輪泵的虛擬拆裝為實例，通過運用該軟件提供的功能節(jié)點，不需要編程就能方便地實現(xiàn)人機交互，使用戶可以從各個角度全面認識機械產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、拆裝順序等重要信息，展示了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械領(lǐng)域、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù)EON Studio齒輪泵虛擬拆裝人機交互

0引言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，許多新的制造手段和制造技術(shù)逐漸產(chǎn)生，如敏捷制造，并行工程等。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和計算機圖形技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了虛擬現(xiàn)實、虛擬制造等技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality,VR)是一門綜合性極強的信息技術(shù)，可用于創(chuàng)建和體驗虛擬世界，目前已在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計、建筑、娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1虛擬現(xiàn)實軟件EON Studio簡介

EON Studio是一種運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行3D對象展示、運動仿真、虛擬拆裝的多功能軟件[2]。它采用了智能的操作界面和組件，擴展性強；同時兼顧了專業(yè)人員和非專業(yè)人員學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所需的不同功能和模式的支持；能輕易的與其他3D軟件結(jié)合，不需要重建模型。它是一個完全基于GUI的設(shè)計工具，能夠開發(fā)出應(yīng)用于銷售、電子商務(wù)、機械、建筑以及教育培訓(xùn)等領(lǐng)域的實時3D多媒體應(yīng)用程序[3]。

2基于EON Studio進行虛擬拆裝的優(yōu)點

1)能方便地實現(xiàn)人機交互，用戶不需要編程就能輕松地通過鍵盤或鼠標(biāo)控制虛擬場景中3D對象的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等運動方式。這是該軟件優(yōu)于其它虛擬現(xiàn)實軟件的一個重要方面。

2)可以從多個角度觀察虛擬拆裝的過程，這樣人們能夠看到復(fù)雜物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組合方式、拆裝順序等重要信息，這對于分析物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成部分以及工作原理非常重要。

3)在用EON Studio進行虛擬拆裝時，可以用文本節(jié)點進行必要的文字說明，這對于人們進一步理解物體非常重要。

4)在應(yīng)用Eon Studio進行虛擬拆裝時，還可以通過聲音節(jié)點添加講解的音頻，通過多媒體節(jié)點添加相關(guān)的視頻，人們不僅能聽到講解的聲音，而且能看到視頻[4]。從而可以從更多的方面來理解物體的結(jié)構(gòu)、組合方式、工作原理等。

3應(yīng)用EON Studio進行虛擬拆裝的過程及方法

3.1建立三維模型

建立三維模型，這是首要步驟。目前能用于建立三維模型的CAD軟件有很多，例如Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA等等，這些軟件都有各自的特點。本文采用SolidWorks(2012版)來建立三維模型，齒輪泵的三維模型如圖1所示。

圖1　SolidWorks中建立的齒輪泵三維模型

3.2將三維模型導(dǎo)入到EON Studio中

EON Studio可以輕松導(dǎo)入各種3D軟件格式的文件(如SolidWorks、3ds Max、Lightwave、AutoCAD等)，不需要重建模型，這是EON Studio優(yōu)于其他虛擬現(xiàn)實軟件的一個重要方面。其步驟是依次選擇File—Import—SolidWorks(via OLE4DM),然后再按照SolidWorks格式文件導(dǎo)入到EON Studio的方法進行導(dǎo)入，導(dǎo)入過程如圖2所示。

圖2　導(dǎo)入過程

3.3建立虛擬場景

圖3　建立的虛擬場景

在進行虛擬拆裝時，建立一個非常逼真的虛擬場景，會讓人很快沉浸在虛擬環(huán)境中，給人一種身臨其境的感覺。其方法是：分別將Panorama節(jié)點(場景節(jié)點)和OfficeRoom元件拖動到Scene節(jié)點下，然后在右面的屬性框中對其屬性進行設(shè)置[5]，建立的虛擬場景如圖3所示。

3.4設(shè)置交互性

圖4　WalkAbout節(jié)點的設(shè)置

EON Studio提供了多個功能節(jié)點用于實現(xiàn)人機交互，如Motion節(jié)點、Walk節(jié)點、Keymove節(jié)點、WalkAbout節(jié)點等，其中Walk節(jié)點是默認設(shè)置的節(jié)點。本文添加WalkAbout節(jié)點，用于實現(xiàn)瀏覽模擬場景中的任何地方以及進一步實現(xiàn)人機交互。其方法是：在節(jié)點元件視窗中將該節(jié)點拖動到Camera節(jié)點下，然后在屬性框中，設(shè)置在場景中行進的速度、轉(zhuǎn)動的角速度以及實現(xiàn)向左、向右、前進、后退、向上看、向下看等功能的控制鍵，如圖4所示。

3.5虛擬拆卸的方法

在EON Studio中進行虛擬拆卸時，主要用到支持平移、旋轉(zhuǎn)的功能節(jié)點(如Keyframe節(jié)點、Path節(jié)點、Place節(jié)點等)和傳感器節(jié)點(如ClickSensor節(jié)點、KeyboardSensor節(jié)點、MouseSensor節(jié)點等)[6]。本文采用Place節(jié)點和ClickSensor節(jié)點，來實現(xiàn)虛擬拆卸。方法如下：

圖5　Place節(jié)點的設(shè)置

1)拖動Place節(jié)點至各個零件節(jié)點下，然后雙擊該節(jié)點或在右側(cè)的屬性框中對其屬性(如沿X軸、Y軸、Z軸方向的位移和時間，繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度和所用時間)進行設(shè)置，還要根據(jù)實際情況選擇相對運動方式或絕對運動方式，如圖5所示。

2)拖動ClickSensor節(jié)點至Scene節(jié)點下，雙擊該節(jié)點在彈出的屬性對話框中，對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，當(dāng)把Chang cursor when clickable勾選后在鼠標(biāo)經(jīng)過要點選的物體時，鼠標(biāo)的形狀變成手的形狀，以提醒用戶可以點選物體。

3)拖動2DText節(jié)點(文本控制節(jié)點)至Scene節(jié)點下，點擊該節(jié)點，在右側(cè)的屬性框中可以設(shè)置文本框的大小、位置，文本內(nèi)容，字體大小、顏色，背景顏色等。

4)拖動PopupMenu節(jié)點(菜單節(jié)點)至Scene節(jié)點下，點擊該節(jié)點，在右側(cè)的屬性框中可以添加或者刪除菜單中的目錄項。菜單節(jié)點可以給用戶的應(yīng)用模擬程序方便地添加一種交互性[7]。

圖6　邏輯關(guān)系的設(shè)定

5)將視窗切換到邏輯關(guān)系設(shè)定視窗，設(shè)置節(jié)點間、節(jié)點與元件間的邏輯關(guān)系。將ClickSensor節(jié)點的OnButtonDownTure輸出域與TextBoxButton元件的SetRun輸入域相連接，這樣當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時可以觸發(fā)TextBoxButton元件；將TextBoxButton元件的OnRunTure輸入域與Place節(jié)點的SetRun輸出域相連接，這樣TextBoxButton元件可以觸發(fā)該Place節(jié)點所在節(jié)點的零件產(chǎn)生運動；最后將第一個零件的Place節(jié)點的OnRunFalse輸出域與第二個要拆卸零件的Place節(jié)點的SetRun輸入域相連接，用同樣的方法對其他零件的Place節(jié)點進行連接，這樣一個個零件就能按順序依次拆開[8]，如圖6所示。

3.6虛擬裝配的方法

基于拆卸和裝配可逆的原理，可以采取與拆卸相反的過程來進行虛擬裝配。但是裝配功能應(yīng)當(dāng)能夠獨立完成，即不需事先運行拆卸功能也能實現(xiàn)。方法是：在裝配之前先執(zhí)行快速拆卸功能，然后依次復(fù)位。這個快速拆卸功能不是簡單的將拆卸的時間設(shè)置為0，而是采用所有零件先短時間的快速分離，然后同時設(shè)置失效狀態(tài)[9]。

3.7設(shè)置多角度觀測

從多個角度觀察物體虛擬拆裝過程，對于進一步分析物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組合方式有重要意義[10]。其方法是：在需要切換視角觀察的相鄰兩個零件的Place節(jié)點下，加入Camera節(jié)點下的Place節(jié)點，然后對它們的輸入輸出域進行設(shè)置即可。對于本文中齒輪泵的拆裝，如果只從正面的角度觀察，我們不能看清楚泵體內(nèi)部圓柱齒輪的拆裝過程，在設(shè)置多角度觀測后就可以清楚地看到其拆裝過程，效果如圖7所示。

(a)觀測角度一　　　　　　　　(b)觀測角度二圖7　多角度觀測

3.8添加文字說明

圖8　齒輪泵虛擬拆裝系統(tǒng)的窗口

在進行虛擬拆裝時，添加文字說明是必要的，它可以幫助人們更好的理解虛擬拆裝的原理、步驟。其方法是：將TextBox節(jié)點(文本節(jié)點)復(fù)制到Scene節(jié)點下，雙擊該節(jié)點在彈出的屬性對話框中，可以輸入想要顯示的文字，設(shè)置字體的大小、顏色，設(shè)置文本框的背景顏色等，如圖8所示。

3.9添加聲音、視頻

在進行虛擬拆裝時，還可以添加聲音、視頻，用于講解虛擬拆裝的原理、關(guān)鍵步驟、物體的拆裝順序等，這樣通過聽覺和視覺不但能全方位的理解虛擬拆裝的整個過程，而且給人耳目一新的感覺。其方法與添加文字說明的方法相似，這里不再贅述。

圖9　齒輪泵虛擬拆卸的效果

通過上述設(shè)置，齒輪泵虛擬拆裝系統(tǒng)的窗口如圖8所示。當(dāng)點擊“主菜單”按鈕時，會彈出一系列子菜單。當(dāng)點擊某一項子菜單，例如點擊“虛擬拆卸”子菜單時，就會看到齒輪泵的零件按照順序逐步完成拆卸，在這個過程中還可以看到視角多次切換。在進行虛擬拆卸的過程中，我們還可以通過鍵盤來進一步實現(xiàn)人機交互：按下鍵盤上的“A”鍵，視角向左運動；按下“S”鍵，向右運動；按下“D”鍵，向下運動；按下“F”鍵，向上運動；按下“UP”鍵，遠離物體；按下“DOWN”鍵，接近物體等等。齒輪泵虛擬拆卸效果，如圖9所示。

4結(jié)束語

EON Studio在虛擬拆裝的應(yīng)用方面有其獨特的優(yōu)勢。它可以輕松導(dǎo)入各種文件格式的3D模型，建立逼真的虛擬環(huán)境，方便地設(shè)置人機交互方式；人們還可以通過鍵盤和鼠標(biāo)進一步從各個角度觀察，從而對裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、拆裝順序等能夠更加全面地認識。這對于機械產(chǎn)品在裝配環(huán)節(jié)的研發(fā)、虛擬維修、教育培訓(xùn)等方面有著重要的作用。

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朱效杰(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實、虛擬裝配。

Research on virtual assembly and disassembly method based on EON Studio

WEN Huaixing，ZHU Xiaojie

Abstract:The application of virtual reality technology in the field of machinery has greatly promoted the rapid development of machinery industry,and has brought new ideas and directions for the development of mechanical products. This paper takes the typical mechanical product gear pump as the research object, employs the virtual reality software EON Studio as the research platform, and discusses the advantages, principle and method of virtual assembly in virtual environment by using the software. Taking the virtual assembly of the gear pump as an example, the paper proves that it is easy to realize human-computer interaction through the function node provided by the software without programming, and the user can learn comprehensively from various angles of the mechanical product's internal structure, working principle, disassembly sequence and other important information. The study shows the application prospect of virtual reality technology in the fields of machinery, education and training.

Keywords:virtual reality technology；EON Studio；gear pump；virtual disassembly；human-computer interaction

收稿日期：2015-09-21

作者簡介：文懷興(1957-)，男，陜西咸陽人，工學(xué)博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：機械制造及自動化。

基金項目：陜西省教育廳科技計劃項目(11JK0867)，陜西科技大學(xué)科研啟動基金項目(BJ10-07)。

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0036-04