張亞楠，郝 倩

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽 473000)

0 引言

基于Web3D的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是隨著互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，目的是在網(wǎng)絡(luò)特別是互聯(lián)網(wǎng)上建立三維的虛擬世界。目前，網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實技術(shù)在電子商務(wù)、遠程教育、工程技術(shù)及計算機輔助設(shè)計等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。近幾年，基于Web3D的網(wǎng)絡(luò)化虛擬現(xiàn)實技術(shù)有了長足發(fā)展和進步，出現(xiàn)了10種以上用于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實平臺制作軟件，在渲染的速度、圖像品質(zhì)、造型技術(shù)、交互性、數(shù)據(jù)的壓縮與優(yōu)化上有了較大的進步。在農(nóng)機設(shè)計過程中，如果將設(shè)計模型在設(shè)計人員之間及客戶與設(shè)計人員之間進行交流交互，可以大大提高農(nóng)機零部件的設(shè)計效率，使設(shè)計效果可以實時、可視化地呈現(xiàn)在人們的面前，對于現(xiàn)代農(nóng)機設(shè)計技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

1 基于Web3D的虛擬展示技術(shù)

Web3D技術(shù)一般是指基于互聯(lián)網(wǎng)的三維圖形技術(shù)，與Web3D相關(guān)的技術(shù)目前有很多種，在進行拖拉機零部件Web3D虛擬展示時，可以根據(jù)設(shè)計需求，選擇合理的主流虛擬展示技術(shù)。

目前，主流的虛擬展示技術(shù)主要有3種，包括VRML技術(shù)、Cult3D技術(shù)和Java技術(shù)。

1)VRML技術(shù)。VRML技術(shù)是虛擬現(xiàn)實建模語言的縮寫形式，利用這樣語言形式可以開發(fā)交互式的多媒體標準文件。VRML 語言不受平臺的限制，能夠為用戶創(chuàng)建一個可進入、可參與的交互性的三維世界，可以在計算機上展示生動逼真的三維立體效果，將平面轉(zhuǎn)換為立體世界，其與現(xiàn)實的逼真效果主要受網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和Internet客戶端的硬件水平所影響。采用VRML語言可以創(chuàng)建不同級別的應(yīng)用，由于這種優(yōu)勢使其在教育、工程設(shè)計和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2)Cult 3D技術(shù)。Cult3D是一種新的Web3D技術(shù)，利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)將3D展示功能分為兩部分。其中，一部分為3D素材的編寫，一部分為3D素材的解讀，并將解讀后得到的結(jié)果與Html實現(xiàn)無縫拼接，可以將質(zhì)量較高的圖像快速的發(fā)送到用戶端，還可以實現(xiàn)跨平臺傳輸，是一種交互能力較強的3D引擎。利用Cult3D開發(fā)的三維場景可以采用流的形式在網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此其文件較小，但可以完美地表現(xiàn)出和真實世界類似的完美質(zhì)感，還支持對交互物的放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等，體現(xiàn)了真實物體的屬性。Cult3D技術(shù)開發(fā)的虛擬展示文件的傳輸不受帶寬的限制，即便是普通的瀏覽器，直接下載插件后便可以瀏覽Cult3D開發(fā)的三維效果。

3)Java技術(shù)。Java技術(shù)是一種較為成熟的3D建模技術(shù)，利用Java軟件可以輕松地創(chuàng)建三維實景和空間展示場景。Java開發(fā)的產(chǎn)品可以直接在瀏覽器瀏覽，不需要像Cult3D技術(shù)下載插件，可以利用Java的Applet嵌入互聯(lián)網(wǎng)中。

利用Web3D技術(shù)可以開發(fā)一個完整的零件設(shè)計與展示系統(tǒng)，包括零件的尺寸計算和制圖等，能夠為聯(lián)合收割機零部件的設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持，提高零件設(shè)計的交互性功能。Web3D展示系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 Web3D展示系統(tǒng)總體框架Fig.1 The overall framework of the Web3D display system

在現(xiàn)代農(nóng)機設(shè)計過程中，信息化和交互性技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛使用，如果在聯(lián)合收割機零部件的設(shè)計中引入Web3D展示系統(tǒng)，將極大地提高設(shè)計過程的交互性。圖1中，系統(tǒng)主要是由3部分構(gòu)成，包括客戶端、管理端和數(shù)據(jù)庫端。其中，管理端主要負責系統(tǒng)的維護，客戶端可以發(fā)布需求，并可以對設(shè)計的作品進行瀏覽，還可以將意見反饋給設(shè)計者，實現(xiàn)需求和設(shè)計的交互交流。Web3D展示主要是利用3D數(shù)據(jù)端，結(jié)合三維建模仿真軟件，將設(shè)計作品展示給不同的設(shè)計者和客戶，以提高設(shè)計作品的質(zhì)量。

2 零部件參數(shù)化設(shè)計和虛擬展示

隨著現(xiàn)代農(nóng)機技術(shù)的不斷發(fā)展，聯(lián)合收割機被廣泛地應(yīng)用于各種農(nóng)作物的收割機過程中，花生聯(lián)合收割機近年來也開始被逐步采用?；ㄉ?lián)合收割機摘果機構(gòu)的滾筒是整機設(shè)計的核心之一，滾筒直徑的大小會影響刮板的間隔，進而影響花生的摘凈率和破碎率。其刮板間隙可以根據(jù)花生直徑的大小設(shè)計。為了成功地將花生摘下，滾筒初始接觸果莢的位置在果莢最外端的A點所作的垂直線AH上，如圖2所示。

圖2中，在花生摘果操作時，為了利用滾筒的動能，使果莢被以慣性沖擊的方式采摘下來，降低刷梳的負荷，將滾筒中心點設(shè)計在可以過果莢外端與主莖的中心線EF上，則

(1)

利用公式(1)，根據(jù)待采摘花生的生長情況，可以確定GB和AG的值，最終可以得到花生聯(lián)合收割機滾筒的直徑。對于花生聯(lián)合收割機齒輪的設(shè)計，可以采用參數(shù)化建模方式，使用參數(shù)化建模軟件SolidWorks對齒輪的相關(guān)參數(shù)進行輸入。首先，選擇內(nèi)嚙合還是外嚙合齒輪。然后，對相關(guān)參數(shù)進行配置，自動計算出各參數(shù)，點擊生成齒輪1和齒輪2，便可以在SolidWorks建模軟件中生產(chǎn)一對外嚙合齒輪，如圖3所示。

圖2 花生聯(lián)合收割機滾筒摘果示意圖Fig.2 The sketch diagram of the drum for peanut combine harvester

圖3 外嚙合齒輪參數(shù)化建模Fig.3 The parameterized modeling of outer meshing gear

基本的齒輪建模完成后,可以對齒輪進行修改，如倒角和鍵槽。倒角可以直接根據(jù)角度生成，模型可以利用三維模型的剪切功能將沒用的部分去掉，然后利用特征拉伸切除功能，建立鍵槽，如圖4所示。

圖4 建立尺寸鍵槽Fig.4 Setting up the size keyway

完整的齒輪建模設(shè)計完成后，可以同樣的方法生成齒輪軸，生成齒輪軸后可以與軸進行裝配。裝配過程可以在SolidWorks軟件中進行，選擇齒輪孔和軸的基準線，點擊配合，標準配合選擇重合后確定；然后選擇軸上的鍵和齒輪上的鍵槽進行配合，配合距離和自行設(shè)置，便可以完成齒輪、軸和鍵的配合。裝配效果如圖5所示。

圖5 裝配效果圖Fig.5 Assembly effect diagram

齒輪、軸和鍵的裝配完成后，可以進行箱體的裝配，最終的裝配效果圖可以利用VRML建立三維立體展示場景，從而將設(shè)計計算過程和設(shè)計效果展示給每個設(shè)計人員和需求客戶，實現(xiàn)設(shè)計過程的交流交互。展示平臺的主要功能設(shè)計如圖6所示。

本文主要采用Web3D的VRML技術(shù)對展示平臺的功能進行設(shè)計，包括聯(lián)合收割機部件的虛擬拆裝、零部件的虛擬建模、裝配體仿真運動和拆裝實現(xiàn)路徑的展示等，從而實現(xiàn)聯(lián)合收割機部件設(shè)計的交流和交互性。

圖6 虛擬展示平臺功能設(shè)計Fig.6 The function design of virtual display platform

3 基于Web3D的聯(lián)合收割機零部件虛擬現(xiàn)實平臺設(shè)計

根據(jù)聯(lián)合收割機零部件虛擬現(xiàn)實平臺設(shè)計的功能需求，平臺的開發(fā)主要分為3部分，包括三維建模部分、三維模型的顯示和交流、最后的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布?？傮w框架如圖7所示。

圖7 收割機零部件虛擬展示平臺總體框架Fig.7 The general framework of the virtual display platform for the parts of the harvester

收割機零部件虛擬展示平臺的建模分為兩種模式：一種是利用軟件建模，另一種是利用實物圖像。這兩種建模方式可以將收割機零部件的實體和虛擬建模圖像結(jié)合，得到更好的展示效果。

目前，我國花生聯(lián)合收割機雖然還沒有普及，但收割機的研發(fā)技術(shù)正在逐步成熟起來。圖8為青島弘盛汽車配件有限公司設(shè)計的半喂入式花生聯(lián)合收獲機，該收割機得性能可以基本上滿足我國花生收割機的需要。

圖8 花生聯(lián)合收獲機示意圖Fig.8 The sketch diagram of peanut combined harvester

如果對聯(lián)合收割機進行優(yōu)化升級，需要對零部件進行重點改造，且需要對設(shè)計的零部件進行反復修改，而這些可以方便地使用虛擬展示平臺。從三維幾何模型到VRML數(shù)據(jù)交互，虛擬展示平臺的搭建主要分為4個步驟：

1)三維建模。三維建模是零部件展示的基礎(chǔ)，建模時可以對零部件的幾何尺寸進行參數(shù)化建模，以提高建模的速度。建?？梢圆捎肧olidWorks等主流的建模軟件，模型完成后將其以文件的形式保存。

2)模型文件格式轉(zhuǎn)換。在進行VRML編輯之前，需要對模型的文件進行格式轉(zhuǎn)換。格式轉(zhuǎn)換采用RightHemisphere-Deep Exploration進行重新編碼轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為VRML場景文件wrl或者vrml格式。Hemisphere-Deep Exploration具有較高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換效果，文件轉(zhuǎn)換后便可以進行編輯。

3)動畫仿真。文件格式轉(zhuǎn)換后，可以導入到X3d-Edit中進行編輯。X3d-Edit是VRML和X3D的編輯器，對VRML和X3D編輯器而言是一種優(yōu)勢互補，具有VRML文件體積小、實時渲染的功能，也同時具有X3D編輯器開放性，將VRML一些不足采用Java語言進行了補充。

4)建立VRML和Java通信。Java可以對VRML所有的支持通過附加封裝類來實現(xiàn)，從而使Java可以訪問VRML場景，并實現(xiàn)對場景的控制，通信可以利用外部編程接口和腳本編程接口實現(xiàn)。

虛擬展示平臺拆解裝配圖展示如圖9所示。以聯(lián)合收割機得缸體拆解和裝配為例，對虛擬平臺的功能進行了驗證。由圖9可以看出：采用Web3D技術(shù)可以成功地實現(xiàn)聯(lián)合收割機零部件的展示功能，對于聯(lián)合收割機零部件的設(shè)計具有重要的意義。

圖9 虛擬展示平臺拆解裝配圖展示Fig.9 The disassembly assembly drawing of virtual display platform

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)聯(lián)合收割機零部件設(shè)計過程的交互性和可視化，使用Web3D技術(shù)創(chuàng)建了收割機零部件的虛擬展示平臺。該平臺集成了SolidWorks建模功能、X3D的動畫編輯功能、VRML的3D環(huán)境渲染及Java場景控制，可以實現(xiàn)對收割機零部件的拆解和裝配的可視化展示，從而方便了設(shè)計人員之間及設(shè)計人員與客戶之間的交流交互，有效地提高了聯(lián)合收割機零部件的設(shè)計效果。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，Web3D的功能將極大地改善，虛擬展示平臺的功能也將逐漸增強。相信在不久的將來，Web3D技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)機的交互式設(shè)計中將發(fā)揮越來越重要的作用。