液壓萬能試驗機的虛擬現實仿真系統

楊 光

（集美大學機械工程學院，福建 廈門 361021）

在機械領域，虛擬設計的工業應用主要以產品設計為對象，實現虛擬樣機、虛擬裝配、動態仿真、網絡交互等功能。虛擬設計可以表現產品的外觀以及動態過程的仿真，如機器工作原理的虛擬表達、虛擬裝配過程或虛擬操作，或者是工業過程的虛擬體現等。這些過程，均為設計人員進行合理和優化設計提供了重要的參考，代替小試甚至中試過程，同樣為產品開發節約了大量的時間、人力、物力和財力[1-6]。利用虛擬現實技術創建的液壓萬能試驗機虛擬實驗環境，人與環境互相交流，可以模擬真實的試驗過程，通過信息反饋，還可以從中獲得有關試驗的一些啟示，從而熟悉整臺設備結構以及試驗過程。

建筑與影視作品的虛擬現實建模多依賴于3ds max和Maya，機械行業產品建模要求嚴格的尺寸、形狀和裝配關系。CAXA軟件包括特征造型、曲面造型、實體造型在內的多種造型方法，同時提供了自頂向下和自底向上的裝配設計方法。CAXA軟件同時提供了VRML軟件的數據接口。液壓萬能試驗機的虛擬現實，首先通過CAXA軟件完成工業產品造型和靜態裝配模型，然后結合VRML和Javascript技術，完成動態裝配、試驗過程的實現、試樣力學性能仿真和零件信息提取等方面的內容。

1 液壓萬能試驗機靜態模型的建立

液壓萬能試驗機靜態裝配模型在 CAXA軟件中完成。首先，在CAXA軟件中逐個建立液壓萬能試驗機系統零件模型，包括機體、下滑塊、按鈕1、按鈕2、按鈕3、螺桿1、螺桿2和表盤等。然后，將所有零件按照組件裝配，最后裝配成完整的液壓萬能試驗機。

接下來，將CAXA的ics格式的文件導出為VRML V2.0版的wrl格式文件，然后在VRML文件編輯器VrmlPad中讀入wrl文件，再對此對象進行場景渲染或者動畫制作等。但是，對于比較復雜的裝配文件，如果將裝配的ics文件作為整體導出為wrl格式，會導致在虛擬現實編輯軟件中文件過大，帶來對組件和零件的操作不方便等一系列麻煩。一般的處理方法是：在CAXA軟件中的裝配狀態下，每次導出一個零件，其余零件隱藏掉，這樣重復操作至導出每一個零件；然后建立一個新的wrl格式文件，利用Inline命令將所有零件的wrl文件聯系起來[3]，此時，不用做調整，就可以保證各個零件的相對位置的正確性，圖1為部分零部件的Inline命令和轉換后液壓萬能試驗機裝配體的虛擬現實模型。

圖1 Inline命令和轉換后的液壓萬能試驗機虛擬現實模型

2 液壓萬能試驗機工作過程的虛擬現實

液壓萬能試驗機的虛擬工作過程包括機體動畫設置和材料力學性能試驗仿真的關鍵技術。

2.1 VRML動畫實現

VRML通過時間傳感器（TimeSensor）和插補器（Interpolator）以及路由（ROUTE）語句來實現關鍵動畫[3]。基本過程為時間傳感器給出控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包括動畫的開始時間、停止時間、時間間隔和是否循環等參數，此時鐘信息輸出到插補器節點，插補器節點定義了關鍵點和關鍵數值，VRML根據插補器節點的設置進行關鍵點外區域的線性插值，完成勻變速動畫過程。如果需要變速動畫過程或者復雜動畫過程，需要結合腳本語言 Javascript來實現：時間傳感器的輸出可以控制插補器和 Javascript的輸入，而插補器和 Javascript的輸出又可以控制零件的移動和旋轉等動作。對于液壓萬能試驗機，在對相應按鈕設置觸發傳感器之后，時間傳感器開始作用，此時，表盤指針指示壓力的變化，兩個螺桿旋轉，同時，下滑塊移動，實現拉伸或者壓縮試樣的運動。

圖2為實現兩個螺桿旋轉和下滑塊移動的動畫路由，包括時間傳感器、位置插補器和朝向插補器的設置。

圖2 動畫路由

2.2 材料力學性能試驗仿真的關鍵技術

材料力學性能試驗仿真的關鍵技術包括試樣變形和應力應變曲線仿真等方面的內容。

2.2.1 試樣變形的實現

此處以壓縮塑性材料為例，試樣變形通過開關節點和腳本實現，在開關節點中內聯試樣變形的關鍵狀態文件。其中，腳本語句和路由語句如下：

DEF cpu Script {

eventIn SFFloat curfra

eventOut SFInt32 outCho

url "javascript:

// Handler for event curfra of type SFFloat.

function curfra (value, timestamp)

{ print(curfra);

outCho=curfra*20/2.5;

}" }

ROUTE cpu.outCho TO swit.set_whichChoice

ROUTE tims.fraction_changed TO cpu.curfra

ROUTE touch.touchTime TO tims.startTime

在瀏覽器中，點擊按鈕1后，表針開始旋轉，螺桿開始旋轉，下滑塊下滑，下滑塊的壓頭接觸工件之后，隨著壓力增加，塑性材料試樣經過彈性變形階段和屈服階段直至被壓扁。

2.2.2 應力應變曲線仿真技術

液壓萬能試驗機在仿真測試材料性能時，同時可以輸出應力應變曲線，這樣使得材料力學性能更加一目了然。應力應變曲線仿真技術和試樣變形技術一樣，通過開關節點和腳本實現。圖3為塑性材料試樣變形及與其對照的應力應變曲線的虛擬現實。

圖3 試樣變形及應力應變曲線

2.2.3 聲音添加

VRML所播放的聲音有自己的聲源，它模擬現實中的3D聲音傳播方式，給人現實中的聽覺感受。為了達到虛擬工作過程的逼真效果，具體做法是，首先錄制液壓萬能試驗機各種動作的現場聲音，然后進行剪裁和分段處理，通過聲音節點給 VRML世界添加合適的聲音，實現過程如下：

Sound {

source DEF sou AudioClip {url "test.wav"

loop FALSE}

location 0 0 0

direction 1 0 0

maxBack 100000

maxFront 100000

minBack 1

minFront 1

intensity 1}

2.2.4 信息提取

利用VRML中的Anchor節點可以實現虛擬現實中的裝配零件信息的獲取[4]。比如，要想提取試樣的材料信息并超鏈接到試樣文件，具體實現語句為：

Anchor { url" shiyang1a.wrl"

description "HT200 D=2mm L=2mm "

children [DEF shiyang1a Transform {…} ]}

圖4為試樣材料信息的提取結果，當鼠標放在試樣上時，出現“HT200 D=2mm L=2mm”字樣，單擊鼠標，VRML空間轉換到試樣文件形成的環境空間，如圖5所示，在此，可以單獨瀏覽試樣零件。

圖4 試樣信息提取

圖5 試樣超鏈接

3 結 論

利用VRNML、Javascript技術與 CAXA的協同設計，能夠很好地完成具有交互功能的萬能試驗機的虛擬試驗過程，在不消耗實材的情況下，可以反復觀察試驗現象，其具體解決技術應用于工程機械的虛擬現實具有普遍意義。

[1]尹念東, 余 群. 基于桌面虛擬現實系統車輛運動仿真的立體視覺實現[J]. 農業機械學報, 2002, 33(1):23-26.

[2]倪 濤, 趙丁選, 倪 水, 等. 基于虛擬現實的遙控操作工程機器人圖形仿真[J]. 農業機械學報, 2005,36(5): 80-83.

[3]王 炎. 虛擬現實建模語言 VRML[J]. 計算機科學,1999, 26(12): 38-42.

[4]張潞弟, 朱群雄. 新型虛擬現實建模交互方法[J].計算機工程, 2008, 34(1): 72-75.

[5]張翠敏, 王菁華, 董翠英. 應用OpenGL實現鋼坯溫度場的虛擬現實可視化[J]. 機床與液壓, 2008, 36(2):157-159.

[6]高印寒, 馬增治, 李春光, 等. 虛擬現實技術及其在機械工程中的應用[J]. 吉林大學學報(工學版), 2003,33(2): 105-106.