減速器虛擬拆裝實驗系統(tǒng)的構建

馮桂珍， 池建斌， 王大鳴， 王 晨

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減速器虛擬拆裝實驗系統(tǒng)的構建

馮桂珍， 池建斌， 王大鳴， 王 晨

（石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊 050043）

針對當前實驗課程的設備臺套數(shù)和場地等的不足，分析了國內(nèi)外虛擬實驗室的現(xiàn)狀與特點，在研究Cult3D構建交互式三維虛擬場景的過程、方法和相關技術的基礎上，以齒輪減速器為例，利用Cult3D及其它相關軟件工具，構建了一個基于網(wǎng)絡的齒輪減速器虛擬拆裝實驗，該實驗系統(tǒng)具有三維、動態(tài)性、交互性、低帶寬網(wǎng)絡傳輸?shù)忍匦裕朔藗鹘y(tǒng)實驗的不足，在實際應用中取得了良好的效果。

計算機應用；減速器拆裝實驗；場景交互；Cult3D技術

目前，國內(nèi)各高校對實驗課的教學，大都存在著實驗形式、內(nèi)容、要求越來越高，實驗設備、器材、場地、經(jīng)費的保障相對滯后的矛盾，實驗保障條件的制約在一定程度上影響了實驗教學的開展和學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著網(wǎng)絡技術、仿真技術、多媒體技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡虛擬實驗應運而生。網(wǎng)絡化的虛擬實驗可以彌補實驗設備、場地的不足，徹底打破空間、時間的限制；通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)教育資源共享從而可以節(jié)省許多基礎設施的低水平重復建設和儀器設備重復引進的資金投入，有利于從整體上改善辦學條件和提高教學水平；網(wǎng)絡虛擬實驗教學能夠靈活地提供給學生系統(tǒng)化的實驗教學內(nèi)容，學生可以根據(jù)實際情況自主確定學習內(nèi)容和安排學習進程從而可以最大限度地滿足學生的不同需要。因此，國內(nèi)外許多高等院校及科研機構開發(fā)了具有自己特色的虛擬實驗室，如Gentral Florida大學教育訓練研究院建立VSL(Visual Systems Laboratory)虛擬系統(tǒng)實驗室、Model Science的Model Chemlab化學實驗室、美國巴爾的摩(Baltimore)約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)建立的化工虛擬實驗室(Virtual laboratory)等。這些實驗室多專注于專業(yè)化設計，操作比較復雜。國內(nèi)也有很多類似案例，如文獻[5]開發(fā)的基于Matlab Web Server的輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)，解決了Web系統(tǒng)開發(fā)程序中數(shù)值計算能力和數(shù)據(jù)處理結果輸出能力較差的難點問題，文獻[6]中使用Java Applet及Matlab/Simulink構建控制系統(tǒng)網(wǎng)絡虛擬實驗室等，而基于網(wǎng)絡的減速器測繪實驗比較少。

Cult3D是全新的Web3D技術、一個跨平臺的3D引擎。其目的是在網(wǎng)頁上建立交互式的3D對象，基于Java內(nèi)核，具有良好的跨平臺性；可視化的開發(fā)界面使開發(fā)者可以輕松掌握；32位的高視覺渲染方式使其渲染質量遠勝于VRML語言；特殊的壓縮方式使得文件體積很小，適合低帶傳輸；鑒于此，利用Cult3D，結合Pro/E、3DMax、Photoshop、fireworks、DreamWeave等軟件工具，開發(fā)了一個基于網(wǎng)絡的齒輪減速器虛擬拆裝實驗，通過互聯(lián)網(wǎng)可以隨時隨地進行學習，深受用戶歡迎。

1 減速器測繪實驗過程分析及系統(tǒng)框架

減速器中包含多種通用零件，如齒輪、軸、軸承、螺紋緊固件、潤滑裝置、密封元件等。減速器測繪實驗中涉及零部件的拆裝和結構分析，對學生掌握機械結構、了解結構設計的原則，更好地進行課程沒計、畢業(yè)設計有很大的幫助，對提高學生的動手能力，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，提高學生分析問題和解決問題的能力起到促進作用，是啟迪學生的創(chuàng)新思維的重要手段。

真實減速器測繪的拆裝實驗過程是先將減速器放在測繪臺上，觀察其整體形狀結構，了解工作原理和運動情況，然后按拆卸順序拆卸零件，了解各個零件之間的裝配關系和位置關系，并進行零件的測繪，繪制裝配示意圖和零件草圖，測繪完畢后將拆卸的零件按照裝配順序進行裝配。

減速器虛擬拆裝實驗以真實實驗過程為依據(jù)，整個系統(tǒng)采用服務器／瀏覽器模式，服務器端存放由建模工具創(chuàng)建好的零件通過格式轉換導入Cult3D中構建的動態(tài)交互實驗場景，瀏覽器端是嵌入*.co格式文件的主界面，提供Cult3D虛擬場景的瀏覽和基于鼠標的交互控制和操作。圖1是系統(tǒng)框架圖。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 虛擬實驗場景的創(chuàng)建

2.1 虛擬模型的創(chuàng)建

Cult3D的開發(fā)步驟可分為3個階段：建模、編輯、發(fā)布（見圖2）。本身不具有三維建模的功能，需要使用其他的三維建模工具。目前，Clut3D支持創(chuàng)建3D模型的主要工具有3DSMax、Maya等。在這些軟件安裝有對應的Cult3D插件后才能將三維模型導出為C3D文件（Cult3D模型文件）。鑒于3DSMax是目前使用最多的三維建模、動畫、渲染軟件，其功能強大，可以外掛很多插件來彌補本身的功能不足。因此，采用3DSMax作為模型格式轉化工具，利用Pro/E創(chuàng)建零部件模型，導入到3DSMax后，通過Cult3D Export導出Cult3D模型文件（*.c3d文件），然后在C3Ddesigner中完成交互式拆裝。

圖2 Cult3D程序開發(fā)流程

在具體建模過程中需要注意以下幾點：

（1）Pro/E與3DMax是通過STL格式進行接口。在Pro/E的裝配模塊中裝配零部件并設置外觀材質顏色（最終裝配效果圖見圖3、圖4），然后逐個導出零件的STL文件，這樣用3DMax逐一導入Pro/E保存的STL零件副本后，是符合裝配關系的裝配體，定位準確。

（2）將擁有共同運動行為的物體成組并調(diào)整組的幾何軸心到合適位置，以便在Cult3D中做交互運行時，該組物體以某一軸心做共同旋轉運動而不是以各自軸心做運動。如同一軸系上的齒輪、鍵、軸、齒輪等一起旋轉，因而需將軸系的幾何軸心調(diào)整到與軸的幾何軸心重合。

（3）設置視點。Cult3D支持3DMax中的攝像機，自定義攝像機來設置合適的觀察角度，還可以創(chuàng)設多個攝像機分別放在不同的位置，以便于后期制作虛擬裝配和拆卸時視點的選擇，展示最佳視覺效果。

圖3 一級齒輪減速器

圖4 二級齒輪減速器

2.2 動態(tài)與交互功能的設計和實現(xiàn)

C3Ddesigner是一個完全拖放式軟件。從SceneGraph窗口選中將要操作的對象，拖入Event Map窗口，然后在Action窗口中選擇要實施的動作，把它也拖入Event Map窗口，在Event Map中選擇觸發(fā)該動作的事件。Cult3D為用戶提供了鼠標和鍵盤兩種觸發(fā)事件。通過預覽窗口可以檢查動作和事件以及操作對象之間的相互關系。

由于齒輪減速器的拆裝過程必須符合一定的邏輯順序，因而在動作設計中進行了相應處理，使得整個拆裝過程具有動態(tài)性、交互性和邏輯控制性，符合實際的工藝要求。具體實現(xiàn)是，用時間線(TimeLine)控制動作的先后次序，用激活事件或解除激活事件控制每一步的拆卸或安裝。同時，在拆裝過程中，為了呈現(xiàn)最佳觀察方位，程序實現(xiàn)了視點自動切換。視點自動切換是通過切換攝像機實現(xiàn)的。為了增強系統(tǒng)的交互操作提示，在拆裝過程中添加了工具提示和語音提示，工具提示(Tool tip)與相關零部件綁定，提供相應信息，如拆卸順序、零件相關信息等；語音提示可打開或關閉，提示操作步驟。圖5是部分時間線控制窗口。交互和動態(tài)性設計完成后將文件保存并輸出co壓縮類型的網(wǎng)絡文件，用于系統(tǒng)集成時嵌入到網(wǎng)頁中。

圖5 時間線控制

3 系統(tǒng)集成

Cult3D專門開發(fā)了用于Dreamweaver的插件，Cult3D的場景在Dreamweaver中顯示為activeX控件。在File框中輸入已輸出的CO文件路徑，開啟抗鋸齒選項Antialiasing以提高畫面質量，做好3D與2D部分的結合。編輯網(wǎng)頁并將CO文件插入到網(wǎng)頁中。在Dreamweaver界面下進行編輯，將虛擬實驗的3D部分與實驗輔助信息部分統(tǒng)一風格，融為一體。根據(jù)系統(tǒng)框架圖設計的系統(tǒng)主頁如圖6所示，選擇齒輪減速器的類型展示相應實驗內(nèi)容。圖7是進入二級齒輪減速器后的實驗內(nèi)容，包括自動和手動裝配與拆卸、工作原理展示、零件三維模型任意角度查看、二維測繪草圖的預覽等。若要進入虛擬拆裝實驗，系統(tǒng)提示用戶安裝Cult3D插件，用戶通過鼠標交互拆卸和安裝零部件，并能任意角度多方位瀏覽，通過工具提示和語音提示為用戶提供操作幫助，柔美的背景音樂增添了聽覺享受。圖8是二級齒輪減速器拆卸后的效果圖。

4 結 論

虛擬實驗以其跨越時空并超越時空、低成本、低損耗、無危險等優(yōu)勢成為當前網(wǎng)絡教育中實驗教學的主要方式，三維立體可交互操作實驗是目前虛擬實驗研究的主要方向。筆者利用Cult3D開發(fā)的齒輪減速器虛擬實驗，因其三維效果優(yōu)于其它的三維交互技術，極大地提高了實驗的真實感和交互性，帶給學習者身臨其境的視聽感受，實際教學應用后得到師生的一致歡迎和好評。

圖8 二級減速器手動拆裝

[1] Casini M, Prattichizzo D, Vicino A. The automatic control telelab：a remote laboratory of automatic control [C]//Proc.40th IEEE Conf. on Decision Control, 2001: 3242-3247.

[2] http://www.vsl.ist.ucf.edu/home/home.html

[3] http://www.modelscience.com/

[4] http://www.jhu.edu/~virtlab/virtlab.html

[5] 王 通, 李 欣, 李偉華, 等. 基于Matlab WebServer的輸油管道泄漏檢測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].中國工程機械學報, 2008, (6): 228-232.

[6] 劉萍先, 俞 立, 楊馬英, 等. 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡虛擬實驗室方案設計[J]. 計算機仿真, 2004, 21(2): 151-154.

[7] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL]. http://www.cult3D.com

[8] Cult3D-theleading3Dtechnologyforthe Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/whatiscult3D/whitepaper.pdf

Construction of Reducer Virtual Disassembly and Assembly Experiment System

FENG Gui-zhen, CHI Jian-bin, WANG Da-ming, WANG Chen

( Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China )

In view of the lack of experiment equipment and place, analyzing the current condition and features of virtual labs. On the basis of studying the process, method and related technology of constructing 3D interactive virtual scene with Cult3D, taking the gear reducer as example, a gear reducer virtual disassembly and assembly experiment is constructed with Cult3D and other related software tools. The virtual experiment system is proved to be of good efficiency in practical application owing to its characters of three-dimension，dynamic, interaction, low-bandwidth transmission, and overcoming the discomfort of traditional experiment.

computer application; reducer disassembly and assembly experiment; scene interaction; Cult3D technology

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0089-05

2009-06-30

馮桂珍（1978-），女，內(nèi)蒙古商都人，講師，碩士，主要研究方向為計算機輔助設計及圖形學、虛擬現(xiàn)實技術。