擠出機(jī)動(dòng)態(tài)交互仿真平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)

馬希青，周國朝，袁云東，李明

（河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

擠出機(jī)［1］是一種廣泛用于擠出軟、硬聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等熱塑性材料成型的塑料機(jī)械，可加工多種塑料制品，如吹膜、擠管、壓板、拔絲帶等。擠出機(jī)生產(chǎn)的擠塑聚苯乙烯泡沫板簡稱XPS 保溫板，是一種硬質(zhì)的板材，具有持久保溫、較高的抗壓強(qiáng)度和極低的吸水率等良好性能，廣泛用于建筑外墻、冷藏室和公路路基等方面。擠出機(jī)生產(chǎn)XPS 保溫板的過程比較復(fù)雜，相當(dāng)于“黑盒”工藝，設(shè)備自身集機(jī)、電、液、控制于一體，使得現(xiàn)場技術(shù)人員難以了解和操作設(shè)備。

鑒于此，采用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［2］，開發(fā)了一個(gè)基于Web3D 的擠出機(jī)動(dòng)態(tài)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，將擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和物料的狀態(tài)變化進(jìn)行真實(shí)模擬。基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬環(huán)境不受現(xiàn)實(shí)中時(shí)間和空間的限制，技術(shù)人員可以通過使用鍵盤和鼠標(biāo)從不同的角度觀察、體驗(yàn)擠出機(jī)的不同特性，更好地熟悉擠出機(jī)的性能，增強(qiáng)技術(shù)人員和擠出機(jī)的溝通水平。本文中采用VRML、3ds Max 和Cult3D 等技術(shù)開發(fā)出了二級串聯(lián)式單螺桿擠出機(jī)擠塑成型的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，對于其它機(jī)械的虛擬仿真也具有一定的借鑒意義。

1 擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

二級串聯(lián)式單螺桿擠出機(jī)主要由混料單元、第一級擠出機(jī)、第二級擠出機(jī)和機(jī)頭組成。第一級擠出機(jī)的螺桿是漸變型變深等距螺桿，主要影響擠出機(jī)的擠出速率和產(chǎn)品質(zhì)量，被稱為擠出機(jī)的“心臟”，分為加料段、壓縮段和計(jì)量段3 段，如圖1 所示；第二級擠出機(jī)的螺桿是等深等距螺桿。

圖1 變深等距螺桿

物料在自身重力作用下從料筒里自由落下，進(jìn)入第一級擠出機(jī)螺桿和螺筒之間的“縫隙”即螺桿的加料段，物料被壓實(shí)和輸送；在旋轉(zhuǎn)螺桿的帶動(dòng)下物料向前移動(dòng)進(jìn)入壓縮段，物料被進(jìn)一步壓實(shí)和塑化；最終進(jìn)入計(jì)量段，在該段的末尾物料基本完成塑化，物料呈現(xiàn)出黏流態(tài)。塑化的物料流經(jīng)過濾器，其中的雜質(zhì)被清除，進(jìn)入第二級擠出機(jī)，在此段進(jìn)一步被混合和塑化。物料在螺桿牽引下繼續(xù)向前移動(dòng)，進(jìn)入靜態(tài)混合器，在該設(shè)備里面同樣是被進(jìn)一步混合。物料的混合程度直接影響板材的質(zhì)量，因此擠出機(jī)工作中一直存在物料的混合。最終充分混合和塑化的物料進(jìn)入衣架型的機(jī)頭被擠壓成型。

2 模型的建立和優(yōu)化

2.1 現(xiàn)場測繪

擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，而且比較昂貴，通常公司出于安全性、商業(yè)因素等方面的考慮，不允許拆開設(shè)備來觀察內(nèi)部情況。需要測量設(shè)備的零部件然后繪制設(shè)備的三視圖，依據(jù)三視圖，建立整套設(shè)備的三維模型。測繪前，準(zhǔn)備測繪需要的工具如直尺、游標(biāo)卡尺和千分尺等量具；在設(shè)備現(xiàn)場，認(rèn)真觀察和仔細(xì)研究設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配關(guān)系和工作原理，為設(shè)備測繪做充足的準(zhǔn)備。測繪時(shí)，遵循由外及里、由前到后的原則測繪設(shè)備的零部件。測量的螺栓、螺母和鍵等標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸，使用尺寸圓整方法［3］進(jìn)行圓整；對于無運(yùn)動(dòng)的不重要的零部件如支撐架的尺寸，同樣進(jìn)行相應(yīng)圓整。依據(jù)上述尺寸，選擇合適的繪圖比例和布局，繪制設(shè)備的三視圖。所繪制的設(shè)備三視圖要能反映設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能。再對照設(shè)備，完善圖形。

2.2 模型建立

Cult3D 是一款設(shè)計(jì)交互式運(yùn)動(dòng)仿真的軟件，自身不具備建模功能，因此需要選擇專業(yè)的CAD 軟件建模。目前有多種用于建模的CAD 軟件，如Creo、UG、SolidWorks等。Creo 作為Pro/E 的升級版本，具有更加強(qiáng)大的造型和裝配功能，可以大大提高工作人員的設(shè)計(jì)效率。文中選用較新的Creo2.0 版本。由于虛擬設(shè)備中的零部件比較多，且各個(gè)零部件在運(yùn)動(dòng)上存在著一定的主從關(guān)系，為便于后面交互程序的開發(fā)，因此采用層次結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行建模。將建立的模型采用自上而下的裝配方式進(jìn)行裝配，構(gòu)建完整的擠出機(jī)模型，如圖2 所示。

圖2 單螺桿擠出機(jī)

為了檢測零件裝配時(shí)定位是否準(zhǔn)確，通過Creo 的碰撞檢測功能進(jìn)行裝配靜態(tài)干涉檢測和運(yùn)動(dòng)仿真檢測。裝配靜態(tài)檢測方法：單擊“分析”命令，選擇菜單中“模型分析”選項(xiàng)，然后選擇全局干涉命令，定義設(shè)置為默認(rèn)，進(jìn)行分析檢測。運(yùn)動(dòng)仿真檢測方法是將靜態(tài)模型調(diào)整成動(dòng)態(tài)模型，然后設(shè)置模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，創(chuàng)建快照以此分析模型。檢測完成后，將擠出機(jī)裝配模型以*.wrl 格式導(dǎo)出。

在輸出模型前，檢查格式轉(zhuǎn)化時(shí)軟件默認(rèn)單位是否統(tǒng)一。在Creo 中建模時(shí)，將安裝目錄里config.pro 中的默認(rèn)長度單位設(shè)置為毫米；VRML 的單位是虛擬單位，不需設(shè)置；3ds Max 的默認(rèn)單位是英寸，在系統(tǒng)單位設(shè)置中將1 個(gè)單位等價(jià)于1 m，在顯示單位比例下選擇“公制”，單位是毫米。完成以上設(shè)置后，可以避免模型格式轉(zhuǎn)化時(shí)不是整數(shù)的情況出現(xiàn)，為后期的模型裝配和設(shè)計(jì)交互程序提供很大的方便。

2.3 模型優(yōu)化

模型轉(zhuǎn)化格式時(shí)，由于軟件間的兼容性因素，VRML文件存在大量冗余代碼，需對模型進(jìn)行“瘦身”。優(yōu)化方法包括：刪除冗余信息，如Creo 的名稱和版本、觀察角度等信息；使用DEF/USE 語句，減少重復(fù)代碼的編寫，該語句的使用次數(shù)越多，對應(yīng)文件體積越小；使用內(nèi)聯(lián)（inline）節(jié)點(diǎn)，將場景中的不同VRML 文件連接起來；將VRML文件已壓縮的形式進(jìn)行保存，在不影響場景效果的前提下可以大大減小文件的體積。

2.4 模型仿真度提高

3ds Max 中具有豐富的材質(zhì)和強(qiáng)大的貼圖功能，使得虛擬場景更加逼真。在3ds Max 中導(dǎo)入擠出機(jī)模型，模型的零部件都是以三角面片的形式顯示的，并不是一個(gè)整體，甚至有的出現(xiàn)缺面和殘面。首先補(bǔ)齊和修復(fù)零部件的面片，利用“組”命令，將同一零部件的面片合成組。將相應(yīng)的零部件添加材質(zhì)和貼圖，然后進(jìn)行烘焙處理；在場景中添加燈光和攝像機(jī)，可以從不同角度觀察設(shè)備；調(diào)整零部件的旋轉(zhuǎn)軸，如用于聯(lián)接齒輪和軸的鍵，便于后面的交互式動(dòng)畫制作。最后將模型利用“塌陷”進(jìn)行處理，可以很大程度上減小文件，以*.C3D 格式導(dǎo)出。

3 交互設(shè)計(jì)

虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的交互設(shè)計(jì)［4］著重從用戶的角度出發(fā)，在設(shè)計(jì)中突出用戶和平臺(tái)之間如何實(shí)現(xiàn)交互的，注重用戶的體驗(yàn)。利用交互設(shè)計(jì)，用戶方便借助平臺(tái)從不同的角度觀察、體驗(yàn)產(chǎn)品的多種特性，更好地全面了解產(chǎn)品。因此，對于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，交互設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。在擠出機(jī)擠塑成型的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中采用服務(wù)器/瀏覽器（B/S）兩層模式，服務(wù)器端存放由Cult3D 設(shè)計(jì)的交互運(yùn)動(dòng)仿真，客戶端下載并安裝相應(yīng)插件，用戶使用鼠標(biāo)、鍵盤和相關(guān)控件在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)漫游、交互操作虛擬對象和工作原理演示等。

Cult3D 是一款由Cycore 公司開發(fā)的完全拖放式軟件，非常簡單實(shí)用。該軟件應(yīng)用內(nèi)部和外部產(chǎn)生的事件，引發(fā)相應(yīng)的動(dòng)作和材質(zhì)的變化，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬場景的交互。用戶應(yīng)用軟件中的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模型的動(dòng)作；使用粒子系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)某種特殊的效果。確認(rèn)完成交互式設(shè)計(jì)程序后，發(fā)布Internet文件，輸出.co 類型的網(wǎng)絡(luò)文件。

3.1 初級交互

Cult3D 基本的交互性功能［5］可以通過軟件自身的事件和行為來實(shí)現(xiàn)。在此設(shè)計(jì)中包括三部分，如圖3 所示。第一部分是設(shè)置背景和觀察角度，是指事件、設(shè)置背景和攝像機(jī)的聯(lián)接。第二部分是對象的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，主要是事件、旋轉(zhuǎn)和模型整體的簡單交互，便于用戶開始對模型進(jìn)行整體了解。第三部分是輔助功能，如操作提示、背景音樂等，指導(dǎo)用戶在輕松的氛圍下快速熟悉虛擬平臺(tái)的操作。

圖3 Cult3D 中初級交互

3.2 高級交互

對于一個(gè)交互式的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)來說，包含的交互功能越多，預(yù)設(shè)的基本行為就越復(fù)雜，從而事件、行為和對象構(gòu)成非常復(fù)雜的網(wǎng)狀關(guān)系。在此虛擬平臺(tái)中，主要通過鼠標(biāo)和鍵盤實(shí)現(xiàn)交互功能，程序的主要部分如圖4 所示。高級交互功能如按下鍵盤的空格鍵，設(shè)備開始工作，用戶可以非常清楚地看到相應(yīng)模型的運(yùn)動(dòng)與物料的位置和狀態(tài)變化。

圖4 Cult3D 中高級交互

3.3 應(yīng)用Java 擴(kuò)展交互

Cult3D 的內(nèi)核是基于Java 開發(fā)的，因此可以借助Java 語言編程，擴(kuò)展軟件的交互功能。為使用戶更加清楚地了解物料的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)變化情況，將機(jī)殼和螺筒的材質(zhì)設(shè)置為透明。使用Eclipse 編寫材質(zhì)透明程序并編譯，生成.class 文件。在Cult3D 中添加.class 文件，并與螺筒和機(jī)殼連接，如圖5 所示。

圖5 Java 擴(kuò)展交互

4 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

Cult3D 公司專門開發(fā)了Cult3D for Dreamweaver［6］插件，Cult3D 中設(shè)計(jì)的交互式場景在Dreamweaver 中以activeX 控件的形式來顯示，它的屬性設(shè)置如圖6 所示。在Dreamweaver 軟件中加載以輸出的.co 文件，開啟抗鋸齒命令A(yù)ntialising 來提高畫面顯示質(zhì)量，將模型的3D 部分與設(shè)備的介紹信息很好地融合到一起。最后將設(shè)計(jì)好的網(wǎng)頁鏈接到擠出機(jī)擠塑成型的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中去。

圖6 Cult3D 對象的屬性設(shè)置

5 結(jié) 語

通過對擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，應(yīng)用VRML、3ds Max 和Cult3D 等軟件開發(fā)了擠出機(jī)擠塑成型的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，該平臺(tái)具備良好的漫游和交互功能。用戶使用此平臺(tái)，可以不受時(shí)間和空間的約束，全方位多角度地觀察虛擬對象，實(shí)現(xiàn)很好的人機(jī)交互。該平臺(tái)的不足之處有尚未考慮擠出機(jī)擠塑成型的加熱、保溫和冷卻等外部因素，僅是理想狀態(tài)下的研究，在今后的研究中會(huì)對平臺(tái)做進(jìn)一步的完善。

［1］ 朱復(fù)華.擠出理論及應(yīng)用［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001：2-6.

［2］ 高印寒，馬增治，李春光，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2003（2）：104-106.

［3］ 楊德宇.機(jī)械零件現(xiàn)場測繪方法［J］.貴州化工，2010（6）：44-46，53.

［4］ 牛敏，陳錦昌.Cult3D 在機(jī)電產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)中的研究［J］.工程圖學(xué)報(bào)，2010（4）：194-199.

［5］ 陳振虹.Cult3D 產(chǎn)品三維演示時(shí)尚創(chuàng)作百例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：217-220.

［6］ 楊雪，王榮芝，李爽.Cult3D 技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)中的應(yīng)用研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007（1）：83-86.