基于Virtools的虛擬測繪系統的設計

王盼盼，張 宏

（太原理工大學機械工程學院，山西太原 030024）

基于Virtools的虛擬測繪系統的設計

王盼盼，張 宏

（太原理工大學機械工程學院，山西太原 030024）

針對傳統機械制圖測繪教學方法中存在的教學資源短缺問題，基于Virtools虛擬現實技術，利用SolidWorks實現三維機械產品的建模與裝配，將三維實體圖導入3ds MAX中進行渲染，并結合Virtools軟件設計了以齒輪油泵為例的虛擬測繪演示系統。該系統操作簡便、交互性強，學生通過該系統可以掌握測繪的方法、步驟，其良好的開放性，可供開發應用到其他教學實踐項目中。

虛擬測繪；虛擬裝配；工程圖學；SolidWorks；Virtools

機械零部件測繪是工程圖學教學中的重要內容，它是通過對機械零部件實物的測量、繪制出圖樣的過程，是一個認識實物和再現實物的過程。測繪教學需要大量的模型，但在教學資源短缺的情況下很難滿足需要［1］。

隨著計算機和網絡技術的發展，虛擬現實技術越來越多地用于教育教學中。利用虛擬現實建模語言，結合JavaScript編寫腳本程序，可以構建機械零部件虛擬測繪系統，實現基于網絡的機械零件虛擬測繪［1］；基于虛擬現實建模語言的工程圖學虛擬實驗室，可以將虛擬模型和其工程圖樣緊密結合，實現虛擬實驗的多媒體教學系統［2］。虛擬現實技術還可以輔助高校的科研工作，在實驗教學方面也具有利用率高、易維護等優點［3－6］。

筆者在分析機械制圖測繪課程特點的基礎上，利用SolidWorks、3ds MAX在機械建模與渲染方面的優點和虛擬現實軟件Virtools，設計了齒輪油泵虛擬測繪系統的體系結構。通過該系統，學生可以模擬現實中的測繪，掌握測繪所必備的技能，為培養學生的空間想象能力和自主學習能力提供了極大的便利，達到了降低教學成本，提高教學質量的目的。

1 虛擬測繪系統的總體設計

齒輪油泵虛擬測繪系統包含工程制圖測繪教學的主要內容，共分為6部分（見圖1）。

（1）軟件使用操作說明。主要介紹系統的使用方法以及測繪目的。

（2）測繪工具使用說明。介紹測繪工具的相關知識。

（3）拆卸演示。模擬機械部件的拆卸，通過拆卸可以看清楚每個零件的構造、與其他零件的相互關系以及連接方式等。

（4）虛擬裝配。讓學生模擬實際中的裝配過程。

（5）虛擬測量。可以調入一個零件，然后用相應的測量工具進行測量。

（6）工程圖。展示測繪零部件示意圖、裝配圖和零件圖，精確表示出零件的結構、形狀、尺寸、工作原理和技術要求，可以讓學生進行測繪結果的校對和學習，加深對機械制圖的認識。

圖1 系統開發流程及結構設計

2 開發工具

3ds MAX對于工業機械類建模不夠精確，且裝配管理效率低［7］，但SolidWorks是專業的三維機械設計軟件，同時能從三維模型中自動產生工程圖且工程圖是全相關的。SolidWorks雖自帶渲染插件，但效果卻不如3ds MAX好。所以采用SolidWorks對機械部件進行建模和裝配，用3ds MAX進行場景的建模，并對機械部件和場景進行渲染。

Virtools［8］是一套虛擬現實整合軟件，可以將常用的檔案格式整合在一起，如3D模型、2D圖形或音效等，是一款有豐富互動行為模塊（building blocks）的實時3D環境編輯軟件。Virtools 5．0版本已經有大約500個行為模塊，只需在腳本流程圖的圖形界面中對各種行為模塊進行拖拽連接就可以了，大大縮短了產品的開發周期，降低了開發難度。

3 虛擬場景的建立

（1）將SolidWorks導入3ds MAX。機械零部件都是通過SolidWorks建模，但是SolidWorks與3ds MAX之間無法直接轉換。可以將SolidWorks中的裝配體另存為．stl文件［9］再導入3ds MAX。3ds MAX會自動保存原來裝配體各個零件的裝配位置，不需要重新進行裝配。

（2）3ds MAX場景、模型導入Virtools。為了產生更加真實的效果，在3ds MAX中賦予了模型基本的材質屬性與貼圖。例如泵體均采用金屬貼圖，材質選用標準材質，否則無法導入Virtools；3ds MAX文件導入Virtools時［10］，需要勾選Materials／Textures選項，否則在3ds MAX中的材質、貼圖也無法導入Virtools中。Virtools中齒輪油泵模型如圖2所示．

圖2 Virtools中齒輪油泵模型

4 虛擬場景與操作演示

4．1 虛擬場景的實現

在Resources（資源）選單中，選擇Create New Data Resource命令，創建一個數據資源庫，命名為“Pump”，將3ds MAX導出的文件放到3DEntity文件夾下，將在3ds MAX中建立的場景、泵體拖到三維編輯區。導入之后，可能由于單位設置的原因，在Virtools中無法看到物體。這時可以添加一個攝像機，增大攝像機的Far Clip（遠裁切點），就可看到物體。然后增加燈光，調節燈光的位置和照明范圍等［11］。

一般來說，Virtools中的圖像是以位圖存儲的［12］。為了不影響交互設計的流暢運行，減少電腦內存的占用，便于作品的發布和瀏覽，在作品設計之前就要對貼圖進行設置。在General Preferences中，將Use specific format（特定文件格式）中貼圖的模式改為JPEG，這樣可以統一壓縮圖片，提高效率（見圖3）。也可以在Texture的設置面板中分別修改每張貼圖的模式。整理優化后的場景如圖4所示。

圖3 Virtools中貼圖壓縮設置

圖4 虛擬測繪系統場景圖

4．2 虛擬測繪系統的操作實現與發布

（1）通過加載界面及交互選單，可以很好地體現系統的交互功能。鼠標點擊按鈕，就可進入相應的模塊界面。比如點擊操作說明按鈕，就可以進入操作說明模塊，其主要介紹齒輪泵的工作原理、零件組成，可以幫助學生對齒輪泵有個初步的了解。

（2）測繪工具分為拆卸工具和測量工具。拆卸工具有扳手、錘子、銅棒、木棒等，測量工具應根據欲測零件的尺寸精度要求選用。此模塊主要通過文字及視頻介紹常用工具的使用方法和注意事項，實現方法如圖5所示。單擊“測繪工具”按鍵，通過2DPicking選中物體，通過Test進行判斷所選中物體是否與指定的對象相符，如果相符，就通過Video Player加載相應的視頻進行測繪工具的演示。

（3）拆卸模塊主要是將泵體進行分解。泵體零件按照順序進行分解，然后放在設定的位置，虛擬裝配模塊與拆卸模塊的過程相反，界面如圖6所示。泵體是不能被選取的，它相當于裝配的參照物，按照零件序號從大到小進行裝配。學生可以用鼠標選取拖動零件到泵體附近，只有零件的裝配順序正確且符合實際，才能夠裝配上，否則零件是不能被安裝到泵體上的。此外，對零件裝配進行了編號從大到小分組，比如第一組38（右軸承）、37（主動軸）、36（鍵）、35（主動輪）等4個零件是可以被鼠標選取并移動的，其他零件則不能被選取，只有按順序裝配好這4個零件，才可以繼續裝配下一組。這樣的設計，使學生既可以自主裝配，又提供了裝配的大致順序，教學效果較好。分組裝配腳本如圖7所示。

圖5 視頻演示模塊腳本

圖6 裝配界面

（4）虛擬測量模塊可以根據所測零件選擇相應的測量工具，以測量從動軸（編號33）的長度為例，首先為游標尺卡座添加Fixed Obstacle屬性，為從動軸和卡尺添加Moving Obstacle屬性，再添加腳本如圖8所示，這樣測量時從動軸和卡標不會相互穿越，碰撞后就自動停止運動，就可以在游標卡尺上讀取數據（見圖9）。

（5）發布。虛擬測繪系統完成后，可以通過File－Create Web Page將作品以網頁形式發布。需要生成．vmo和．html 2個格式的文件，客戶端只需安裝Virtools Web Player程序文件就可以通過IE瀏覽器播放制作好的測繪演示了。也可以生成．exe文件，用可執行播放的方式發布，但需要外掛Virtools Make－Exe．exe和CustomPlayer．exe文件來實現。

圖7 分組裝配腳本

圖8 測量腳本

圖9 讀取數據

5 結束語

利用SolidWorks、3ds MAX并結合虛擬現實技術，開發設計了虛擬測繪教學系統。該系統擺脫了傳統實驗教學在空間、時間等方面的限制，使學生能夠直觀、多角度地觀看齒輪泵的裝配過程，并了解測繪裝配情況和相關知識，激發學生的學習興趣，培養學生的實踐能力。在本系統的基礎上，可以再增加機械制圖投影、相貫線內容，引進力反饋器，使學生有更全面、真實的虛擬測繪體驗。

（References）

［1］何培英．機械零部件虛擬測繪系統開發［J］．工程圖學學報，2007（6）：161－165．

［2］李春波，胡青泥．基于VRML的工程圖學虛擬實驗室［J］．東華大學學報：自然科學版，2008，34（3）：347－350．

［3］李云峰，陳際達．虛擬現實、多媒體與系統仿真［J］．中南工業大學學報，2002，33（2）：205－208．

［4］魏安順，周印，謝叻．虛擬現實技術及其在制造業的應用［J］．模具技術，2004（5）：54－58．

［5］單美賢．虛擬實驗室的發展方向［J］．開放教育研究，2002（2）：44－46．

［6］方利偉．基于Virtools的三維虛擬實驗室研究與實現［J］．實驗技術與管理，2010，27（5）：83－86．

［7］胡亮，王蘭美，宋宏鵬，等．SolidWorks、3DS Max結合Virtools實現虛擬現實應用研究［J］．山東理工大學學報：自然科學版，2010，24（3）：103－106．

［8］牛彥，張爍男．基于Virtools技術的產品虛擬交互式操作指導系統構建［J］．沈陽建筑大學學報：自然科學版，2012，28（3）：569－576．

［9］閻慶華，林大鈞．Solidworks結合AutoCAD與3DMAX實現機械產品設計［J］．工程圖學學報，2004（3）：150－154．

［10］王方，王崢．3ds Max模型及動畫輸出為Virtools格式的方法［J］．現代電影技術，2007（10）：49－54．

［11］劉明昆．三維游戲設計師寶典［M］．重慶：四川電子音像出版中心，2005：43－47．

［12］張洋，黃心淵．網上虛擬博物館中梅花的表現手法和技術實現［J］．計算機系統應用，2011，20（12）：148－153．

Design of virtual measuring system based on Virtools

Wang Panpan，Zhang Hong
（College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Traditional mechanical drawing teaching method has the problem of shortage of instructional resource．Based on the analysis of engineering drawing teaching and the characteristics of virtual reality，the virtual measuring system for oil pump is designed．Three－dimensional mechanical design software，3ds MAX and Virtools are applied in this system．SolidWorks is used to model and assemble．3ds MAX is used to render and make animation．This system is easy to operate and not subject to time and place，which can improve the initiative of students．This system has the character of friendly human－computer interaction and open platform and can be applied to other teaching practice．

virtual measuring；virtual assembly；engineering graphics；SolidWorks；Virtools

TP391

A

1002－4956（2015）3－0148－04

2014－07－05

山西省軟科學研究項目（2012041038－01）

王盼盼（1990—），女，河北衡水，碩士研究生，研究方向為虛擬現實技術

E－mail：chuwangfly＠163．com

張宏（1959—），女，山西長治，碩士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為工程圖形學及計算機圖形學、機械設計與制造．