長安大學 汽車學院 西安 710064

1 研究背景

虛擬現(xiàn)實由多種傳感設備一起作用,以計算機與電子技術為基礎,在模擬真實虛擬環(huán)境中,依據(jù)用戶自身的感觸,使用戶參與其中,在虛擬環(huán)境中進行操作,為用戶提供各種直觀的感觸。

虛擬現(xiàn)實是一個綜合系統(tǒng)技術群[1],很早就被提出,但被重視及發(fā)展較晚。隨著制造業(yè)生產(chǎn)加工技術的不斷發(fā)展,生產(chǎn)加工水平不斷提高,虛擬現(xiàn)實技術在制造業(yè)中的應用變得越來越重要[2]。

虛擬制造技術已成為我國致力研究的重點領域之一,并且在學術、軟件支持及應用等方面取得了明顯的效果。虛擬現(xiàn)實技術的結構如圖1所示。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術結構

變速器是汽車的重要組成部分之一,有手動與自動兩種形式,其模型如圖2所示。為了使學習者加深了解,筆者構建了四擋變速器虛擬裝配平臺,以達到簡化教學內(nèi)容、過程和方便教學的目的[3]。利用虛擬裝配平臺演示變速器的工況,可以生動形象地展示變速器的構造和原理。

圖2 變速器模型

在傳統(tǒng)教學過程中,一般都采用實物模型。實物模型大多攜帶不便,數(shù)量少,種類不齊全,成本高,且不便于學生課后學習[4]。構建虛擬裝配平臺,能夠幫助學生獨立學習、自主選擇并合理安排課程的學習順序,使學生具有自主學習性,為學生提供自主學習導航。通過虛擬裝配平臺,學生能夠主動熟悉變速器課程內(nèi)容[5]。

2 可擴展三維語言介紹

在實際生產(chǎn)過程中,零件的裝配非常重要,并可能會出現(xiàn)由于零件設計或加工尺寸誤差而導致零件無法裝配的情況。虛擬裝配可以解決這一問題,能夠將裝配過程通過虛擬現(xiàn)實技術進行展示,使設計人員及時發(fā)現(xiàn)裝配中的問題,避免實際裝配過程中可能出現(xiàn)的碰撞等情況。

目前,可擴展三維(X3D)語言在很多領域都有應用,如網(wǎng)頁和共享數(shù)據(jù)庫中的多媒體演示、娛樂及教育等[6]。X3D語言的語法主要由語法定義、語法結構和文件結構三部分組成。語法定義指通過編寫程序來對各種節(jié)點進行定義,進而可以在界面中繪制出三維形狀及裝配過程。語法結構類似C語言中的語句結構,包括順序結構、循環(huán)結構等。文件結構指編程格式。

通過掌握X3D語言的語法結構,理解X3D語言的語法定義,基于編程風格、技巧,實現(xiàn)對物體造型或運動的模擬[7-10]。

3 虛擬裝配平臺構建

在進行虛擬裝配之前,先將所有由CATIA軟件制作的模型轉換為.wrl格式,再用Bscontact瀏覽器打開,以便后續(xù)設計裝配程序。在設計虛擬裝配程序前,創(chuàng)建一個文本框,將其改為.X3D格式,再用記事本打開,進行程序編寫。

下面以虛擬裝配平臺設計中的一段代碼為例進行詳細說明。

"file:///www.web3d.org/TaskGroups/x3d/translation/x3d-3.1.dtd">

此段為程序的開頭。

此句為背景顏色設計,“1,1,1”代表紅、藍、綠顏色的比例。

Inline url表示插入一個文件,文件為xiangti.wrl。Transform DEF表示為插入的目標定義一個名稱。rotation表示將該目標旋轉,“1 0 0 0”中“1 0 0”對應x軸、y軸、z軸,“0”為弧度制旋轉角度。Scale表示縮放比例,“3 3 3”對應x軸、y軸、z軸放大3倍。translation表示目標在坐標系中的位置。

此段表示套筒從右端裝配到軸上的過程,如圖3所示。TimeSensor DEF表示將一個時間感應器的名稱設置為time1。cycleInterval表示將總時間設為80 s。loop為循環(huán)標志,true表示一直循環(huán),false表示只循環(huán)一圈或不循環(huán)。PositionInterpolator用于定義運動時間及相對應的運動軌跡。key定義每一個運動過程的時間節(jié)點,與keyVaule中的位置相對應。keyVaule中,每組三個數(shù)字分別對應著key中時間節(jié)點零件運動的坐標,以顯示零件在每個時間節(jié)點的運動位置。運動對象具有相同的運動特征時,可以設置相同的PositonInterpolator,插補key。如果所有屬性全部相同,那么可以調(diào)用同一零件。一個零件可被調(diào)用多次,并且可被定義在同一個時間分組中。例如對一組螺栓設定相同的key,即相同的時間節(jié)點,再設置不同的時間位置,可以使這些螺栓在同一時間段內(nèi)在不同的位置運動。

圖3 套筒裝配過程

根據(jù)以上程序框架設計其它零部件的裝配程序,通過Bscontact瀏覽器打開,即可看到四擋變速箱的最終裝配過程,如圖4所示。

圖4 四擋變速器最終裝配過程

4 交互界面設計

為方便進行演示操作,筆者采用Auto Play Media Studio進行交互界面設計。Auto Play Media Studio是一款制作窗口界面的軟件,具有定制功能,簡單,方便,易于操作。

交互界面的基本框架為先設置介紹頁面,然后設置總體布局頁面,將整個四擋變速箱分為一軸、二軸、中間軸、箱體、倒擋軸、其它及總裝配七個部分,如圖5～圖8所示。

圖5 介紹頁面

圖6 總體布局頁面

圖7 二軸零件庫

圖8 二軸裝配過程

5 結束語

筆者基于X3D語言構建了四擋變速器虛擬裝配平臺。通過虛擬現(xiàn)實技術構建虛擬裝配平臺,是對傳統(tǒng)教學方式的改變,所創(chuàng)建的三維立體模型不僅避免傳統(tǒng)二維圖像單調(diào)、抽象的缺點,而且有利于學生自主學習,提高對機械設計的興趣,同時為對變速器裝配過程進行運動分析提供幫助。