柴油機運動機件虛擬模型庫的開發

李 雪，顧 明，趙 尚，陳 鋒

(鎮江船艇學院工程系，江蘇鎮江 212003)

船艇柴油機實裝維修訓練存在以下弊端:一是船用柴油機價格昂貴，不可能投入大量的實裝用于訓練，無法滿足眾多參訓學員的需求。二是實裝訓練耗材量大，訓練成本高。虛擬維修訓練的對象是虛擬三維模型，可以克服上述缺點，是進行柴油機維修訓練的主要趨勢［1］。本文以柴油機運動機件為研究對象，對三維虛擬模型的建模方法和關鍵技術進行研究。

1 三維模型創建

1.1 零件尺寸測繪

實驗室實習用柴油機各零件沒有零件圖，需要在畫模型前測量零件的結構尺寸。零件尺寸包括長、寬、高3個方向，按尺寸的類別分為定形尺寸、定位尺寸和總體尺寸。非標準件(如曲軸、連桿、飛輪等)主要結構長、寬、高3個方向的定形尺寸、定位尺寸測量要完整，不能遺漏。零件的倒角尺寸可以查閱有關國家標準，不直接測量。標準件(如螺栓、螺母)尺寸的確定，需測量決定螺紋牙形狀的參數(螺距、螺紋大徑等)及螺栓長度，其他各部分尺寸查閱有關國家標準確定。有些尺寸可以根據柴油機的主要性能參數表來確定，如曲柄銷和主軸徑之間曲臂的長度為發動機活塞行程的1/2。

1.2 繪制零件三維模型

在AutoCAD中，繪制各零件的實體三維模型時，首先，根據零件的結構特點，構思零件的截面形狀。然后，畫出截面圖形，并將各段線合并成一個封閉的多段線(命令為Pedit)。接著，將其轉化成面域(region)。最后，用旋轉、拉伸、掃掠等方法創建出零件的三維實體模型。

2 虛擬模型的創建

2.1 基本原理

采用CAD軟件繪制的柴油機運動機件的三維模型必須在該軟件環境才能展示，虛擬仿真模型可以脫離軟件環境實現三維模型的交互演示。VRML是虛擬現實建模語言(Virtual reality modeling language)的簡稱，作為一種描述虛擬環境中場景的標準，利用它可以在Internet建立交互式的三維多媒體的境界［2］。VRML是一種建模腳本語言，利用VRML本身的造型功能建立復雜的三維模型就顯得力不從心了?？紤]柴油機運動總成各組成零件結構較為復雜，采用AutoCAD強大的三維造型功能來實現。AutoCAD生成的文件格式為dwg，它不能直接轉換為VRML文件，必須借助第三方軟件如3ds max 才能實現［3］。

2.2 格式轉化

柴油機三維模型采用AutoCAD 2007來創建。由于3ds max無法導入用高版本AutoCAD建立的模型文件，需要將在AutoCAD 2007中創建的三維模型保存為 R14格式，以連桿體為例，如圖1所示［4］。啟動3ds max軟件，在“文件”菜單中應用“import命令”，將AutoCAD生成的三維模型(dwg格式)導入到3ds max中，添加材質、燈光等，使其更具有真實感［5］，如圖2 所示。將模型的坐標移到(0，0，0)上，并定義模型的名字。最后，選擇“文件”菜單中“輸出”項，保存成VRML文件。

圖1 AutoCAD中創建活塞模型

圖2 3ds max導入AutoCAD模型

2.3 模型優化

由于零件結構較復雜，在建模過程中普遍用到拉伸、旋轉、交集和并集等命令來實現。雖然模型的細節表現得比較好，但與之相對應的文件體積較大。建模所采用的是普通的PC機，CPU和內存資源有限，將全部模型零件導入場景時，會導致系統資源嚴重不足甚至崩潰。建模過程中，要在不影響模型細節表達的基礎上，充分減小模型的大小，減輕系統的負擔。主要從2個方面來實現。

1)在利用3ds max轉化格式時，選中模型，打開“修改”面板，找到“優化”選項，修改面閾值到合適大小。面閾值越大，組成模型的片面數越少，模型所占存貯空間就越小。修改過程如圖3所示。通過比較可知，當面閾值選擇15.0時，導出的VRML模型所占空間大小約是當面閾值選擇默認值4.0時的1/2。

圖3 修改面閾值

2)對wrl格式文件進行壓縮，方法有2種。一種是采用專門的壓縮軟件，如Internet Model Optimizer，但是這個軟件在網絡上很難找到破解版。因此，在這里筆者選用第二種方法，即直接利用虛擬現實軟件VRMLPad自帶的壓縮功能來達到所需的效果［6］。在“File”菜單中點擊“Save As命令”行，在彈出如圖4所示的對話框中選中“Save compressed”單選框，再單擊“保存”即可。

圖4 VrmlPad中對模型進行修改

經測試證明，壓縮后的文件體積比原文件縮小了80%左右，而它的細節層次幾乎不受任何影響，運行速度基本令人滿意。

2.4 交互模型的建立

2.4.1 視點和背景

經過以上建模，模型位置可能不在瀏覽器的正中間，而且瀏覽器的顏色默認為黑色。為了模擬真實的視覺效果，需要利用VrmlPad軟件定義視點(Viewpoint)語句和背景(Background)語句。視點語句主要確定在虛擬環境下人眼看虛擬實體的相對位置、方向和視覺范圍。背景語句主要定義窗口背景顏色，開發者可以根據自己的喜好和視覺效果設定［7］。

2.4.2 觀察及交互功能

現在，觀察者與模型還不能靈活交互，不便于觀察。需要用VrmlPad軟件定義傳感器實現交互功能。定義球面傳感器的語句為:

DEF ss Sphere Sensor{}

ROUTE ss.rotation_changed TO huosai.set_rotation;(huosai為模型名)

3 柴油機機構運動仿真原理

VRML的動畫效果實質上是依靠1個給定的時間傳感器(Time Sensor)、一系列插補器節點(如Orientation Interpolator，Position Interpolator等)和路由(ROUTE)語句來實現的關鍵幀動畫［7］。如圖5，圖6所示，其基本原理是，時間傳感器給出一個控制動畫效果的時鐘，通過這個時鐘的fraction_changed在虛擬場景中驅動各種插補器節點。插補器節點中定義了n個關鍵點(key)和n個關鍵值(keyvalue)。VRML瀏覽器根據插補器節點的設置，通過線性插值的方法完成整個動畫過程。ROUTE語句在這些節點間傳遞信息。

除了插補器節點外，VRML還提供了用于更復雜動畫的接口，即腳本節點(Script)。腳本節點實際上是VRML與外部編程語言的接口，一些需要在虛擬場景中實現的復雜行為可以通過該節點使用Java或JavaScript編程實現。

圖5 VRML事件傳遞過程

圖6 虛擬現實柴油機機構運動仿真

4 模型網絡功能實現

利用Dreamweaver網頁制作軟件創建以網頁形式顯示的柴油機運動機件虛擬模型庫。主頁如圖7所示。章節目錄主要包括運動組件和組件裝配2部分。點擊“鏈接”(如活塞組)進入下一級界面，如圖8所示。

圖7 主頁面

圖8 模型頁面

該頁面采用框架結構，將虛擬模型嵌入網頁。點擊左側的“鏈接”(如活塞)，則在右側的框架里出現活塞的虛擬模型，利用鼠標點擊，可以從任何角度觀察模型。

5 結論

采用CAD繪制柴油機運動機件三維模型，利用3ds max軟件對文件進行格式轉換，利用VRML語言對虛擬模型環境及交互性進行編輯。將虛擬模型以網頁形式展示，模型顯示的視覺效果可以和真實模型相媲美。虛擬模型可以單機運行，亦可以在校園局域網發布。該虛擬模型的建立即可以為課堂教學提供虛擬模型，也可以為后續柴油機虛擬維修訓練系統的開發打下堅實的基礎。

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［5］漢龍.3ds max6三維與動畫設計實例導航［M］.上海:上?？茖W普及出版社，2004:117－154.

［6］晏洪濤.基于VRML與 Java的柴油機虛擬裝配仿真［D］.武漢:武漢理工大學能源與動力工程學院，2005:31－32.

［7］吳小華.VRML從入門到精通［M］.北京:國防工業出版社，2002:34－49.