基于虛擬現實技術的機械產品數據平臺在企業中的應用

摘?要：機械產品數據平臺在機械制造企業產品生命周期中發揮著越來越重要的作用，但傳統的產品模型的展示方式受到時間和空間上的種種限制，即使采用網站平臺由于二維圖片及裝配簡圖等展現模式，也無法將產品完整地展示出來。隨著虛擬現實技術的不斷發展，VRML技術為企業展示產品造型開辟了一條全新的道路，為機械企業產品從設計到銷售、售后各個產品生命周期環節提供了極大的便利，為企業創造更多的效益。

關鍵詞：數據庫；虛擬現實；三維建模；C#腳本程序

一個機械零件從設計、加工成型到入庫，再到產品發布、銷售與售后，幾乎每個環節都涉及對零件的特征進行展示。為此，在對零件進行設計、數據管理和產品發布的各個環節中，經常需要進行由三維模型到二維圖形，再從二維圖形回到三維模型的空間思維活動，由此讓企業員工和用戶了解產品的特征，這也是對機械零件信息進行數據管理和發布的重要之處。然而在實際進行機械零件數據庫的管理和產品發布過程中，企業只是把機械零件的數據信息放在數據庫中進行管理，對外發布新產品時，也只向客戶展示機械零件的二維平面圖片，這樣客戶只能片面地看到零件，需要自己去想象零件的特征。有的企業會把機械零件的實體展示給客戶，雖然這樣可以讓客戶更直觀地看到機械零件的特征，但是即便是一個簡單的減速器都有好幾十個零件，企業把每個零件加工出來作為展示，大大增加了企業的運營成本。

隨著計算機科技的不斷發展，產品的設計環節企業已普遍采用數字化模式，對已有的數字化三維模型進行存儲入數據庫，在虛擬現實平臺場景中調入并展示，便可解決機械在各個生命周期中的應用需求。因此，基于虛擬現實技術對機械零件的網絡數據平臺的開發與應用是解決機械產品生命周期中各個環節應用要求的最有效的途徑，本數據平臺采用先進的虛擬現實技術和網絡數據庫技術，可以使企業高效率、低成本地對機械零件的信息進行管理和展示，使用戶可以通過網頁直接瀏覽機械零件的三維模型，不受各種限制，簡易地實現對產品零件模型的交互操作，滿足企業員工和產品客戶的不同需求。

1?數據平臺開發方案的選擇

由于基于虛擬現實的數據平臺的開發具有一定的復雜性，可以采取原型法進行開發數據平臺，我們可以先實現展現最為典型的機械產品如二級圓柱齒輪減速器，生產減速器企業的機械三維模型如SolidWorks建模的產品三維文件，可以將建好的模型文件導出為VRML文件（wrl格式），在生成wrl格式文件時要考慮虛擬現實模型在導入場景后的位置、視角及尺寸大小便于用戶的觀察，再將VRML文件按照庫存管理要求修改；也可以根據需求直接保存成三維CAD軟件用來跨平臺交流的eDrawings文件（eprt格式）。如果數據平臺有更復雜、更逼真的虛擬現實交互要求，我們就要將機械產品的三維CAD文件通過3ds?Max軟件導出為FBX文件格式，便于在Unity平臺中利用C#腳本程序實現逼真的虛擬現實場景的創建。［1］

因而在本數據平臺的開發過程中，我們是按照實際需求同時完成幾種方案，并對各種實現方案進行比較，便于不同類型的企業選擇適合自己的方案，企業的機械產品生產類型越龐大，所需要的數據平臺方案復雜性越高，平臺數據管理的要求就越高，數據平臺開發原型就越復雜，投入的成本就越高。為了使用戶使用，我們選擇網頁作為機械產品虛擬現實的數據平臺的載體，最后通過網站調試與發布，企業用戶可以通過多種終端在網站上對機械零件進行管理，產品的客戶可以通過不同權限訪問網頁，通過虛擬現實瀏覽機械零件的三維模型，獲得更好的產品體驗，增加企業產品推廣的廣度與深度，提高企業產品在銷售與售后服務渠道的競爭力，更好地服務客戶，最大化地增加企業的經濟效益與社會效益。

2?數據平臺開發的技術探索

2.1?機械零件網絡數據庫中機器產品三維數據的來源

機械零件網絡數據平臺的機械產品模型可以直接使用產品設計階段的三維數據，但數據平臺對不同用戶具有不同開放度，如企業內部協同設計人員應通過網站的訪問權限獲得產品的準確數據，但如果作為營銷圖像或招標動畫，要考慮企業本身數據文件的安全性，平臺發布的產品3D數據，防止競爭對手測量產品的幾何圖形，我們可以利用例如SOLIDWORKS?Composer提供的扭曲幾何的工具，以防止產品數據被他人惡意測量剽竊。［2］當然在平臺上設置不同權限也是行之有效的手段，除此之外，用戶還可以為重要產品數據文件添加訪問密碼或失效日期，來進一步增加數據的安全性［3］。

2.2?平臺中基于虛擬現實的機械零件數據存儲的實現機制

在數據平臺中會涉及大量基于虛擬現實的產品零件三維數據，如何將這些數據保存入數據庫，并且在一般網頁和復雜的虛擬現實交互場景中方便地調用，是本平臺開發需要重點解決的問題，建立基于虛擬現實的三維產品數據庫可以采用將產品的虛擬現實三維數據信息完全存入數據庫中，這樣會導致機械產品的虛擬現實數據庫的數據量龐大，而且數據更新速度較慢；另一種有效的方式就是在數據庫中存放虛擬現實三維數據文件索引的形式，這種方式在將虛擬現實三維模型作為插件插入簡單網頁或在unity虛擬現實游戲開發引擎中利用C#腳本程序調用時會十分便利，因而我們可以考慮使用虛擬現實三維數據文件索引的形式作為本數據平臺虛擬現實數據庫實現的途徑。

3?基于虛擬現實的網頁平臺的搭建

3.1?軟件的選擇

網頁制作所需軟件我們可使用Dreamweaver軟件進行網頁的編輯，對于數據庫軟件的選擇，如果數據規模較小，我們可以使用Access數據庫軟件，如果數據規模較大可使用SQL?Server數據軟件。

3.2?網頁制作所需素材制備

在SolidWorks建模完成后，就可以直接把對應的圖另存為VRML格式，基于VRML（虛擬現實建模語言）的wrl格式文件在網頁中以插件形式打開，可以讓用戶以便捷的方式、直觀、交互地瀏覽機械產品零件，可以得到很好的用戶體驗。生成的VRML文件在網頁瀏覽器直接打開瀏覽的效果如圖1所示，用戶可以利用鍵盤、鼠標或手指交互得到觀察實物一樣的效果，對于大型笨重的零件就更為便利。

在對機械零件進行數據管理和發布時，機械零件的二維圖片也是不可或缺的，二維圖片可以作為用戶在網頁中的直觀區別各種零件的檢索信息，截圖的方法有很多，但是其過程都比較煩瑣，而且截下來的圖片質量不高，不能逼真地表達零件的外形。SolidWorks不僅提供了三維建模的平臺，還可以對建好的三維模型進行渲染，生成質量高、逼真的機械零件圖片，如圖2所示。

4?基于虛擬現實的ASP機械產品數據動態網頁簡介

我們為了保護數據的安全性、提高腳本代碼的重用度及數據的訪問效率，采用了ASP動態網頁開發技術，因為ASP動態網頁技術具有易于修改與測試、很好的腳本源代碼的保護性能，吸收了多種較為實用的技術，是一種發展較為成熟的網絡應用程序開發技術，其核心技術是對組件和對象技術的充分支持。通過使用ASP的組件和對象技術，用戶可以直接使用ActiveX控件，調用對象方法和屬性，可以使用服務器端ActiveX組件來實現多種任務，方便連接數據庫等一系列優點，使得開發中我們以簡單的方式實現強大的基于虛擬現實的網頁數據展示功能。

5?基于虛擬現實的機械產品數據平臺上的產品動畫與虛擬運動仿真

為了更好地體現機械產品的功能，在機械產品生命周期的每個階段，我們希望機械產品能夠與現實無差異，而且能夠比實物更便利地通過動畫與虛擬運動仿真展示其功能及實現細節。我們可以實現機械產品動畫與虛擬運動仿真的方式很多，可以根據企業的產品規模、技術能力等各方面因素選擇自己的解決方案。

我們可采用關鍵幀動畫與編寫腳本程序實現動畫的模式來進行機械產品的虛擬展示。相比而言，關鍵幀動畫更易實現，機械三維CAD軟件（如SolidWorks、UG等）均提供了較為強大的關鍵幀動畫實現功能，如圖3所示：

圖3?行星輪減速器運動算例中實現的關鍵幀動畫

在完成關鍵幀動畫后，我們可將其保存成eDrawings文件（eprt格式），在eDrawings中轉換為網頁文件或生成exe文件嵌入網頁文件中，可以輕松地實現動態產品數據的網絡平臺化。

如果企業機械產品規模較大，種類繁多，采用編寫腳本程序實現動畫的模式可以大大提高產品數據平臺動態交互部分開發的效率，我們可以采用unity?3D開發平臺，并將三維CAD的產品數據在3ds?Max中轉換為unity?3D開發平臺支持的FBX類型三維機械零件模型，可以將FBX三維機械零件模型直接加入unity項目中，也可以將文件鏈接保存到Access數據庫，在腳本程序中便可調用這些三維模型，通過C#腳本程序實現對機械零件的相關虛擬操作，采用這種模式的優點就可以提高代碼的重用度，不需要反復編寫功能相似的代碼，腳本代碼只需編寫一次便可多次使用，大大提高了基于虛擬現實的三維機械零件數據平臺的開發效率。當項目完成后，我們可以通過Build?settings選擇相應的形式對開發的內容進行打包發布，也可通過相應的功能插件實現更復雜的網頁平臺的嵌入。

6?產品數據平臺運行終端的擴展

基于虛擬現實的機械產品數據平臺是否具有良好的跨平臺性能是該應用是否為企業創造更多價值的關鍵，通過前面的開發與測試，我們不難發現該數據平臺在PC機平臺運行具有很高的穩定性，當然我們也可以選擇在手機的網絡瀏覽器上以電腦模式實現該數據平臺的運行，但由于手機、平板等設備的特性，該平臺不加以擴展就在手機、平板等設備上運行將無法帶來最佳的用戶體驗，我們可以通過擴展數據平臺的部分模塊的運行模式來解決這一問題，以達到降低企業平臺數據訪問成本，以達到提高數據的應用廣度與深度的目的，使該數據平臺能創造更好的企業經濟價值。

在基于虛擬現實的機械產品數據平臺中，我們要擴展部分內容的訪問終端運行模式，應該以數據的復雜性為依據采用不同的解決方案。如果是中小型機械企業，產品數據并不復雜，數據的交互性要求也不高，我們可以將產品數據轉換成STL格式或eDrawings文件類型的eprt格式，有很多成熟的網頁插件和手機APP程序或iOS程序能很好地支持這些數據文件類型的訪問與運行。

對于大型機械企業，產品數據復雜并且數據平臺運行性能要求較高，我們在開發產品數據平臺時，所創建的產品交互場景在最后發布設置Build?settings時可選擇相應的發布模式，如安卓手機能訪問的Android?Build模式或蘋果平臺的iOS?Build模式。

通過對該機械產品數據平臺運行終端的擴展，為企業能更便利地使用數據平臺創造了可能性。例如，產品倉庫管理人員與產品的銷售人員通過手機可便捷直觀地了解產品的細節，該平臺的運用將顯著地提高企業運行的專業化、規范化和高效化程度。

結語

通過實踐，基于虛擬現實技術的機械企業產品數據平臺能夠順利地搭建并運行，基于虛擬現實技術的機械企業產品在我們的機械企業中極少應用，即便在產品網絡銷售環節中大型電子商務網絡機械產品的展示還停留在較傳統的二維平面效果圖狀態，幾乎未達到虛擬現實展示機械產品的逼真度、交互性，遠遠不能滿足機械產品生命周期各階段的用戶需求。因而采用并積極推廣基于虛擬現實技術的機械企業產品數據平臺是企業提高產品效益、增強企業競爭力的有效途徑。［4］在這個基礎上，我們還應積極應用人工智能、大數據及物聯網等一系列新技術改良平臺，完善平臺，我們相信隨著基于虛擬現實技術的機械企業產品數據平臺的應用及不斷發展，企業一定會增加自己的核心競爭力，走上更廣闊的智能化發展道路。

參考文獻：

［1］張堯.Unity?2021從入門到實戰［M］.中國水利水電出版社，2022，6.

［2］陳超祥，胡其登.SOLIDWORKS?Composer使用指南?2018版［M］.機械工業出版社，2018，9.

［3］薛云娜.基于Composer的機械基礎虛擬實驗的研究［J］.機械設計，2022（39）.

［4］王亮.企業數字化轉型應用趨勢——集團級機械設備物聯網平臺項目建設［J］.營銷界，2020（25）.

作者簡介：劉秋平（1972—?），男，江蘇揚州人，東南大學工學碩士，揚州市職業大學副教授，高級程序員，研究方向：虛擬現實、計算機輔助設計、軟件工程。