基于3DS MAX和Virtools的胎帶機(jī)支承裝置虛擬仿真技術(shù)研究

韓林山，馬敬麗，鐘藝謀

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.中國水利水電第四工程局有限公司，甘肅臨夏731600)

胎帶機(jī)是一種可在各種條件下連續(xù)運(yùn)輸物料的設(shè)備，它適用范圍很廣，可以輸送各種級(jí)配的混凝土和各類顆粒性物料，應(yīng)用于水利水電工程、礦山、公路、橋梁、國防工程施工等多個(gè)領(lǐng)域，社會(huì)需求量大，市場前景廣闊［1］.胎帶機(jī)主要由布料機(jī)構(gòu)、上料機(jī)構(gòu)、支承裝置、電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，其中支承裝置包括底盤、回轉(zhuǎn)軸承、上車架、配重等.目前，該產(chǎn)品在國外應(yīng)用很廣，我國最早應(yīng)用于三峽工程的胎帶機(jī)就是引進(jìn)了美國 ROTEC［2－3］和德國Putmeister公司的產(chǎn)品，而在國內(nèi)只有水電八局常德機(jī)械廠生產(chǎn)和三一重工自主研發(fā)該類產(chǎn)品.對(duì)于胎帶機(jī)的研制，在工程應(yīng)用上不僅可以提高輸送效率，而且確保了工程質(zhì)量和進(jìn)度，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.針對(duì)胎帶機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的現(xiàn)狀，引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于3DS MAX和Virtools對(duì)胎帶機(jī)支承裝置進(jìn)行了研發(fā).

1 3DS MAX和Virtools簡介

1.13 DS MAX 簡介

3DS MAX建模功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性好，是世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫制作和渲染軟件.廣泛應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)、影視動(dòng)畫、視覺效果和設(shè)計(jì)行業(yè)等領(lǐng)域.3DS MAX通過自身以及插件，支持多種相關(guān)軟件不同類型文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出，渲染速度快，畫面質(zhì)量高［4］.它不僅綜合了價(jià)格低、使用簡易、功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性好及與其它相關(guān)軟件配合流暢等特點(diǎn)，而且工作效率、處理能力和可配置性能非常優(yōu)越.因此備受業(yè)界的青睞，得到了迅速的普及與推廣［5］.但3DS MAX對(duì)于工業(yè)機(jī)械類建模不夠精確，且在建模時(shí)是基于曲面建模，僅僅描述了模型的曲面信息而不包含體積、質(zhì)量等信息［6］.

1.2 Virtools簡介

目前，國內(nèi)外的現(xiàn)實(shí)虛擬軟件主要有 EON，VRP，Quest3D，Vega 和 Virtools等［4］.其中 Virtools支持3種建模軟件3DS MAX，MAYA和 LIGHTWAVE的導(dǎo)入.它以完全的可視化模式構(gòu)建互動(dòng)體驗(yàn)，內(nèi)置有預(yù)設(shè)的行為模塊，應(yīng)用方便快捷，功能強(qiáng)大，可為各種階層用戶提供多種開發(fā)方式.開發(fā)人員只需適當(dāng)?shù)亟M合及重復(fù)利用這些行為模塊就可以開發(fā)出復(fù)雜的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)難度，從而使其在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域中占有重要的地位，但是它本身沒有建模功能，只能通過借助其他建模軟件來建立所需的模型、場景和動(dòng)畫.

在Virtools中有2種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)三維世界編輯區(qū)中的模型控制:一種是直接調(diào)用行為模塊庫中的內(nèi)置BBs，另一種是采用VC++語言手工編寫B(tài)Bs代碼［6］.此外，還提供了VSL程序語言，它具有智能型關(guān)鍵詞顏色顯示系統(tǒng)、指令代碼的智能提示及加亮顯示函數(shù)自變量等功能，可開發(fā)出更多復(fù)雜功能的行為模塊，彌補(bǔ)內(nèi)置行為模塊的不足［4］.

2 總體設(shè)計(jì)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，對(duì)于模型的系統(tǒng)性、精確性、開發(fā)效率等方面也提出了更高的要求.采用該技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)具有真實(shí)性、交互性、沉浸性和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在胎帶機(jī)支承裝置未生產(chǎn)出來之前，可以給用戶一個(gè)很直觀和高度逼真的視覺體驗(yàn)，提高了用戶對(duì)該產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)度.此外，基于3DS MAX和Virtools技術(shù)開發(fā)的胎帶機(jī)支承裝置虛擬仿真可以使設(shè)計(jì)人員根據(jù)操作過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時(shí)地對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，同時(shí)為指導(dǎo)施工和科學(xué)技術(shù)研究提供先進(jìn)、快捷的手段，這就是本設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo).

利用Solidworks建立胎帶機(jī)的支承裝置模型，然后導(dǎo)入3DS MAX環(huán)境中，基于3DS MAX進(jìn)行該模型的渲染和動(dòng)畫制作，在3DS MAX搭建好虛擬世界后，將虛擬世界移植到虛擬交互平臺(tái)軟件Virtools中對(duì)場景進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并設(shè)置交互，實(shí)現(xiàn)胎帶機(jī)支承裝置的虛擬仿真.總體開發(fā)流程如圖1所示.

圖1 總體開發(fā)流程圖

3 程序?qū)崿F(xiàn)過程

3.1 建立模型

建立實(shí)體模型是形成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的前提，也是其最為關(guān)鍵的技術(shù)之一［7］.該設(shè)計(jì)以精確的二維CAD圖作為基礎(chǔ)，雖然3DS MAX建模功能強(qiáng)大，但是對(duì)于工業(yè)機(jī)械類建模不夠精確，裝配管理效率也很低，因此需要借助另一三維軟件Solidworks來進(jìn)行建模.Solidworks在進(jìn)行機(jī)械建模時(shí)，模型尺寸精確，裝配效率高，且具有動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和特征管理模式使其修改方便;在進(jìn)行建模時(shí)是基于實(shí)體建模而不是曲面建模;尤其是Solidworks具有豐富的軟件接口，可以支持將其中的模型導(dǎo)入到3DS MAX環(huán)境中.因此首先利用Solidworks建立和裝配胎帶機(jī)支承裝置模型.

3.2 將Solidworks模型導(dǎo)入3DS MAX

胎帶機(jī)支承裝置裝配體的模型在Solidworks軟件中完成后，需導(dǎo)入到3DS MAX環(huán)境中做進(jìn)一步的編輯和修改，以更好地滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求，為在Virtools環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ).

由于Solidworks和3DS MAX之間無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，需借助中間介質(zhì).在Solidworks導(dǎo)出格式中，可被3DS MAX 支持的有.stl，.igs和.wrl 3種格式.以第1種格式導(dǎo)入裝配體，每1零件都要逐一導(dǎo)入，會(huì)比較繁瑣;以第2種格式導(dǎo)入，會(huì)出現(xiàn)多面或少面現(xiàn)象，甚至個(gè)別面無法轉(zhuǎn)換等問題;以第3種格式導(dǎo)入時(shí)方便快捷，可以適用于很多軟件［6］.因此，采用.wrl文件完成 Solidworks模型到 3DS MAX軟件的導(dǎo)入.

另外，需要特別注意的是:在導(dǎo)入過程中不要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，否則會(huì)影響胎帶機(jī)支承裝置模型的裝配關(guān)系，此時(shí)可以執(zhí)行組－成組命令，然后對(duì)裝配體進(jìn)行整體的操作，如需對(duì)其中某一零部件操作，只需執(zhí)行組－解組或者組－打開命令即可.如需導(dǎo)入大型甚至成千上萬零件組裝的裝配體，且導(dǎo)入導(dǎo)出時(shí)間過長，可將其分幾次導(dǎo)入，然后執(zhí)行合并命令即可.

圖2為導(dǎo)入3DS MAX環(huán)境中的胎帶機(jī)支承裝置模型.圖中對(duì)該模型及其場景做了簡單的渲染，使其在攝影機(jī)視口中更形象、更貼近現(xiàn)實(shí);此外頂視圖、前視圖和左視圖分別以線框形式顯示(由于空間有限，這里沒顯示)，以不同角度反映了該胎帶機(jī)支撐裝置的外在結(jié)構(gòu)特征，而且導(dǎo)入后的模型為后續(xù)的虛擬仿真奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖2 3DS MAX環(huán)境中的胎帶機(jī)支承裝置模型

3.3 將3DS MAX中的模型導(dǎo)入Virtools

考慮到Virtools與3DS MAX之間的兼容性問題，在3DS MAX環(huán)境中制作的胎帶機(jī)支承裝置模型導(dǎo)入到Virtools中之前，需在3DS MAX中安裝MAX To Virtools輸出插件.該插件可將3DS MAX中創(chuàng)建的模型、貼圖、動(dòng)畫文件輸出成Virtools軟件所支持的場景文件.安裝好輸出插件后，執(zhí)行文件－導(dǎo)出命令，選擇保存類型為.nmo類型即可.

啟動(dòng)Virtools，將胎帶機(jī)支承裝置的場景文件導(dǎo)入到Virtools的三維世界編輯區(qū)內(nèi)進(jìn)行觀察、控制，此時(shí)編輯區(qū)中胎帶機(jī)支承裝置的材質(zhì)變黑，而且還有許多白色物體出現(xiàn).針對(duì)材質(zhì)變黑的情況，提出2種解決方案:①導(dǎo)入Virtools前在3DS MAX環(huán)境中適當(dāng)設(shè)置自發(fā)光的數(shù)值，不斷調(diào)整直至導(dǎo)入后變亮為止;②導(dǎo)入到Virtools后調(diào)整好燈光的位置.至于白色的物體.它是Virtools中的三維幀，屬于輔助物體，3DS MAX的組在導(dǎo)出時(shí)會(huì)被添加一個(gè)三維幀在這個(gè)組的中心點(diǎn)，所以才會(huì)出現(xiàn)許多白色物體，簡單的處理辦法就是隱藏所有的3D Frames類物體，即在Virtools中的3D Frames文件夾下關(guān)閉所有物體的可見性;此外，從根本上解決問題的辦法是在3DS MAX中確保構(gòu)成3D對(duì)象的每個(gè)部分都必須是分開的對(duì)象，不要有任何的連結(jié)或群組關(guān)系，即解開所有的組，建立好物體間的層級(jí)關(guān)系，刪除虛擬物體，這樣就避開了產(chǎn)生三維幀的現(xiàn)象.

為了正確輸出3DS MAX所制作的對(duì)象，還要注意的是:①在3DS MAX環(huán)境中需規(guī)劃好每個(gè)對(duì)象的面數(shù)和貼圖的大小，面數(shù)的控制應(yīng)以不超過最高面數(shù)的限制為原則，而貼圖的最高原則就是要維持畫面的統(tǒng)一性;②在作任何從屬關(guān)系的連結(jié)以及在制作動(dòng)畫前都先經(jīng)過“Reset XForm”來保留原對(duì)象的屬性，之后，進(jìn)一步確定對(duì)象的面是否被反向而造成破洞;③設(shè)定好每個(gè)對(duì)象軸心的方向和位置后，設(shè)定對(duì)象的從屬或群組關(guān)系以及相關(guān)的動(dòng)態(tài)制作;④在制作動(dòng)畫時(shí)要特別注意，每一個(gè)動(dòng)作都必須是一個(gè)完整的循環(huán)，即動(dòng)作的起始點(diǎn)和終點(diǎn)有相同的位置和角度.注意到這幾點(diǎn)，在導(dǎo)入模型的過程中就會(huì)盡量避免問題的產(chǎn)生，使制作的對(duì)象最佳化.本設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入Virtools中的界面如圖3所示.圖中的3D Layout窗口顯示導(dǎo)入的模型及所必需的導(dǎo)覽工具，通過其他窗口則可以對(duì)該模型進(jìn)行進(jìn)一步的編輯與調(diào)整.

圖3 導(dǎo)入Virtools界面中的模型

3.4 Virtools中對(duì)模型進(jìn)行交互設(shè)計(jì)

Virtools中的虛擬漫游主要是通過攝影機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，在此把攝影機(jī)作為虛擬對(duì)象進(jìn)行腳本設(shè)計(jì).通過合理地編排 Keyboard Mapper，Switch on Message，Translate，Camera Orbit等幾個(gè)行為模塊，就可以通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)模型的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作;也可以通過鼠標(biāo)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從不同的視角來觀察場景，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)胎帶機(jī)支承裝置的運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)建一個(gè)逼真的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，達(dá)到Virtools交互技術(shù)在虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的目的.

在對(duì)攝影機(jī)進(jìn)行腳本設(shè)計(jì)的過程中，添加好Keyboard Mapper，Switch on Message 到攝 影 機(jī) 的Script后，需添加一個(gè)Translate來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的動(dòng)作.然而，如果要實(shí)現(xiàn)該模型的轉(zhuǎn)向、后退、向左、向右等多個(gè)鍵盤行走動(dòng)作時(shí)，則需添加多個(gè)重復(fù)的Translate來實(shí)現(xiàn)，顯然不太合理.解決這個(gè)問題的辦法就是添加一個(gè)Parameter Selector模塊，通過改變?cè)撃K的參數(shù)類型及數(shù)值即可解決上述的“重復(fù)”問題.需要提出來的是Parameter Selector模塊的參數(shù)數(shù)值可以改變行走的速度，數(shù)值大速度就快，調(diào)整到合適的且保持一致的速度可以使設(shè)計(jì)最佳，但參數(shù)較多，每次調(diào)整都需對(duì)參數(shù)進(jìn)行一一修改，比較繁瑣.簡單化的方法就是添加一個(gè)參數(shù)運(yùn)算器，它可以通過輸入?yún)?shù)的倍數(shù)來同時(shí)加快或減慢速度，達(dá)到最佳交互設(shè)計(jì)的目的.對(duì)虛擬對(duì)象攝影機(jī)鍵盤控制的運(yùn)動(dòng)腳本如圖4(a)所示.也可通過鼠標(biāo)對(duì)攝影機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從不同的視角來觀察場景，圖4(b)為鼠標(biāo)控制攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)腳本.如果Virtools中沒有直接實(shí)現(xiàn)所需功能的模塊，這時(shí)需要通過手工編寫相關(guān)的VSL來構(gòu)建合適條件的行為模塊.

圖4 控制攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)腳本的虛擬漫游設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

采用3DS MAX和Virtools技術(shù)研發(fā)胎帶機(jī)支承裝置，使設(shè)計(jì)人員更方便地根據(jù)操作過程中發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)地對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研發(fā)成本，同時(shí)對(duì)指導(dǎo)工程施工和科學(xué)技術(shù)的研究提供了一種先進(jìn)、快捷的手段，并對(duì)其它機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

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