基于Virtools的滾珠絲杠課件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

鄭培峰

(福建廣播電視大學(xué)，福建福州，350003)

滾珠絲杠螺母副在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動裝置中被廣泛采用，因此在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的《數(shù)控設(shè)備與編程》課程中作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹。[1]但由于滾珠絲杠螺母副種類多，結(jié)構(gòu)及工作原理復(fù)雜，而且在實(shí)際數(shù)控設(shè)備中，滾珠絲杠是處于完全封閉狀態(tài)的，不能觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程，采用傳統(tǒng)的圖片加文字講解的教學(xué)方法，學(xué)生難以理解，教學(xué)效果極差。因此，通過展示內(nèi)、外循環(huán)滾珠絲杠螺母副的三維模型，讓學(xué)生自行鼠標(biāo)操作、動畫演示展示滾珠絲杠螺母副的種類、工作過程及調(diào)隙方法，形象觀察滾珠如何在絲杠、螺母中進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動，對學(xué)生掌握各種滾珠絲杠螺母副的異同點(diǎn)有很大的幫助。這種直觀、感性的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)、會學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。

一、Virtools技術(shù)

Virtools是法國達(dá)索公司的一款虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，可以將現(xiàn)有常用的文檔格式(如3D的模型、2D圖形或音效等)整合在一起。它是一套具備豐富的互動行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，可以利用拖放的方式，將Building Blocks(行為交互模塊，以下簡稱BB)賦予在適當(dāng)?shù)腛bject(對象)或是Character(虛擬角色)上，以流程圖的方式，決定BB的前后處理順序，從而實(shí)現(xiàn)可視化的交互腳本設(shè)計(jì)，逐漸編輯成一個完整的交互式虛擬世界。與C、C++等傳統(tǒng)程序語言相比，模塊化的程序指令能大大降低學(xué)習(xí)門坎，適合沒有編程基礎(chǔ)的3D設(shè)計(jì)人員。目前，Virtools在三維游戲設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、建筑漫游、數(shù)字藝術(shù)、互動多媒體等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，己經(jīng)成為國際主流的虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)平臺。[2]

采用Virtools技術(shù)開發(fā)本課件，能夠模擬真實(shí)的課件場景和真實(shí)的設(shè)備，讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的現(xiàn)場感，并且開發(fā)難度小，易于實(shí)現(xiàn)。

二、課件功能模塊的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

(一)課件功能模塊綜述

1.外循環(huán)滾珠絲杠模塊

該模塊包含兩個子模塊:插管式和螺旋槽式。用戶將鼠標(biāo)移到外循環(huán)滾珠絲杠的任一位置上，則顯示該位置對應(yīng)部件的名稱；用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，可以顯示/隱藏外循環(huán)滾珠絲杠的內(nèi)部滾珠，可以觀察外循環(huán)滾珠絲杠內(nèi)部滾珠的運(yùn)動過程。

2.內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠模塊

與上一模塊相似，用戶將鼠標(biāo)移到內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的任一位置上，則顯示該位置對應(yīng)部件的名稱；用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，可以顯示/隱藏內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的內(nèi)部滾珠，可以觀察內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠內(nèi)部滾珠的運(yùn)動過程，還可以單獨(dú)顯示反向器的結(jié)構(gòu)。

3.軸向間隙模塊

該模塊包含兩個子模塊:軸向間隙產(chǎn)生原因和軸向間隙消除方法。利用3DSMAX創(chuàng)建滾珠絲杠的內(nèi)部運(yùn)動動畫視頻，形象展示了軸向間隙產(chǎn)生的原因；通過自動演示兩個絲杠螺母副的裝配，并動畫演示裝配中內(nèi)部運(yùn)動過程，形象說明軸向間隙的消除方法。

4.解說和背景音樂模塊

為了便于用戶自學(xué)，用戶進(jìn)入某一模塊時(shí)，課件會自動播放該模塊的解說聲音，當(dāng)然也可以單擊相應(yīng)按鈕關(guān)閉或重新播放解說聲音與背景音樂。

(二)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.3 DSMAX建模時(shí)的注意點(diǎn)

(1)滾珠運(yùn)動動畫的制作

本課件所涉及到的三種滾珠絲杠的滾珠運(yùn)動動畫，都是在3DSMAX中制作的。制作思路是:畫一個滾珠的運(yùn)動路徑的樣條線，利用間隔工具沿運(yùn)動路徑復(fù)制出多個滾珠，對每一個滾珠，添加路徑約束的位置控制器，添加的路徑為所創(chuàng)建的樣條線，同時(shí)設(shè)置好滾珠的起始幀和終止幀的路徑百分比，使得各個滾珠能依次運(yùn)動(如圖3-1)。本課件涉及的三種滾珠絲杠螺母副，需要分別建模，存為不同文件，注意不要把三種模型放在同一3DSMAX文件中，否則在導(dǎo)入Virtools后，會造成模型難以區(qū)分，不利于BB的設(shè)置。

圖3-1 滾珠路徑約束動畫設(shè)置

(2)從3DSMAX中輸出NMO文件

利用3DSMAX的導(dǎo)出功能將模型輸出為Virtools能夠識別和處理的NMO格式，要完成該格式的輸出，必須要在系統(tǒng)中安裝針對3DSMAX的輸出插件Virtools Exporters for 3DSMAX。由于之前制作的模型帶有動畫，最好對每個3DSMAX模型文件分別輸出兩次，第一次輸出為Export as a Character(輸出虛擬角色)，設(shè)好Character Name(角色名稱)，第二次輸出為Export Animation Only(只輸出動畫)，設(shè)好Animation Name(動畫名)，這樣做的目的是便于在Virtools中對動畫進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置BB。

2.課件的交互設(shè)計(jì)

模型導(dǎo)入Virtools后，利用它提供的BB及其組合對模型賦予腳本，完成交互功能的實(shí)現(xiàn)。該模塊是整個課件中最重要，最關(guān)鍵的模塊，主要完成三維物體的交互功能。

(1)旋轉(zhuǎn)縮放視圖

當(dāng)用戶單擊并拖動鼠標(biāo)左鍵時(shí)，視圖會隨著鼠標(biāo)的拖動而旋轉(zhuǎn)，以方便用戶從各角度觀察。此模塊的思路如下:①設(shè)置好一個初始攝像機(jī)，作為觀察物體的初始視圖；②創(chuàng)建一個三維幀，作為攝像機(jī)視點(diǎn)的參考對象，該三維幀必須位于所觀察物體的中心；③對此三維幀創(chuàng)建BB(如圖3-2)，Mouse Waiter控制鼠標(biāo)的左鍵按下和彈出動作；Parameter Selector實(shí)現(xiàn)觀察角度的變化，需要把對應(yīng)的參數(shù)類型改為Angle(角度)，值設(shè)為 30；Mouse Camera Orbit實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)在有限的角度內(nèi)控制攝像機(jī)環(huán)繞一個3D Entity(三維實(shí)體)，將之前創(chuàng)建的三維幀作為參考目標(biāo)。

圖3-2 環(huán)繞攝像機(jī)BB設(shè)置

(2)鼠標(biāo)移到物體上顯示相應(yīng)文字

當(dāng)鼠標(biāo)移到物體上，物體下方會顯示相對應(yīng)的部件名稱。此模塊的設(shè)計(jì)思路如下:①在物體的下方創(chuàng)建一個二維幀；②創(chuàng)建材質(zhì)，材質(zhì)的貼圖是表示部件名稱的圖片，每個部件對應(yīng)一個材質(zhì)；③創(chuàng)建一個Array(陣列)，該陣列有兩列，列類型分別是3D Entity(3D實(shí)體)和Material(材質(zhì))，列內(nèi)容分別是部件名稱及對應(yīng)材質(zhì)名，將課件所涉及的所有部件名及對應(yīng)的材質(zhì)名；④在Level層創(chuàng)建BB(如圖3-3)，其中2D Picking用于拾取鼠標(biāo)選中的部件名，Iterator if用于對陣列進(jìn)行循環(huán)判斷，判斷陣列中是否有滿足條件的行(即是否有鼠標(biāo)選中的部件名)，如果條件滿足，則用Set 2D Material把二維幀材質(zhì)設(shè)為與選中部件相對應(yīng)的材質(zhì)。

圖3-3 鼠標(biāo)移到物體顯示相應(yīng)文字BB設(shè)置

(3)設(shè)置3D實(shí)體的直線運(yùn)動

在觀察兩個滾珠絲杠螺母副的裝配過程中，需要設(shè)置模型的直線運(yùn)動BB(如圖3-4)，此BB的設(shè)計(jì)思路如下:①使用Bezier Progression(貝茲級數(shù))設(shè)置運(yùn)動時(shí)間；②使用Interpolator(內(nèi)插運(yùn)算)實(shí)現(xiàn)對部件在空間中坐標(biāo)變換過渡；③使用Set Position(設(shè)定位置)實(shí)現(xiàn)部件從初始位置到目標(biāo)位置的變換。[3]

圖3-4 直線運(yùn)動BB設(shè)置

(4)控制3DSMAX動畫的播放

把在3DSMAX中做好的滾珠動畫輸出為NMO文件后，導(dǎo)入Virtools中，打開Level Manager(層級管理器)，在Global Animations中可以查看到導(dǎo)入的動畫名，使用Play Global Animation(全域動作播放)BB可以控制該動畫的播放。

三、應(yīng)用實(shí)踐與反思

(一)課件相關(guān)功能界面展示

經(jīng)過對相關(guān)功能模塊的逐一實(shí)現(xiàn)，最終形成了關(guān)于滾珠絲杠螺母副的完整課件(如下圖)。

圖4-1 課件截圖1

圖4-2 課件截圖2

(二)基于實(shí)踐的反饋意見和不足之處

本課件制作完成后，邀請了專業(yè)教師和部分學(xué)生試用，他們對本課件評價(jià)較好，認(rèn)為完全可以代替教學(xué)模型，甚至比教學(xué)模型更好用，具有較高的實(shí)用性，界面友好、易操作。原來只能通過模型、掛圖、PPT中插入圖片等方式對滾珠絲杠螺母副進(jìn)行靜態(tài)講解，學(xué)生難以形成直觀印象；現(xiàn)在通過本課件可以實(shí)時(shí)、全方位地觀察其結(jié)構(gòu)，觀察內(nèi)部滾珠的運(yùn)動軌跡，學(xué)生感覺生動、形象，淺現(xiàn)易懂；原來講解滾珠絲杠螺母副的工作原理，教師只能對著圖片枯燥講解，往往花了大量時(shí)間，得到的效果卻不好；現(xiàn)在通過學(xué)生全方位觀察其運(yùn)動過程，教師再加以總結(jié)，學(xué)生就能很容易理解，學(xué)習(xí)效果得到大大提高。但同時(shí)他們也反映存在以下不足:(1)功能還不完善。本課件側(cè)重于滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)及工作過程介紹，對教材中螺紋調(diào)整法和齒差調(diào)隙法的內(nèi)容沒有涉及。今后要逐步完善本課件的功能，增加教學(xué)內(nèi)容，滿足教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。(2)解說內(nèi)容偏少。學(xué)生反映課件的解說內(nèi)容與老師講課內(nèi)容相比，明顯偏少，不利于自學(xué)。今后要邀請專業(yè)教師針對本課件的內(nèi)容重新撰寫解說詞，邀請學(xué)生重新試用，直到滿足學(xué)生要求為止。(3)模型不夠逼真，與實(shí)物還存在差距。這其中的原因一是本人制作3D模型時(shí)，繪制的貼圖與真實(shí)環(huán)境相比，還存在差距，今后本人要提高技術(shù)水平，爭取做出更真實(shí)的模型；二是Virtools軟件本身功能所限，渲染出的場景與真實(shí)的環(huán)境相比，始終有差距，這只能寄希望隨著今后軟件版本的提高，渲染的功能越來越強(qiáng)大。

四、結(jié)語

通過本課件的開發(fā)，筆者感覺Virtools較適合制作三維仿真類課件，比如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的展示、零件的裝配、仿真實(shí)驗(yàn)等。與目前廣泛使用的課件制作軟件Flash相比，前者具有較強(qiáng)的場景真實(shí)感，就像有一個真實(shí)的場景顯現(xiàn)在用戶面前，用戶可以從任意角度觀察物體，對物體進(jìn)行折解、裝配，讓物體運(yùn)動，好像在操作一個真實(shí)的物體。而后者顯然無法實(shí)現(xiàn)這樣的功能。因此，Virtools在教育領(lǐng)域，特別是機(jī)械、電子方面的應(yīng)用實(shí)踐將不斷增多，基于Virtools的課件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)也將不斷完善和發(fā)展。

[1]楊仲岡.數(shù)控設(shè)備與編程[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2]劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典:virtools開發(fā)工具篇[M].蘆山:四川電子音像出版中心，2005.

[3]王丹東，徐英欣，胥林.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典virtools行為模塊詞典大全[M].重慶:電腦報(bào)電子音像出版社，2007.