基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)研究

聞月，季宏斌，季勇，胡建中

（1.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京211189）

（2.南通棉花機械有限公司，江蘇南通226300）

基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)研究

聞月1，季宏斌2，季勇2，胡建中1

（1.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京211189）

（2.南通棉花機械有限公司，江蘇南通226300）

針對報廢汽車車型繁雜、拆解人員培訓(xùn)成本高的問題，基于Java 3D對報廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)展開研究。通過分析拆解工藝流程，確定了報廢汽車拆解的基本工位和拆解內(nèi)容?；赩RML技術(shù)，結(jié)合Java 3D技術(shù)在三維圖形領(lǐng)域的應(yīng)用，構(gòu)建了基于工位的拆解模型庫，開發(fā)了報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)，實現(xiàn)了拆解過程的動態(tài)可視化。車輪和車門拆解實例表明，所開發(fā)技術(shù)是可行性的，對報廢汽車拆解具有重要指導(dǎo)意義，能有效提高汽車拆解的智能化水平。

報廢汽車；拆解指導(dǎo)；Java 3D；VRML

近年來，我國汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車銷量和保有量快速增長[1]。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，我國2016年汽車銷量達(dá)2 494.80萬輛，同比增長14.11%，汽車保有量達(dá)1.84億輛，預(yù)計2020年汽車保有量將突破2億輛。同時，隨著汽車保有量的持續(xù)增長，報廢汽車數(shù)量也大幅增加，2014年全國報廢汽車數(shù)量達(dá)220萬輛，預(yù)計2020年將高達(dá)1 800萬輛左右。報廢汽車是金屬、非金屬、油液、氣體等多種材料的集合體，如果能對它進(jìn)行高效環(huán)保地拆解，可以減少環(huán)境污染，且有利于資源的再生循環(huán)利用，對優(yōu)化資源配置和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義，符合我國建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會的目標(biāo)[2]。

目前，報廢汽車拆解技術(shù)研究主要包括拆解工藝技術(shù)研究、拆解設(shè)備研制、拆解經(jīng)濟效益分析和拆解信息管理等，并且大部分研究集中于拆卸序列規(guī)劃方面[3]。而由于汽車車型繁雜、零件類型眾多、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，導(dǎo)致拆解人員培訓(xùn)周期長、成本高，拆解智能化水平低，僅僅通過單純串聯(lián)的拆卸序列規(guī)劃很難實現(xiàn)報廢汽車的高效精細(xì)拆解?；贘ava 3D[4]的跨平臺性和交互操作等特點，研究了報廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實語言VRML技術(shù)，構(gòu)建報廢汽車拆解模型庫，開發(fā)基于Java 3D的拆解指導(dǎo)系統(tǒng)。通過探究虛擬世界中裝配體拆解的過程，實現(xiàn)零件拆卸運動設(shè)計和模型平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等交互式操作，動態(tài)地展現(xiàn)拆解過程。

1 Java 3D和VRML

Java 3D是一個交互式三維圖形應(yīng)用編程接口（API），是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的擴展。它集成了Java API的功能，可以和普通的Java 2D,Swing組件、AWT組件等很好地結(jié)合，被應(yīng)用于三維動畫、三維游戲和機械CAD等領(lǐng)域[5]。Java 3D可以產(chǎn)生形體的運動和變化，動態(tài)地改變觀測點的位置視角，同時具有交互作用，如點擊窗體時會向程序發(fā)送一個信號，從而使場景圖產(chǎn)生一定變化。

VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種虛擬現(xiàn)實語言，是三維造型和渲染的圖形描述性語言[6]。它把“虛擬現(xiàn)實”看做一個場景，把場景中的一切看做對象即“節(jié)點”[7]，對每一個對象的描述就構(gòu)成了VRML文件，以.wrl為擴展名。

Java 3D的虛擬世界也是根據(jù)場景圖創(chuàng)建的，一個場景圖是由一組具有父子關(guān)系的節(jié)點對象形成的樹狀結(jié)構(gòu)。利用Java 3D可以構(gòu)造簡單的幾何形體如球體、長方體等，但是要想通過程序來構(gòu)造復(fù)雜的模型是不現(xiàn)實的。好在Java 3D提供了一組用來導(dǎo)入常用3D圖形文件的接口，如導(dǎo)入VRML文件的Loader接口，所以可以在三維繪圖軟件如UG、PROE中建立模型，并將模型導(dǎo)出為VRML文件，再通過Loader接口將其導(dǎo)入Java 3D環(huán)境中進(jìn)行操作[8]。

2 基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)

在定義各工位拆解任務(wù)的基礎(chǔ)上，基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)了拆解過程的3D可視化，為各工位拆解任務(wù)提供操作指導(dǎo)。

2.1 報廢汽車拆解工藝流程

報廢汽車的拆解工藝包括信息登記、預(yù)處理、粗拆解、精拆解和后處理5個部分，每個部分包含特定的拆解任務(wù)[9]。拆解工藝流程如圖1所示。

圖1 報廢汽車拆解工藝流程圖

信息登記：指對報廢汽車進(jìn)行分類登記，對發(fā)動機、變速器等關(guān)鍵總成進(jìn)行檢查，確定密封和破損情況，及時處理發(fā)生泄漏的部件，并將主要汽車數(shù)據(jù)錄入信息系統(tǒng)。

預(yù)處理：指對環(huán)境有污染的油液、零部件進(jìn)行無害化安全處理，包括拆除電瓶、安全氣囊、收集冷媒和各種油液，并且拆除汽車車輪等。

粗拆解：一般遵循由表及里、由附件到主機、由整車拆成總成的原則進(jìn)行?？蓜澐譃橥獠坎鸾狻?nèi)部拆解、底盤拆解和總成拆解4個工位。外部拆解如拆除車門、車燈、保險桿等零件；內(nèi)部拆解如拆除方向盤、控制面板、座椅等零件；底盤拆解如剪斷排氣管、拆除油箱和一些聯(lián)接件；總成拆解指拆除發(fā)動機、變速器等總成部件。

精拆解：根據(jù)需求，將粗拆解拆下的總成進(jìn)行專業(yè)化精細(xì)拆解，如發(fā)動機與變速器總成、車門和車輪等。

后處理：指引爆安全氣囊，并且對于拆下的汽車車殼進(jìn)行壓實破碎處理，最后對破碎后的材料進(jìn)行分類回收。

2.2 報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)功能分析

根據(jù)拆解指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)需求，本系統(tǒng)為不同用戶提供不同的功能。對于拆解指導(dǎo)的設(shè)計人員，其可對場景環(huán)境進(jìn)行編輯、導(dǎo)入和控制汽車模型、設(shè)計零部件運動形式，拆解工作人員可以通過鼠標(biāo)交互控制場景圖。每個模塊的具體實現(xiàn)功能如圖2所示。

2.3 報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)方法

基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)創(chuàng)建一個虛擬世界的場景圖，通過向場景中添加背景、燈光、局部坐標(biāo)系、行為、Alpha類和Interpolator類等類的對象來實現(xiàn)拆解運動和交互等功能[10-11]。

圖2 系統(tǒng)功能圖

2.3.1 場景環(huán)境編輯

Java 3D提供了一個Light抽象類，各種燈光類都繼承自Light類。一個燈光具有顏色、狀態(tài)、有效范圍等屬性，在使用燈光時要指定燈光的作用范圍，并且將模型放置于有效范圍內(nèi)才會產(chǎn)生光照效果。燈光具體又分為環(huán)境光、平行光、點光源、聚光燈等幾種不同的類型，不同類型燈光具有不同的光照效果。該系統(tǒng)中使用環(huán)境光AmbientLight類和平行光DirectionalLight類即可達(dá)到觀察效果，當(dāng)然，也可以根據(jù)需要添加其他類型光源。Java 3D場景背景顏色可以改變，黑色為默認(rèn)的顏色，也可以設(shè)置圖片作為背景。

2.3.2 模型導(dǎo)入與控制

Java 3D自身可以定義一些簡單的幾何形體，但想要通過程序構(gòu)造復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)，所以可以在三維繪圖軟件中建立3D模型，并將模型導(dǎo)出為Java 3D可以識別和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再通過Loader接口導(dǎo)入模型。本系統(tǒng)使用UG軟件建立汽車模型，并將模型導(dǎo)出成VRML文件，再將其導(dǎo)入到Java 3D系統(tǒng)中。由于VRML97的Loader還未放入到Java 3D官方的Package中，所以在導(dǎo)入文件前需要將vrml97.jar文件放入到安裝java的相應(yīng)JRE或JDK目錄下，方可使用該Loader接口。關(guān)鍵語句如下：

其中：fliename為導(dǎo)入模型的文件名稱。

通過該步操作，可以把整個模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，但并沒有獲得對各個零件的控制，下列關(guān)鍵代碼可以實現(xiàn)對各個零件的控制：

這里“partname”為零件的名稱，首先將每個零件分別添加到獨立的TransformGroup（局部坐標(biāo)系）對象中，根據(jù)各自需要實現(xiàn)的運動效果再將其添加到相應(yīng)的父坐標(biāo)系對象中，最后匯總到一個根節(jié)點對應(yīng)的坐標(biāo)系對象中，并將這個坐標(biāo)系對象添加到BranchGroup（場景）對象中。由于模型的VRML文件包含了每個零件從零件坐標(biāo)系到裝配坐標(biāo)系的三維變換描述信息，所以模型導(dǎo)入后，各個零件仍能以一個正確的裝配位置顯示在根節(jié)點的坐標(biāo)系對象中?；赨G建模環(huán)境和Java 3D環(huán)境坐標(biāo)系統(tǒng)的差異性，將根節(jié)點坐標(biāo)系添加到場景中時，需要使用Transform3D對象對根節(jié)點的坐標(biāo)系對象進(jìn)行相應(yīng)的三維幾何變換，使得整個模型以合適的比例和位置顯示在運行窗口中。

2.3.3 拆卸運動設(shè)計

零部件的運動設(shè)計是拆解指導(dǎo)系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)該功能需要聯(lián)合使用Alpha類和Interpolator類。一般使用Interpolator的兩個子類即PositionInterpolator類和RotationInterpolator類即可實現(xiàn)基本零部件拆卸運動路徑的規(guī)劃。為了實現(xiàn)運動時間的外部可控，將各個拆解動作的運動時間以外部配置文件的形式存儲，系統(tǒng)通過讀取配置文件，獲得各個零部件的運動時間。

2.3.4 透明化顯示

為了更加直觀地顯示和區(qū)別已拆卸和待拆卸的零部件，該系統(tǒng)提供了透明化顯示的功能，使拆卸完畢的零部件透明顯示，且透明度可更改。TransparencyInterpolator類用來修改其插值對象 TransparencyAttributes的transparency屬性，即修改對象的透明度值，它根據(jù)給定的Alpha對象、起始透明度和終止透明度，通過線性插值方式計算中間的透明度，實現(xiàn)物體透明度的線性變換效果。

想要應(yīng)用該方法修改導(dǎo)入Java 3D系統(tǒng)中的汽車模型的透明度，實現(xiàn)待拆卸零部件運動結(jié)束后半透明顯示的效果，必須首先獲得模型的Shape3D對象，對應(yīng)VRML文件中的shape節(jié)點。而VRML文件中的每個零部件由多個shape節(jié)點組成，一個shape節(jié)點對應(yīng)零件的一個面，直接獲得對每個shape節(jié)點的控制并修改它的透明度屬性不切實際，所以必須對VRML文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改?？衫肰RML的組節(jié)點Group調(diào)整模型文件的結(jié)構(gòu)，將每個零件的所有shape節(jié)點放在一個group節(jié)點下即可實現(xiàn)對該零件shape節(jié)點的統(tǒng)一管理。獲得shape3D對象并為其設(shè)置透明度屬性的

關(guān)鍵代碼如下：

其中：“boltgp”為VRML文件中各個零件的group節(jié)點名稱；“objs”是作為插值對象的透明度屬性名稱。

2.3.5 鼠標(biāo)交互行為

交互指程序的輸出根據(jù)用戶行為而產(chǎn)生預(yù)期的變化，報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)為了達(dá)到直觀、清晰、多角度地展現(xiàn)拆解動態(tài)過程的目標(biāo)，需要根據(jù)用戶行為作出反應(yīng)。因此為系統(tǒng)添加鼠標(biāo)控制的用戶行為，實現(xiàn)對場景的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放操作。此外，還給系統(tǒng)添加了控制運動暫停和繼續(xù)播放的功能，當(dāng)用戶連續(xù)單擊鼠標(biāo)2次時，動畫暫停播放，當(dāng)用戶單擊鼠標(biāo)1次時，動畫繼續(xù)播放。系統(tǒng)通過OrbitBehavior類建立鼠標(biāo)控制的視點，實現(xiàn)對場景的縮放、平移和旋轉(zhuǎn)功能，關(guān)鍵代碼如下：

根據(jù)功能要求，編寫實現(xiàn)運動暫停和播放功能的Behavior對象，并將其添加到場景中，該對象只接收鼠標(biāo)單擊事件的激勵，然后對這一激勵行為作出暫?；蚶^續(xù)播放的響應(yīng)。運動的暫停和播放機制是通過合理設(shè)定程序里Interpolator插值器對象的setEnable屬性值以及調(diào)用Alpha對象的pause方法和resume方法。

3 報廢汽車拆解實例

以報廢汽車預(yù)處理工位上的車輪拆解和外部拆解工位上車門的拆解指導(dǎo)為例，說明該系統(tǒng)實現(xiàn)方法的可行性以及實際應(yīng)用價值。首先，利用UG軟件建立簡化的報廢汽車三維模型，如圖3所示。

圖3 報廢汽車三維模型

完成汽車建模后，將三維模型導(dǎo)出為VRML文件并對文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)修改，修改后的文件通過Loader接口導(dǎo)入Java 3D中，最后編輯內(nèi)容子圖，實現(xiàn)拆解指導(dǎo)功能。根據(jù)模型拆解層次關(guān)系，設(shè)計的報廢汽車場景結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 報廢汽車場景結(jié)構(gòu)圖

報廢汽車模型導(dǎo)入Java 3D場景后，向場景中添加Alpha對象和Interpolator對象，對場景中的零部件進(jìn)行運動設(shè)計，實現(xiàn)拆解指導(dǎo)。

3.1 預(yù)處理工位——車輪拆卸

具體拆卸步驟如下。

（1）前端右側(cè)車輪上的五根聯(lián)接螺栓沿軸線方向向外直線運動一定距離，實現(xiàn)聯(lián)接螺栓的分離；

（2）前端右側(cè)車輪沿螺栓運動方向向外直線運動一定距離，實現(xiàn)車輪的拆除；

（3）重復(fù)S1～S2操作，直至4個車輪拆卸完畢。運行界面如圖5所示。

圖5 預(yù)處理工位——車輪拆卸指導(dǎo)

3.2 外部拆解工位——車門拆卸

具體拆卸步驟如下。

（1）右側(cè)車門向外旋轉(zhuǎn)90°；

（2）拆卸兩根車門與車身的聯(lián)接螺釘；

（3）液壓剪剪斷剩余的連接線束，分離車門與車身；

（4）對左側(cè)車門重復(fù)S1～S3操作，完成車門的拆卸。

運行界面如圖6所示。

圖6 外部拆解工位——車門拆卸指導(dǎo)

4 結(jié)論

（1）由于Java 3D在三維動畫領(lǐng)域的應(yīng)用及其具有實時交互性能，開發(fā)了基于Java 3D的報廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)，通過設(shè)計場景、規(guī)劃零部件的拆卸運動以及實時交互操作，直觀展現(xiàn)各工位拆解任務(wù)及其拆卸步驟，實現(xiàn)了零部件拆卸過程的動態(tài)可視化。

（2）分別給出報廢汽車預(yù)處理工位上車輪和外部拆解工位上車門的拆卸指導(dǎo)實例，驗證了系統(tǒng)實現(xiàn)方法的可行性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效降低操作人員培訓(xùn)成本和用戶使用成本，提高報廢汽車拆解的智能化水平，具有實際的應(yīng)用價值。

[1]王佳，黎宇科，侯華亮.我國報廢汽車回收拆解行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].汽車工業(yè)研究，2015(12):28-33.

[2]王慧錦.我國報廢汽車回收拆解行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].商界論壇，2015(30):263.

[3]Nikishkov G.Programming Finite Elements in Java[TM][M].Springer:London，2010：305-311.

[4]周自強，戴國洪，譚翰墨.報廢汽車拆解與回收技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報，2011(10):107-110.

[5]王靜秋，王國忠.基于Java 3D的交互式三維動畫的研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2011(09):148-152.

[6]許愛軍，張文金，易丹.基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用[J].計算機與數(shù)字工程，2009(04):186-188.

[7]Taubin G，Horn W P，Lazarus F，et al.Geometry coding and VRML[J].Proceedings of the IEEE，1998，86(6):1 228-1 243.

[8]薛強，王守尊，鄧波，等.一個基于Java 3D的虛擬裝配圖形仿真系統(tǒng)[J].交通與計算機，2005(02):96-98.

[9]戴偉華，徐國強.廢舊汽車拆解工藝的選擇[J].有色冶金設(shè)計與研究，2010(5):46-48.

[10]郁志輝.Java 3D編程實踐[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002：205-257.

[11]Yao H X，Liu S.Application of Virtual Reality Based on Java 3D[J].Machine Building&Automation，2009.

Study of dismantling guidance technology for scrapped vehicles based on Java 3D

WEN Yue1,JI Hongbin2,JI Yong2,HU Jianzhong1
（1.School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;)(2.Nantong Cotton Machinery Co.,LTD,Nantong 226300,China）

Aiming at the complexity model of scrapped vehicle and the high training cost of dismantling personnel,the dismantling guidance technology for scrapped vehicles is studied based on Java 3D.The disassembly station of scrapped vehicles and the dismantling contents are determined through the analysis of dismantling process.Also the dismantling guidance system of scrapped vehicles is developed based on VRML technology,by using Java 3D technology in the field of three-dimensional graphics applications,by which the dynamic process of disassembly visualization can be achieved.Cases of wheel and door dismantling show that the developed technology is feasible,and important for the dismantling of scrapped vehicles,also by which the intelligence of scrapped vehicles disassembly is improved effectively.

scrapped vehicles;dismantling guidance;Java 3D;VRML

X734.2

A

1674-0912（2017）07-0031-05

2017－04－09）

江蘇省重點研發(fā)計劃項目（BE2016110）

聞月（1992-），女，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。