基于Virtools的離心泵虛擬拆裝實驗平臺仿真開發(fā)及應用

劉 軍 孟永彪

（新疆大學化學化工學院)

基于Virtools的離心泵虛擬拆裝實驗平臺仿真開發(fā)及應用

劉 軍*孟永彪

（新疆大學化學化工學院)

采用Virtools工具結(jié)合其它工程圖形軟件開發(fā)的 “離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)，具有高效交互、現(xiàn)場三維實時性強等特點，優(yōu)于傳統(tǒng)的仿真開發(fā)方法。以 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”的仿真開發(fā)為例，敘述了三維建模、格式轉(zhuǎn)換、模型編輯與導出以及實驗平臺綜合開發(fā)等技術(shù)。對實驗平臺綜合開發(fā)中的流程規(guī)劃設計、控制模塊編寫、VSL程序編寫、名稱顯示、優(yōu)化處理、整合發(fā)布和最后測試等進行了重點描述。

離心泵 虛擬拆裝 實驗平臺 三維模型 Virtools

離心泵是一種利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使其內(nèi)部流體產(chǎn)生離心力進行工作的通用設備，工業(yè)上有著廣泛的應用。很多單位工程上需要檢修離心泵，為使員工盡快了解離心泵的結(jié)構(gòu)、特點、功能及工作原理，往往需要進行拆裝操作培訓。通常，先進行計算機模擬拆裝實驗，再實際操作，這樣可達到節(jié)約成本和時間、提高拆裝操作準確性的效果。

傳統(tǒng)的仿真一般采用三維動畫技術(shù)進行模擬，最后以動態(tài)視頻的形式演示出來，很難實現(xiàn)多層次良好互動功能，不能滿足實際操作工藝交互性、學習性的需求。游戲開發(fā)工具Virtools具有高效靈便、場景實時渲染效果美觀、高速交互、現(xiàn)場三維實時性強等優(yōu)點，故采用Virtools工具并結(jié)合其它工程圖形軟件來進行 “離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)的模擬仿真開發(fā)。

1 工程應用仿真新技術(shù)

三維虛擬交互式機械仿真模型開發(fā)的優(yōu)勢在于將其結(jié)構(gòu)、特點、功能、工作原理通過人機交互的方式呈現(xiàn)出來，使我們能夠更直觀地、詳實地、全方位地進行動態(tài)了解，幫助進行相應的操作。傳統(tǒng)的仿真往往以單機模擬設計理念為主；后來發(fā)展到簡單仿真以單純動態(tài)視頻展現(xiàn)或以網(wǎng)絡VRML虛擬建模技術(shù)為主；兩者不僅對計算機要求較高，且實現(xiàn)三維操作交互性與實時性困難。新近引入國內(nèi)的圖形工作站開發(fā)技術(shù)——Virtools工具，可以很好地解決交互性、實時性、網(wǎng)絡化等問題。我國有些高校進入較快，已利用其開發(fā)出三維沉浸交互式精餾虛擬實驗室，完成了實驗操作過程的仿真和實驗現(xiàn)象的仿真[1]。缺憾的是其只是針對化工過程進行的粗曠開發(fā)，國內(nèi)還較少有利用其對機械設備的精細控制動態(tài)交互仿真的案例。正是如此，基于Virtools并結(jié)合其它工程圖形軟件的高交互式仿真方法在虛擬模擬方面越來越表現(xiàn)出良好的應用前景。

2 “離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)仿真開發(fā)

開發(fā)機械設備的三維精細控制動態(tài)交互仿真系統(tǒng)，可以更好地表現(xiàn)Virtools等工具的優(yōu)勢。為此，我們建立了三維交互式 “離心泵虛擬拆裝實驗平臺”等系統(tǒng)，能夠全方位了解各類離心泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、特點、功能及工作原理等，且高交互性能帶給使用者一種身臨其境的實時現(xiàn)場真實感?，F(xiàn)以“單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”的仿真開發(fā)為例，介紹整個離心泵系統(tǒng)的虛擬仿真開發(fā)方法流程。

2.1 利用3D軟件建模

基于Solidworks功能強大、易學易用、豐富的軟件接口等諸多優(yōu)點，提供了幾乎市面上所有機械CAD軟件格式的輸入/輸出轉(zhuǎn)換器，能夠輸出包括VRML、IGES、STL等在內(nèi)的諸多文件格式[2]，故宜采用Solidworks軟件進行單級離心泵的三維建模。由于該裝配體的零件過多，導致3DS Max渲染的時候速度特別慢，就需要對一些看不到效果的零件進行輕化處理，以加快渲染速度。同時，對裝配體進行光照處理，為燈光優(yōu)化做好前期準備。單級離心泵的最終三維模型如圖1所示。

圖1 單級離心泵三維模型

2.2 格式轉(zhuǎn)換

Solidworks與3DS Max之間無法直接轉(zhuǎn)換，但可以通過*.igs或*.stl格式文件作為中間載體將Solidworks中的文件導入到3DS Max中。采用格式“過渡”的形式將三維模型導入到Virtools開發(fā)環(huán)境中,即先將三維模型保存為STL格式的文件,再利用3DS Max對模型進一步進行編輯,最后利用Virtools提供的導出插件Virtools 4.0 for Max將模型、場景、動畫等導出為Virtools可接受的文件格式[2]。導入時，選擇Quick Weld選項，以加快文件的導入速度。導入過程中不要對零件的位置、角度進行任何修改。裝配體中零件相互之間的位置，因在Solidworks中已確定，導入3DS Max后，零件之間的裝配位置依舊保持不變，無須重新定位。格式轉(zhuǎn)換路線圖如圖2所示。

圖2 格式轉(zhuǎn)換路線圖

2.3 三維模型編輯與導出

單級離心泵裝配體輸出后的STL格式文件為單一的零件，將整個裝配體中的零件逐一全部導入3DS Max后，選擇所有零件，選擇 “group”菜單中的group選項使之成組，就可以對整個裝配體進行整體的移動和旋轉(zhuǎn)等編輯操作。當對裝配體及其零件進行渲染、動畫時，選擇 “group”菜單中的open選項，各零件就可分別渲染和制作動畫。

由于3DS Max默認坐標系為右手坐標系，原本正立的三維實體導出后卻成為倒立的，因此在導出時需要選擇 left handed（左手坐標系），以確保將模型、場景、動畫等輸出為正立的*.nmo格式文件。在導出3DS Max之前，應確定適當?shù)霓D(zhuǎn)換比例，因為三維模型文件過大或過小，都將會導致其在Virtools環(huán)境中顯示不正常。

2.4 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”綜合開發(fā)

2.4.1 流程規(guī)劃設計

綜合開發(fā)流程應該包括整體構(gòu)思、初步提案、制作過程、優(yōu)化處理、整合發(fā)布、最后測試等幾個階段。綜合開發(fā)流程的系統(tǒng)設計有助于提高實驗平臺的開發(fā)效率和模型的精確度，體現(xiàn)整個流程的具體開發(fā)方向，能夠讓開發(fā)人員明確整個實驗平臺的制作過程。 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)流程

2.4.2 行為控制模塊的編寫

Virtools提供了大約500多個Building Blocks (行為模塊)，開發(fā)人員只需適當?shù)亟M合及重復利用這些行為模塊進行交互腳本程序的設計、編寫、調(diào)試等操作，就可以開發(fā)出復雜的虛擬現(xiàn)實應用程序。即將現(xiàn)存的BB在Schematic里整合起來，組成一個BB流程 （或稱為行為模塊圖），來達到我們所需要的功能。在進行BB流程編寫時，應明確每一個BB的具體用途及功能，并能正確地設置每一個BB的參數(shù)，以防止運行時產(chǎn)生錯誤，BB間的連線也應保持整齊。編寫過程中，可把已建好的BB流程應用在場景中其它的對象上，也可將BB流程儲存在數(shù)據(jù)庫里，作為一個新的行為模塊來使用。裝配演示參考目標和切換攝影機的部分行為模塊如圖4～圖5所示。

圖4 裝配演示參考目標部分行為模塊

圖5 切換攝影機部分行為模塊

2.4.3 腳本語言VSL程序編寫

在一些更復雜的仿真模型開發(fā)中，僅僅依靠Virtools提供的Building Blocks(行為模塊)是遠遠不夠的，系統(tǒng)開發(fā)人員可以利用VC++ (Microsoft Visual C++)或 VSL (Virtools Scripting Language)手工編寫自己的行為模塊，以達到更高的要求。在Virtools作品的 Level中創(chuàng)建腳 本， 然后到Schematic界面中，在腳本主體區(qū)域按住CTRL鍵不放并雙擊鼠標，會出現(xiàn)一個可用的BB列表，輸入 “ru” (不包含引號)，這時會出現(xiàn) “Run VSL”，點擊 “Run VSL”就可把該BB加入到腳本中，從而進行腳本語言VSL的編寫。實驗平臺的VSL部分程序代碼如下：

2.4.4 名稱顯示

由于單級離心泵零件較多，且相互之間不易識別，故需要對其進行正確的名稱命名以及顯示相應的名稱。無論是在該仿真模型中的拆卸過程還是裝配過程，都進行了名稱顯示設計，即當鼠標左鍵指向目標對象時，都可以顯示出相應目標對象的名稱。在裝配過程中，也可以通過名稱顯示來獲取相應的零件進行虛擬裝配，大大降低了拾取錯誤。名稱顯示部分行為模塊如圖6所示。

2.4.5 優(yōu)化處理

優(yōu)化處理能有效消除冗余信息和提高最后發(fā)布文件的程序運行速度。優(yōu)化內(nèi)容一般有渲染優(yōu)化、內(nèi)存優(yōu)化、腳本優(yōu)化、行為圖表管理優(yōu)化以及其他過程優(yōu)化。根據(jù)系統(tǒng)仿真內(nèi)容的不同，差別很大。在該實驗平臺仿真模型發(fā)布之前，對其進行優(yōu)化處理的細節(jié)有：（1）進行Prelighting光照預處理；（2）使用較少產(chǎn)生光照效果的燈光；（3）將紋理貼圖（Texture）的默認屬性linear filtering設置為nearest filtering；（4）使用較小的紋理貼圖尺寸，所有紋理貼圖尺寸均取為2的冪次方；（5）將材質(zhì)的Shade Mode調(diào)整為Flat；（6）減少透明色的使用；（7）盡量使用通用腳本；（8）進行紋理壓縮。

圖6 名稱顯示部分行為模塊

2.4.6 整合發(fā)布

“單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)制作完成后，有兩種輸出方式，即以*.html格式輸出的網(wǎng)頁播放方式和以*.vmo格式輸出的可執(zhí)行播放方式。但對于較大的 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)而言，采用外掛程序VirtoolsMakeExe.exe和CustomPlayer.exe來輔助生成 “單級離心泵.exe”可執(zhí)行播放文件。

2.4.7 最后測試

最后進行測試工作，以檢查是否滿足用戶需求，若不滿足，則需要返回到*.cmo文件進行進一步的修改，最后進行發(fā)布。 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”系統(tǒng)的測試結(jié)果表明：通過二維幀信息的發(fā)送與接收來響應不同的交互腳本程序，實現(xiàn)了主、次界面以及菜單按鈕間的相互轉(zhuǎn)換、激活與解除；在鼠標選取目標對象后，目標能跟隨鼠標移動，在輔助參考對象的指引下，實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)與輔助參考對象的融合；通過距離的判斷實現(xiàn)了目標對象材質(zhì)的改變。以下是 “單級離心泵.exe”應用程序文件的部分測試過程，基本達到了用戶的需求。實驗平臺主界面、拆卸過程和裝配過程測試圖如圖7～圖9所示。

圖7 實驗平臺主界面

圖8 拆卸過程

圖9 裝配過程

3 結(jié)語

基于Virtools工具并結(jié)合Solidworks、3DS Max軟件進行的 “單級離心泵虛擬拆裝實驗平臺”仿真開發(fā)，很好地證明了Virtools在拆裝實驗虛擬仿真中的應用，直觀、真實、多角度、深層次地再現(xiàn)了單級離心泵的交互過程，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的交互感和沉浸感。系統(tǒng)開發(fā)過程中采用VSL編程語言結(jié)合BB模塊的方式，解決了交互過程中信息的實時傳遞問題。系統(tǒng)后期優(yōu)化后，實時三維交互效果更加良好。用此方法開發(fā)的系列軟件，在同類工業(yè)產(chǎn)品的設計、制造、產(chǎn)品展示、維修培訓以及教學等各方面必將有廣泛的應用前景。

[1] 康譯友，張永策，方麗，等．基于Virtools的三維交互虛擬精餾實驗室的構(gòu)建 ［J］．計算機工程與設計，2011,32 （2） ：633-637．

[2] 胡亮,王蘭美,宋宏鵬,等．SolidWorks、3DS Max結(jié)合Virtools實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實應用研究 ［J］．山東理工大學學報,2010,24(3)：103-106．

[3] 張學鵬，陳國華，張愛軍．基于3D的虛擬運動仿真平臺設計及Virtools功能實現(xiàn) ［J］．北京化工大學學報, 2009,36(4)：93-95．

[4] 徐英欣，王東丹，胥林．Virtools虛擬裝配制作實例[M].重慶：電腦報電子音像出版社,2009．

[5] 付志勇，高鳴．三維游戲設計 [M].北京：清華大學出版社,2008．

Simulated Development and Application of the Experimental Platform for Virtual Disassembly and Assembly of Centrifugal Pump Based on Virtools

Liu Jun Meng Yongbiao

Virtools is used to develop the system of “Experimental Platform for Virtual Disassembly and Assembly of Centrifugal Pump” in combination with other engineering graphics software,which features efficient interaction and strong real-time 3-D visualization of the scene and is superior to the traditional simulation methods. Taking the simulated development of“Experimental Platform for Virtual Disassembly and Assembly of Single-stage Centrifugal Pump” as an example,describes the technology of 3-D modeling,format conversion,model editing& exporting and integrated development of experimental platform.The paper gives a focused account of the process schematization and design,controlling module programming,VSL programming,name displaying,optimization, integrating&publishing as well as final testing during the development of experimental platform.

Centrifugal pump;Virtual disassembly and assembly;Experimental platform;3-D model;Virtools

TQ 050.1

2014-02-17）

*劉軍，男，1989年生，碩士研究生。烏魯木齊市，830046。