减速器虚拟拆装实验系统的构建

冯桂珍， 池建斌， 王大鸣， 王 晨



减速器虚拟拆装实验系统的构建

冯桂珍， 池建斌， 王大鸣， 王 晨

（石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 050043）

针对当前实验课程的设备台套数和场地等的不足，分析了国内外虚拟实验室的现状与特点，在研究Cult3D构建交互式三维虚拟场景的过程、方法和相关技术的基础上，以齿轮减速器为例，利用Cult3D及其它相关软件工具，构建了一个基于网络的齿轮减速器虚拟拆装实验，该实验系统具有三维、动态性、交互性、低带宽网络传输等特性，克服了传统实验的不足，在实际应用中取得了良好的效果。

计算机应用；减速器拆装实验；场景交互；Cult3D技术

目前，国内各高校对实验课的教学，大都存在着实验形式、内容、要求越来越高，实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。随着网络技术、仿真技术、多媒体技术的快速发展，网络虚拟实验应运而生。网络化的虚拟实验可以弥补实验设备、场地的不足，彻底打破空间、时间的限制；通过计算机网络实现教育资源共享从而可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平；网络虚拟实验教学能够灵活地提供给学生系统化的实验教学内容，学生可以根据实际情况自主确定学习内容和安排学习进程从而可以最大限度地满足学生的不同需要。因此，国内外许多高等院校及科研机构开发了具有自己特色的虚拟实验室，如Gentral Florida大学教育训练研究院建立VSL(Visual Systems Laboratory)虚拟系统实验室、Model Science的Model Chemlab化学实验室、美国巴尔的摩(Baltimore)约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)建立的化工虚拟实验室(Virtual laboratory)等。这些实验室多专注于专业化设计，操作比较复杂。国内也有很多类似案例，如文献[5]开发的基于Matlab Web Server的输油管道泄漏检测系统，解决了Web系统开发程序中数值计算能力和数据处理结果输出能力较差的难点问题，文献[6]中使用Java Applet及Matlab/Simulink构建控制系统网络虚拟实验室等，而基于网络的减速器测绘实验比较少。

Cult3D是全新的Web3D技术、一个跨平台的3D引擎。其目的是在网页上建立交互式的3D对象，基于Java内核，具有良好的跨平台性；可视化的开发界面使开发者可以轻松掌握；32位的高视觉渲染方式使其渲染质量远胜于VRML语言；特殊的压缩方式使得文件体积很小，适合低带传输；鉴于此，利用Cult3D，结合Pro/E、3DMax、Photoshop、fireworks、DreamWeave等软件工具，开发了一个基于网络的齿轮减速器虚拟拆装实验，通过互联网可以随时随地进行学习，深受用户欢迎。

1 减速器测绘实验过程分析及系统框架

减速器中包含多种通用零件，如齿轮、轴、轴承、螺纹紧固件、润滑装置、密封元件等。减速器测绘实验中涉及零部件的拆装和结构分析，对学生掌握机械结构、了解结构设计的原则，更好地进行课程没计、毕业设计有很大的帮助，对提高学生的动手能力，培养学生理论联系实际，提高学生分析问题和解决问题的能力起到促进作用，是启迪学生的创新思维的重要手段。

真实减速器测绘的拆装实验过程是先将减速器放在测绘台上，观察其整体形状结构，了解工作原理和运动情况，然后按拆卸顺序拆卸零件，了解各个零件之间的装配关系和位置关系，并进行零件的测绘，绘制装配示意图和零件草图，测绘完毕后将拆卸的零件按照装配顺序进行装配。

减速器虚拟拆装实验以真实实验过程为依据，整个系统采用服务器／浏览器模式，服务器端存放由建模工具创建好的零件通过格式转换导入Cult3D中构建的动态交互实验场景，浏览器端是嵌入*.co格式文件的主界面，提供Cult3D虚拟场景的浏览和基于鼠标的交互控制和操作。图1是系统框架图。

图1 系统框架图

2 虚拟实验场景的创建

2.1 虚拟模型的创建

Cult3D的开发步骤可分为3个阶段：建模、编辑、发布（见图2）。本身不具有三维建模的功能，需要使用其他的三维建模工具。目前，Clut3D支持创建3D模型的主要工具有3DSMax、Maya等。在这些软件安装有对应的Cult3D插件后才能将三维模型导出为C3D文件（Cult3D模型文件）。鉴于3DSMax是目前使用最多的三维建模、动画、渲染软件，其功能强大，可以外挂很多插件来弥补本身的功能不足。因此，采用3DSMax作为模型格式转化工具，利用Pro/E创建零部件模型，导入到3DSMax后，通过Cult3D Export导出Cult3D模型文件（*.c3d文件），然后在C3Ddesigner中完成交互式拆装。

图2 Cult3D程序开发流程

在具体建模过程中需要注意以下几点：

（1）Pro/E与3DMax是通过STL格式进行接口。在Pro/E的装配模块中装配零部件并设置外观材质颜色（最终装配效果图见图3、图4），然后逐个导出零件的STL文件，这样用3DMax逐一导入Pro/E保存的STL零件副本后，是符合装配关系的装配体，定位准确。

（2）将拥有共同运动行为的物体成组并调整组的几何轴心到合适位置，以便在Cult3D中做交互运行时，该组物体以某一轴心做共同旋转运动而不是以各自轴心做运动。如同一轴系上的齿轮、键、轴、齿轮等一起旋转，因而需将轴系的几何轴心调整到与轴的几何轴心重合。

（3）设置视点。Cult3D支持3DMax中的摄像机，自定义摄像机来设置合适的观察角度，还可以创设多个摄像机分别放在不同的位置，以便于后期制作虚拟装配和拆卸时视点的选择，展示最佳视觉效果。

图3 一级齿轮减速器

图4 二级齿轮减速器

2.2 动态与交互功能的设计和实现

C3Ddesigner是一个完全拖放式软件。从SceneGraph窗口选中将要操作的对象，拖入Event Map窗口，然后在Action窗口中选择要实施的动作，把它也拖入Event Map窗口，在Event Map中选择触发该动作的事件。Cult3D为用户提供了鼠标和键盘两种触发事件。通过预览窗口可以检查动作和事件以及操作对象之间的相互关系。

由于齿轮减速器的拆装过程必须符合一定的逻辑顺序，因而在动作设计中进行了相应处理，使得整个拆装过程具有动态性、交互性和逻辑控制性，符合实际的工艺要求。具体实现是，用时间线(TimeLine)控制动作的先后次序，用激活事件或解除激活事件控制每一步的拆卸或安装。同时，在拆装过程中，为了呈现最佳观察方位，程序实现了视点自动切换。视点自动切换是通过切换摄像机实现的。为了增强系统的交互操作提示，在拆装过程中添加了工具提示和语音提示，工具提示(Tool tip)与相关零部件绑定，提供相应信息，如拆卸顺序、零件相关信息等；语音提示可打开或关闭，提示操作步骤。图5是部分时间线控制窗口。交互和动态性设计完成后将文件保存并输出co压缩类型的网络文件，用于系统集成时嵌入到网页中。

图5 时间线控制

3 系统集成

Cult3D专门开发了用于Dreamweaver的插件，Cult3D的场景在Dreamweaver中显示为activeX控件。在File框中输入已输出的CO文件路径，开启抗锯齿选项Antialiasing以提高画面质量，做好3D与2D部分的结合。编辑网页并将CO文件插入到网页中。在Dreamweaver界面下进行编辑，将虚拟实验的3D部分与实验辅助信息部分统一风格，融为一体。根据系统框架图设计的系统主页如图6所示，选择齿轮减速器的类型展示相应实验内容。图7是进入二级齿轮减速器后的实验内容，包括自动和手动装配与拆卸、工作原理展示、零件三维模型任意角度查看、二维测绘草图的预览等。若要进入虚拟拆装实验，系统提示用户安装Cult3D插件，用户通过鼠标交互拆卸和安装零部件，并能任意角度多方位浏览，通过工具提示和语音提示为用户提供操作帮助，柔美的背景音乐增添了听觉享受。图8是二级齿轮减速器拆卸后的效果图。

4 结 论

虚拟实验以其跨越时空并超越时空、低成本、低损耗、无危险等优势成为当前网络教育中实验教学的主要方式，三维立体可交互操作实验是目前虚拟实验研究的主要方向。笔者利用Cult3D开发的齿轮减速器虚拟实验，因其三维效果优于其它的三维交互技术，极大地提高了实验的真实感和交互性，带给学习者身临其境的视听感受，实际教学应用后得到师生的一致欢迎和好评。

图8 二级减速器手动拆装

[1] Casini M, Prattichizzo D, Vicino A. The automatic control telelab：a remote laboratory of automatic control [C]//Proc.40th IEEE Conf. on Decision Control, 2001: 3242-3247.

[2] http://www.vsl.ist.ucf.edu/home/home.html

[3] http://www.modelscience.com/

[4] http://www.jhu.edu/~virtlab/virtlab.html

[5] 王 通, 李 欣, 李伟华, 等. 基于Matlab WebServer的输油管道泄漏检测系统研究与实现[J].中国工程机械学报, 2008, (6): 228-232.

[6] 刘萍先, 俞 立, 杨马英, 等. 控制系统网络虚拟实验室方案设计[J]. 计算机仿真, 2004, 21(2): 151-154.

[7] Cycore Cult3D Homepage[EB/OL]. http://www.cult3D.com

[8] Cult3D-theleading3Dtechnologyforthe Internet[EB/OL].http://www.c3donline.com/whatiscult3D/whitepaper.pdf

Construction of Reducer Virtual Disassembly and Assembly Experiment System

FENG Gui-zhen, CHI Jian-bin, WANG Da-ming, WANG Chen

( Mechanical Engineering Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China )

In view of the lack of experiment equipment and place, analyzing the current condition and features of virtual labs. On the basis of studying the process, method and related technology of constructing 3D interactive virtual scene with Cult3D, taking the gear reducer as example, a gear reducer virtual disassembly and assembly experiment is constructed with Cult3D and other related software tools. The virtual experiment system is proved to be of good efficiency in practical application owing to its characters of three-dimension，dynamic, interaction, low-bandwidth transmission, and overcoming the discomfort of traditional experiment.

computer application; reducer disassembly and assembly experiment; scene interaction; Cult3D technology

TP 391

A

1003-0158(2011)01-0089-05

2009-06-30

冯桂珍（1978-），女，内蒙古商都人，讲师，硕士，主要研究方向为计算机辅助设计及图形学、虚拟现实技术。