基于VRML的齿轮泵虚拟装配研究*

尧 燕

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

虚拟装配技术是虚拟现实技术在现代先进设计与制造领域的重要应用之一，它在缩短产品开发周期、降低设计成本等方面有着重要的意义．与传统的装配相比，虚拟装配不需要生成出样品，直接采用虚拟产品模型在虚拟的环境中通过数据手套或者计算机程序语言控制，在可视化的环境中完成装配操作．

现代常用的 CAD软件在提供了完美的设计平台后也提供了较好的装配平台．但是其装配平台只局限于该设计平台内可用，无法实现通用性，更无法生成网络通用的格式，无法实现无界浏览和虚拟装配操作．VRML技术是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，具有平台无关性，它面向网络，提供了较好的面向对象的编程技术，是一种较好的虚拟装配解决方案[1]．本研究基于VRML技术，建立了一个基于网络的虚拟装配仿真平台．

1 VRML的特点

VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种应用于互联网、面向对象的解释型三维造型语言．随着硬件技术和 Internet技术的飞速发展，以及 3D技术的日益成熟，人们迫切需要通过网络进行数据共享和数据发布[2]．VRML描述的三维图形能被标准浏览器接受，因而被广泛的应用于网络以及与平台无关的虚拟现实中．VRML的访问方式是基于客户/服务器模式，其中服务器提供VRML文件及其他客户希望通过网络访问的文件，客户端浏览器负责解释VRML文件并渲染生成可视化场景，大部分计算在客户端实现，减少了服务器的压力．

VRML把虚拟的世界看成一个场景，用节点（Node）描述构成场景的每一个对象，如几何模型、光源、声音等，节点的属性用域来描述，用文本方式对每一个节点对象进行描述并通过节点间的层层嵌套就构成了一个VRML文件[3]．同时，VRML支持Java和Java Applet扩展，利用其提供的Script脚本功能可以实现较强的功能和交互性，为虚拟装配提供了较好的基础．

2 VRML虚拟装配的一般流程

基于VRML的虚拟装配流程，一般为：①生成装配用模型，可以采用VRML的节点编辑技术编辑生成；②对单个模型组装结合成为大型场景．由于场景中模型较多，一般需要对其进行压缩和优化；③对模型可能的运动进行分析，对每种可能的运动方式进行编程控制；④发布装配平台，进行虚拟装配．如图1所示．

图1 VRML虚拟装配的一般流程

3 齿轮泵虚拟装配的实现

3.1 模型的建立

用VRML编辑器如VrmlPad可以生成立体模型，但是对于较复杂的形体，这种方法效果不太理想．本研究采用由三维建模软件建模后然后通过数据转换，得到VRML格式的模型[4]．图2为本虚拟装配系统采用SolidWorks软件建模后，采用另存为VRML97格式后的齿轮泵泵体．

图2 VRML格式的泵体

3.2 模型场景的建立和优化

各个模型建立后，可以建立齿轮泵装配的场景．但是由于齿轮泵各个模型间的位置关系是相对固定的，所以，建立场景之前最好在SolidWorks软件中建立齿轮泵的装配体，然后隐藏其它所有零件，先依次输出单个零件的VRML模型，然后在编辑器VrmlPad中采用inline语句建立齿轮泵装配场景．其部分代码如下：

3.3 场景中模型的可能运动分析和控制方法

对于齿轮泵可以设泵体为不运动体，其它模型都相对于它运动．经过分析，装配过程应该为左右2个方向可以同时拆装．拆卸左侧依次为：压盖螺母→填料压盖→填料；右侧依次为：螺钉→泵盖→纸垫圈→小齿轮→齿轮轴→平键．装配顺序反之．为了简化控制，螺母螺钉等旋转前进的模型简化成为直线运动[5]．为此，在 VrmlPad中添加动画时钟和平移路径的控制代码：

3.4 虚拟装配平台的发布与仿真运用

虚拟装配平台通过场景建立和运动控制编程后，可以网络发布．由于采用的是B/S架构，只需要把设计好的平台在服务器端配置好，用户就可以在客户端使用．用户在浏览器中打开对应网页，其相应模型数据和控制的Java代码就传送到客户端，对用户的仿真操作由客户端程序控制．

对齿轮泵仿真平台的运用，主要可以仿真其装配过程和拆卸过程，同时可以仿真其工作时的动态过程．用鼠标，用户可以在客户端按照顺序拖动模型，实现装配或拆卸动作．拖动的顺序不对即装配顺序不合理，就无法拖动模型，和实际相符合．也可以单击模型，让模型绕Z轴旋转，充分观察模型；双击模型，让模型绕其工作轴或者工作孔旋转，仿真其工作过程．图3为发布后的齿轮泵仿真平台拆卸操作后的效果．

图3 虚拟装配平台虚拟拆卸后的齿轮泵

[1] 赵利清，王树栋．基于VRML的虚拟园林设计要素构建[J]．中国农学通报，2011（4）：248-250．

[2] 谢杰，姬晓辉．VRML技术及应用[J]．洛阳工业高等专科学校学报，2006（3）：28-29．

[3] 孙俊峰，游运华，卢洁，等．基于VRML的心理学虚拟实验设计与实现[J]．计算机仿真，2006（4）：283-285．

[4] 邓新农．关于3Dmax中的VRML运用的探讨[J]．职业技术，2010（5）：43-44．

[5] 袁锋伟，李必文，何彬．基于SolidWorks-VRML实现虚拟现实的精确建模[J]．机电工程，2007（10）：103-105．