基于VRP的实验滚筒球磨机虚拟拆装

马希青等

摘 要：实验滚筒球磨机是一种被广泛使用的物理试验仪器。为了给生产技术人员提供更加便捷的工具，让有兴趣的人能更直观地了解实验滚筒球磨机各主要组件的结构和功能，设计一种球磨机虚拟拆装系统。文章以一款小型卧式实验球磨机为例，通过对其拆卸和装配过程的分析，构建各零部件的三维模型，利用3D技术和VRP虚拟现实平台实现对该球磨机进行交互性拆卸和装配的功能。

关键词：VRP；虚拟现实；实验滚筒球磨机；交互性

引言

虚拟现实是以计算机技术为核心，结合传感技术、人工智能等营造一个仿真的虚拟空间环境，用户借助各种交互设备可对该环境中的对象进行观看、操作和控制，并产生身临其境的融入感和参与感[1]。

虚拟现实技术目前已经广泛应用在了科技开发、商业、医疗、娱乐等领域，但在实验滚筒球磨机这样的小型工业设备上，还少有具体的成果。一般的企业用户或爱好者了解工业设备，主要通过实地观摩学习，会受到时间和地点的限制。因此，建立一个球磨机虚拟拆装系统既能使用户感同身受，又可以节省大量人力物力[2]。

3ds Max具有強大的材质贴图功能和渲染功能，能使三维模型和虚拟环境看起来生动、逼真。VRP-Platform是一款人性化、易操作的虚拟现实软件平台，具有良好交互性。3ds Max与VRP-Platform具有完美的兼容性。

1 零部件三维模型的建立与转换

小型的实验滚筒球磨机主要由罩壳、磨机、电动机及电器控制箱四大部分组成。其中磨机部分是研磨物料的主体，由筒体、磨门盖、轴承及轴承座、联轴器和齿轮减速机等零部件组成。

文章使用了SolidWorks来进行磨机部分的零件建模。SolidWorks主要用于研发机械设备，造型与建模方式简单直观，且具有专门服务于机械产品的toolbox插件和齿轮建模工具。绘制完成后只需要将它们保存成*.wrl的格式，再打开3ds Max软件，选择“导入”的方式加载模型，并选择合并场景即可。因此使用SolidWorks来进行部分零件建模之后再导入3ds Max可以提高建模效率。

2 模型的简化处理

随着技术的发展，取得的三维数据场的规模越来越大，由此三维重建取得的三维表面模型的面数巨大，而在很多的情况下，高分辨率的模型不是必要的，并可能严重影响到VR-DEMO的演示运行速度。因此，对模型的精确度及复杂度需折中考虑。

文章中的电动机和电器控制箱，采用法线贴图的方式处理，既降低模型面数又保证了模型的细节特征。

对于在3ds Max中绘制的几何体，可以直接通过减小步数、分段数、形状步幅、路径步幅等参数的方式处理，以达到精简物体总面数的目的。

3 渲染及烘焙

在3ds Max中导入装配体后，需根据其材质分别对每个零部件添加材质贴图。

在3Ds Max中给虚拟装配场景设置环境光。3ds Max中的目标平行光可用来模拟太阳光，再对模型添加若干个目标聚光灯。添加灯光时，使用光度学灯，再对模型进行光能传递计算，使模型显得更细腻，更真实。为了使模型在导入VRP之后仍然有光感和体感，需要对部分模型进行贴图烘焙。

金属材质的模型，也可以不进行烘焙，在VRP编辑器中进行编辑。VRP自带的模型材质设置和动态光照设置相结合，可以制作出逼真的金属材质效果。

4 在VRP中制作拆装展示动画

在VRP和3ds Max中，都可以制作简单的刚体动画，制作过程类似。文章的拆装展示动画，选择在VRP编辑器中制作。

选择创建时间轴，根据所需的动画时长设置时间轴长度。点击自动关键帧，然后将关键帧移动至运动状态发生改变的时间点对应的帧上，VRP会自动计算关键帧中间的动画帧。使用这种方式只需做出拆卸球磨机的动画，球磨机组装的动画使用更改时间轴播放方式的脚本来完成[3]。

5 添加控件和交互脚本

VRP编辑器中可以建立若干个页面，文章的虚拟拆装系统使用了三个页面，分别为加载页面、虚拟拆装页面、手动观察页面。下面主要介绍虚拟拆装页面和手动观察页面的制作。

在VRP编辑器初级界面中，单击【新建页面按钮】，便可以弹出【页面名称】对话框，新建页面操作即完成。在制作虚拟拆装页面时，创建两个按钮，“自动拆”和“自动装”。方法是点击【高级界面】中的【控件】面板，再单击【普通按钮】，然后在绘图窗口中拖动以绘制按钮。在屏幕右边的卷展栏中，可以编辑按钮的位置尺寸、风格和控件属性。在【控件属性】下拉菜单中，编辑按钮的脚本，以控制动画的播放，即实现自动拆装。

制作手动观察页面的目的是，可以用鼠标随意拖动零件模型，多角度地观察零件模型的细节。具体方法是：（1）在窗口消息函数中，定义变量。（2）对每个零件模型创建如图2所示的移动模型的函数脚本。（3）创建每个零件模型的鼠标触发函数，设置定时器，调用“步骤2”中的函数。

6 VRP中的虚拟现实漫游

为了使场景更加真实、美观，最后为该场景添加了天空盒，背景音乐等。调整好VRP场景之后，将该场景生成单机版可执行exe文件，便于在其他计算机上进行演示。

参考文献

[1]王学文，秦毅，杨昕宇，等.采煤机虚拟现实装配仿真系统研究[J].图学学报，2015，36（2）：268-270.

[2]李浩，李鸿操.高能球磨机技术探索[J].中国新技术新产品，2012，8：106.

[3]李儒茂，郭翠翠.VRP12虚拟现实编辑器标准教程[M].北京：印刷工业出版社，2013：77.