虚拟铸造车间的建模和仿真交互设计

虚拟铸造车间的建模和仿真交互设计
虚拟实验室技术可以模拟实际实验过程，改善教学质量，并能克服实验教学对设备场地的限制和避免实验过程中的安全事故。

基于虚拟现实的虚拟铸造车间能够让人身临其境地了解铸造，对铸造的实验教学有重要意义。

本文主要对虚拟铸造车间环境和设备进行建模和渲染、并对交互技术进行了探讨。

本文首先介绍了压铸设备的总体概况，并介绍了压铸设备的组成，用SolidWorks 进行建模、用3ds Max进行渲染，并简要说明其功能。

然后，根据铸造车间的实际情况，对车间内外典型的建筑和装饰物等进行测绘、建模、贴图和材质编辑等处理，建立逼真的虚拟铸造车间环境。

最后，在EON Studio平台上，利用鼠标、键盘对虚拟铸造车间进行交互设计，实现了车间的漫游，包括自动漫游和手动漫游。

此外，系统还可以实现相机的重置、地图提示，实现场景的交互如点击开门，和靠近时开门。

程序还实现了设备的简单介绍，镜头位于设备面前时，程序会自动弹出说明文字，帮助同学们认识设备的基本原理。

I
第一章绪论
1.1课题的背景和意义
机械工程是一门理论知识和实践能力并重的学科。

实验能力是机械工程专业教学重点培养的能力之一。

但是，理论知识在实际教学中占了很大比重，学生自然而然地不重视实验。

笔者认为学生不重视实验主要原因有以下两点：一是我国教育的考核方式主要以卷面考试为主，导致学生自己就很少动手：二是我国仍为发展中国家，地区发展不均衡，有些地区教育资金不足或短缺，基础设施不完善，导致实验无法正常进行。

针对以上问题，可以采取以下措施：一是多样化教学评价方式，不要以考试论成败；二是建设虚拟实验室，可以有效缓解学校在经费，场地，设备上的压力。

虚拟实验是利用虚拟现实技术建立的用于模拟现实实验的相关软硬件环境。

学生可以通过个人电脑访问虚拟试验室，根据实验目的，选择虚拟实验器材，并用鼠标等交互设备进行模拟实验。

现实中由于许多实验条件的限制，比如时间，场地，资金的不足，还有安全问题等，有很多实验并没有取得预期的效果，甚至有的实验根本没法开展。

在虚拟实验室中没有这些限制，而且，在虚拟实验中，学生可以自由地尝试自己的想法。

另外，虚拟实验室的维护成本不大，可以降低了实验室的支出。

在机械实验中，铸造实验是学生比较少接触的。

铸造，是金属成型技术重要的组成部分。

铸造由于其毛坯近净成型，只需很少加工，所以铸造是一种经济的工艺。

为了完善和改进铸造工艺，铸造新技术的不断出现，比如说压铸、挤压铸造等。

但由于不仅铸造设备体积比较庞大，而且铸造过程又有金属浇注等比较危险的步骤，所以本科生基本很难接触到铸造的实验。

在这种情况下，学生可以到虚拟铸造车间来进行模拟实验。

如前所述，虚拟铸造车间既能让学生认识铸造过程，又能不占用学校有限的设备和场地。

机械工程虚拟仿真实验教学中心自2013年8月启动建设，是首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心之一[1]。

本课题可以丰富虚拟仿真实验教学中心的实验教育资源。

课题采用基于EON Studio平台，建立可交互的虚拟铸造车间。

1.2虚拟现实技术与国内外研究现状
1.2.1虚拟现实的概念与特性
虚拟现实交互技术是一门新兴的综合信息技术，融合了数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、传感器技术等多方面信息技术。

它通过计算机图形学构成三维数字模型，产生逼真的虚拟环境，在视觉上给用户一种立体的虚拟环境。

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虚拟现实技术有如下特性：
（1）实时交互性
虚拟现实技术是一个可实时互动的环境，它根据用户的输入，给予用户不同的反馈。

理论上来说，这种交互并不是真正的实时。

但由于计算机硬件的快速发展和计算机软件的改善，现在的人几乎感受不到网络或画面的延迟。

（2）沉浸感
沉浸感说的是用户处在一个及其逼真的虚拟环境中。

随着计算机图形学的发展，计算机的画面可以做到以假乱真的地步，诸多电影特效就是电脑合成的。

这种沉浸感不仅可以是感官上的，而且可以是心理上的。

虚拟现实暴露疗法的使用就属于上述的情况。

（3）多感知性
多感知性说的是应用于虚拟现实的感觉多种多样。

除了常见的视觉感知之外，还有听觉感知、触觉感知等。

理想的虚拟现实技术应具备人所有的感知。

随着传感器技术水平的提高，今后将继续有更多和更好的设备。

（4）自主性
自主性指的是虚拟场景中对象根据物理定律运动[2]。

1.2.2虚拟现实的应用
虚拟现实技术已被应用在许多领域，如军事，医疗，教育和其他重要领域。

军事上，虚拟现实被应用于虚拟战地环境、军队的训练等方面。

虚拟战地是指在计算机上保存战场的信息，并通过一些可交互的设备，最终在输出设备上显示出虚拟的三维战地的环境。

在现实中，不是所有区域都适合实地训练，所以虚拟战地就可以展现遥远的地方，可供指挥员学习和检验。

军事训练也是一种新型的身临其境的虚拟现实应用，利用虚拟战场和虚拟装备，士兵可以不受场地的限制，在不同的场景和条件下进行训练。

此外，虚拟现实还被应用于武器装备的研发[3]。

医学上，虚拟现实主要应用于虚拟解剖和虚拟手术等。

数字人是一个虚拟仿真人体模型，包含可视人，物理人，生理人，智能人四个层次。

数字人计划是美国科学家联盟概括的一项结合生命科学和信息科学的计划。

中国已完成可视人的数据采集，正处于基础研究阶段。

建立数字人是虚拟现实在医学上的基础。

无论是虚拟手术，虚拟实验室，或者是虚拟解剖都是以此为基础的。

此外，虚拟现实还被用于康复系统。

美国研制出针对认知障碍的专用虚拟现实系统[4]。

在教育中，虚拟现实主要为桌面虚拟现实。

桌面虚拟现实的硬件设备为个人计算机，交互设备为鼠标或跟踪器等。

桌面虚拟现实在教育领域上的应用主要可以分为四种类型。

它们是虚拟现实漫游，虚拟现实操作，虚拟现实展示，虚拟现实游戏等。

（1）虚拟现实漫游是指虚拟现实场景的漫游。

虚拟现实漫游可分为两种：实景漫游和虚景漫游。

实景漫游强调真实，但交互性比较差。

虚景漫游的场景对象比较灵活，交互性
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比较好，但场景的构建比较复杂。

虚拟现实漫游突破了地理的限制，学生在任何一个有虚拟场景的个人电脑前就可以自由的漫游。

虚拟现实漫游的应用实例有虚拟校园，虚拟博物馆等。

虚拟校园把校园的场景转化为数字化的三维场景模型，并供用户浏览。

它直观地展示了校园的自然文化风貌。

成功的虚拟校园应具备以下特征：○1用户可自行选择地点和线路进行漫游，或者可以按预设的路线进行漫游。

○2用户可以进行一些简单的交互操作。

○3虚拟校园应具有一定的物理限制。

○4校园中的关键地点有语音或文字介绍。

○5用户可以进入课室自行学习，或进入实验室做实验。

（2）虚拟现实操作可分成演示和模拟两种类型。

演示即固定的操作，它可以让用户全方位的查看。

模拟允许用户与其交互，根据用户的操作有不同的反应。

它的主要应用为虚拟实验室。

虚拟实验室是指利用虚拟仪器仪表等设备代替真实的仪器等。

用户通过交互设备就可以操作虚拟实验。

学生可以随时随地的无限制的重做实验，大大降低了实验室的设备和维护等支出，而且可以杜绝一些实验事故的发生。

（3）虚拟现实展示主要对单个对象的全景展示。

它可以分为实物展示和虚物展示。

实物展示为能用肉眼看得到的物体。

实物展示的物体有各样的仪器装置等。

虚物展示指用肉眼看不到的物体。

虚物展示的物体如粒子，太空，器官等。

（4）虚拟现实游戏等指的是包含一定游戏乐趣和教育意义的虚拟现实软件等。

这类软件可以在一定程度上提高学生的兴趣[5]。

1.2.3国内外研究现状
虚拟现实在国内外研究如下：
在美国，美国国家航空航天局（NASA）Ames实验室研究一个叫“虚拟行星探索”的计划。

现在美国国家航空航天局开设了航空、卫星维护、空间站的虚拟现实训练系统，而且开放了全国均可使用虚拟现实教育系统。

乔治梅森大学研发出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。

北卡罗来纳大学以其研究虚拟现实技术而著名，它们主要研究外科手术仿真、建筑仿真等[6]。

在我国，虚拟现实技术的研究还远远落后于一些发达国家，但是近十年来，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，国家科委、国防科工委都已将虚拟现实技术的研究列为重点攻关项目。

国内许多研究机构和高校也都在进行虚拟现实的研究和应用，并取得了一些不错的研究成果[7]。

如北京航空航天大学计算机系虚拟现实与可视化新技术研究室集成的分布式虚拟环境DVENET(Distributed Virtual Environment NETwork)；清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究, 例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法；浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统等[8]。

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1.3人机交互与国内外研究现状
人机交互（Human Computer Interaction）是研究人和计算机之间相互作用的学科。

而用户界面是计算机与人类直接沟通的部分,是计算机系统的重要组成部分。

用户界面和人机交互既有联系，又有区别。

前者强调的是能可见的表面,后者是是看不见的核心成分。

日益发展的人机交互技术已使人类的生活产生了巨大的变化。

如现在大多数人用触屏操作电子设备代替了传统的按键操作。

人机交互无疑是信息时代的一项关键技术。

虚拟现实的人机交互强调的是真实。

真实表现在几个地方：画面逼真，交互设备与现实的相似，交互方式自然等。

1985年，McGreevy和Humphries发明了基于LCD的头戴式可视设备（Head Mount Display）。

这个HMD名字叫Eyephone，用特殊的棱镜系统，提供很宽的可视角度。

可是它有严重的缺点：糟糕的分辨率和是单色显示的。

发展到现在已经有非透视头盔和可透视头盔。

其中非透视头盔不能看到真实世界，可透视头盔可以看到真实世界。

头戴式可视设备利用位置跟踪器检测头部的方向和位置，然后虚拟现实系统计算生成虚拟场景。

洞穴式VR系统CA VE是一种基于投影的环绕屏幕的自动虚拟环境（Automatic Virtual Environment）。

CA VE系统可广泛应用于大规模数据可视化、各种大型的操纵模拟器以及CAD方面。

自从1992年在美国计算机协会绘图专业组（SIGGRAPH）展示会上最初亮相以来[9]，CA VE 受到诸多研究领域的瞩目，CA VE构成的VR模拟环境应用领域广泛。

最初的CA VE 系统是在SGI 高档图形工作站上完成实时立体图像的生成，系统的造价相当昂贵,近年来，随着计算机硬件以及计算机网络性能的提高,特别是图形加速卡渲染能力的不断增强，使得用基于联网PC 搭建的CA VE 系统成为可能。

浙江大学CAD &CG 实验室在PC 群上搭建了国内最早的一套经济型CA VE 系统[10-11]。

力反馈设备是最近的研究热点，由于力反馈设备能够根据虚拟实体的定义和用户行为的特殊性进行合理运动限定，最终实现真实的用户感知，而不需要用户进行判断。

因此通过它可以较完整的体现人与环境真实的对话。

通常力反馈设备的工作流程为:测量用户手指、手或手臂的运动并模拟其施力细节;计算手等对物体的作用力和物体对手等的反作用力;将反作用力施加到用户手指、手腕、手臂等肢体上。

三维交互技术则使用三维输入输出设备来完成交互任务，主要的技术难点是如何在三维空间中直接完成定位、拾取与勾画等交互操作。

从软件支撑环境上看，虚拟现实的人机交互软件功能模块通常是与硬件设备紧密联系的。

如何实时精确识别用户操纵并转换为虚拟世界的响应是最根本问题。

简单的实体迁移是比较简单的一种，较复杂的表现实体受挤压、提拉等操纵而产生的变形将是人机交互技术的发展趋势[12]。

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1.4本文的主要研究内容
本文分六章对虚拟铸造车间的建模和仿真交互设计进行介绍,，论文的结构如下：
第一章阐述课题的背景、虚拟现实和人机交互技术的概况以及本文主要研究内容。

第二章介绍软件平台与整体方案，软件平台包括建模软件、渲染软件和虚拟现实平台等。

第三章介绍了虚拟铸造设备的基本结构，并用SolidWorks进行建模，然后用3ds Max 进行材质的指定。

第四章介绍车间布局的构建，包括车间的大小，机器摆放的位置，建模车间内的其他物体如门、窗、四柱液压机，风扇，灯光，注意事项板等，并用3ds Max指定物体的材质和贴图。

第五章利用EON Studio对虚拟铸造车间进行交互设计，如车间的行走和漫游，包括自动漫游和手动漫游、实现了景物的简单交互如点击开门和靠近时开门，实现了设备的简单介绍，帮助同学们认识设备的基本原理。

第六章总结课题的过程和成果，以及对未来的展望。

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第二章课题软件平台与整体方案的确定
2.1工作任务分析
本文的目的是建立基于EON的的虚拟铸造车间。

为此，本文的任务有：
（1）通过查阅文献和实地考察，了解铸造设备的组成和工作原理。

（2）完成一台铸造设备包括合模系统、压射系统、机架等的建模；
（3）完成车间布局的构建，包括车间的大小，机器摆放的位置，建模车间内的其他物体如门、窗、四柱液压机，风扇，灯光，注意事项板等；
（4）完成车间内所有物体的材质和贴图指定，使他们在模拟时有逼真的效果；
（5）完成虚拟铸造车间的交互性设计。

2.2软件系统的选择
2.2.1虚拟现实开发平台的选择
不同的软件学习周期不同，入门与掌握的时间长短不一，选择合适的软件可以提高效率，减少时间的浪费。

目前，虚拟现实技术的开发平台大致可分为以下三种：（1）利用底层图形库和高级编程结合进行开发。

底层图形库比如说OpenGL（Open Graphics Library）和DirectX。

OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。

IRIS GL是一个工业标准的3D图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是SGI
公司便在IRIS GL的基础上开发了OpenGL。

在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。

由于OpenGL支持硬件扩展和平台无关，许多工作站和高端软件都是采用这种接口实现。

但由于底层图形库是没有窗口系统，使用起来十分不便。

需要学习很多的计算机知识才能熟练应用。

（2）利用计算机辅助设计的二次开发。

如今，很多计算机辅助设计都自带二次开发的功能。

但是利用计算机辅助设计软件进行虚拟现实仿真存在以下不足，三维对象在CAD软件中的渲染速度比较慢，原因在于在CAD软件中它们是以特征存在的，而在虚拟现实软件中是以三角面片的形式存在的。

而且在CAD软件中不具备专门的虚拟现实交互设备，这就延长了开发时间，也不利于充分实现虚拟现实的沉浸性。

（3）专门的虚拟现实软件。

专门的虚拟现实软件集成了常见虚拟现实交互设备的接口，可使用户无需了解底层就可以制作虚拟现实场景。

而且，专门的虚拟现实软件通常是可视化的操作和有良好的渲染引擎，用户可以快速入门。

因为时间有限，本课题不适合用第一种方案来开发。

为了体现虚拟场景的真实性和保
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持我校虚拟现实实验室的开发平台的一致性，本文在采用第三种来实现。

目前常见的虚拟现实软件有Viewpoint、Unity3D、VRML、EON Studio等。

Viewpoint Scene Builder是一个用来编辑Viewpoint场景内容的应用程序。

Viewpoint技术是由美国Viewpoint 公司提出的一种虚拟现实技术。

它基于XML语言架构，生成的文件小，适合在因特网中可以再现虚拟场景，缺点是只适合做小型虚拟现实系统。

Unity3D是一个游戏开发平台，但也有用于虚拟现实场景的开发[13-15]。

它引擎采用了和专业的Web3D引擎相同的架构方式，可以发布为网页的形式，具有跨平台的特点。

但Unity3D始终是游戏开发工具，不适合做复杂的虚拟场景交互。

VRML（Virtual Reality Modeling Language，虚拟现实建模语言）面向对象的三维造型的一种解释性语言。

VRML97通过原型定义、路由、JavaScript和一系列的传感器节点完成动画和交互。

许多三维软件都支持导入或导出为VRML。

但是VRML是一种ASCII码格式的文本文档，对于实现复杂功能操作和修改比较不便。

EON Studio是美国EON Reality开发的一套完全基于图形界面的虚拟现实开发工具。

利用它，人们可以开发用于销售、培训、教育和虚拟现实场景漫游的实时沉浸式电脑程序。

EON Studio具有很多优点：
（1）易用性。

采用了智能的图形界面操作方式，可以兼顾专业开发者和非专业开发者开发不同虚拟现实技术功能的需要。

（2）良好的移植性。

可以轻易地导入绝大多数格式的CAD文件，如3ds、VRML或其他CAD文件格式，并转化为EON Studio对象。

（3）良好的扩展性。

EON Studio能够识别许多常见虚拟现实交互设备并无缝集成，例如头戴显示器，数据手套，立体投影仪，力反馈设备。

（4）良好的可发布性。

EON发布向导能使开发人员很轻松的发布EON应用程序到网上。

EON发布向导也提供了典型的模板来供用户参考。

由于EON Studio具有以上优点，结合实验室的实际情况和课题需求，本文选择的是EON Professional 5.5。

EON Professional界面如图2-1所示。

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图2-1 EON界面
节点元件窗口（Components Window）：用列表列出了模拟场景中所有要用到的节点和元件，包括图标和名称。

属性栏（Property Bar）：用于快速的修改节点和元件的属性。

逻辑线路窗口（Route Window）：可以拖动连接节点或元件。

并定义节点或元件之间输入输出的事件。

模拟树窗口（Simulation Tree Window）：模拟程序按一定的层次结构以树状方式显示所有节点。

蝴蝶窗口（Butterfly Window）：用来显示目标节点或元件的所有逻辑连接信息。

被选中的节点被放置于蝴蝶窗口的中间。

所有与其连接的节点置于其两侧。

在蝴蝶窗口中可以轻松的追踪节点间的连线情况，和所有与节点连接的输入输出事件。

日志窗口（Log Window）：显示了当前EON日志信息，主要用于调试程序。

因为专门的虚拟现实软件建模能力弱，渲染能力也较弱。

所以本文还选择其他软件如CAD软件和渲染软件等。

2.2.2CAD软件的选择
本文研究的方向是虚拟现实，所以CAD软件选择的是三维CAD软件。

常见的三维CAD 软件有Pro/Engineer，CATIA，SolidWorks等。

Pro/Engineer是美国PTC（Parametric Technology Corporation）的三维CAD软件，该软件是第一个运用“参数化设计”、“基于特征的实体造型”思想的三维设计软件。

但
Pro/Engineer界面复杂，缺少像SolidWorks一样的自动检查草图错误的功能，而且改图时不太方便。

CATIA是由法国达索系统（Dassault Systemes S.A.）公司开发的三维CAD设计软件。

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CATIA有出色的曲面建模能力，它被广泛应用在航空工业和汽车工业，美国波音公司的波音777飞机就是用CATIA开发的。

但CATIA不易上手，学习难度大。

SolidWorks是一套Windows平台下的CAD/CAE软件。

SolidWorks率先推出可以回滚特征的功能，另外可以改变特征的顺序[16]。

它既提供自底向上的装配方法，同时还提供自顶向下的装配方法。

自底向上就是传统的做法，先做出零部件，再装配到一起。

自顶向下的先进行总体设计，再进行零部件设计。

具有较好的开发性接口和功能扩充性。

能轻松实现各种CAD 软件之间的数据转换传送。

SolidWorks全面采用非全约束的特征建模技术，其设计过程全相关性，可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变[17]。

由于铸造设备都可以用实体建模，所以本文选择简单易用的SolidWorks进行建模。

2.2.3渲染软件的选择
常见的渲染软件有Maya和3ds Max等。

Maya是Autodesk的高端三维计算机图形软件，被广泛用于电影、电视、广告、游戏等的数码特效创作。

Maya上手难，学习周期长。

3ds Max（原名：3D Studio Max），是Autodesk传媒娱乐部开发的全功能的三维计算机图形软件。

它运行在Win32和Win64平台上。

它有以下特点：
基于PC系统的低配置要求；人性化的界面设计，入门简单快捷；安装插件可提供3D Studio Max所没有的功能以及增强原本的功能；强大的角色（Character）动画制作能力；可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。

[18]
由于Maya主要面向特效和动画，而3ds Max主要面向建筑及室内设计等，另外3ds Max 有丰富的插件，所以本文选择3ds Max作为渲染软件。

综上综述，软件的详细信息如下：
操作系统：Windows XP Professional SP3
虚拟现实开发平台：EON Professional 5.5(built on EON Studio 5.0)
CAD软件：SolidWorks 2012、3ds Max 8.0
虚拟现实查看器：EON Viewer 5.5
2.3整体方案的确定
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图2-2 方案流程图
（1）实地考察铸造车间的位置，布局，记录铸造设备的外观。

通过查阅文献了解铸造设备的主要生产流程。

（2）用SolidWorks软件进行铸造设备的三维建模和完成铸造车间环境的搭建，并装配。

导出为VRML文件；
（3）在3ds Max中导入VRML文件，在3ds Max中添加适当的门窗树等周围环境，选择合适的材质，设置合适的灯光，进行渲染，利用EON Raptor插件导出为*.eoz；
（4）用EON Studio打开*.eoz文件，对显示有问题的部分进行改进，并进行铸造设备的交互性设计。

2.4本章小结
本章从要达到的效果出发，选择了适当的软件平台，然后从常用的软件中选择CAD软件、渲染软件、虚拟现实开发平台等，并比较了了常见CAD软件、渲染软件、虚拟现实开发平台，选定SolidWorks，3ds Max，EON Studio等软件，最后给出整体方案的确定。

第三章虚拟铸造设备的建模
3.1压铸设备的总体概况
压铸设备主要由成形系统和辅助装置以及控制系统三部分组成。

其中成形系统是挤压铸造设备的主体部分，也是最关键的部分，包括合型系统、压射系统及机架三部分。

本课题参考学校的250T铝合金间接挤压铸造设备，进行测绘和建模。

3.2卧式冷室压铸设备
3.2.1合型系统
开合型机构就是开合型及锁模机构。

锁模力就是推动动模座板移动并锁紧模具的力，也称合型力。

开合型机构的基本上包括机械式、液压式和液压机械式三大类。

1.定模座板；
2.拉杆；
3.动模座板；
4.顶出机构；
5.曲肘机构；
6.后座板；
7.合模油缸
图3-1 铸造设备合型系统
双曲轴开合型机构是一种常见的技术简单的开合型机构，如图3-1所示，该机构包含三个座板，它们分别是定模座板1、动模座板3和后座板6，他们用四根拉杆连接起来。

该机构包含两组曲轴，一般是上下对称放置。

合型液压缸中的活塞带动曲轴机构运动，从而使动模座板前后运动。

图3-2为合型系统的三维模型图。