基于VRML的船用柴油机虚拟装配仿真

( 发 光白 色 ) 确定, 或 由 Mat erial 节点 的 emis siveCo lor 域值 指定。在使用 M at erial 节 点的情 况下, 由 于 系 统 默 认 的 em issiv eColo r 额 色 与 VRM L 背景的默认领色均为黑色, 因此在不使用 Color 节点指定任何特殊 颜色的情况下, 用户将 无法 看 见由 P oinSet 节点 创 建的 空 间 点造 型。 Color 域值省为 NU LL , 表示空, 即不进行空间点 造型单独着色。
Co lor 节点语法格式如下: Co lor { Co lor[ ] # exposedField MF co lor } 使用 VRM L 节点直接创建柴油机零件同时, 利用可输出 V RM L 文件格式的 3D 造型软件具 有的强大的三维实体造型功能, 例如 P ro/ ENGI NEER 和 CAD. 在建造柴油机零件实际应用中, 将上述两种方法结合起来, 从而实现优势互补, 方 便实现了柴油机零件的三维模型化. 图 4、图 5 为 基于 VRML 建立的柴油机虚拟装配模型.
示[ 2] , 它的基本原理包括文本描述、远程传输和本 地计算生成。VRM L 描述的虚拟场景由多种场 景对象构成, 对象及其属性用节点( node) 描述, 节 点按照一定规则构成场景图( SceneGraph) , 场景 图中的一类节点用于 从视觉和听觉 角度表现对 象, 它们按照层次体系组织起来, 反映了场景的空 间结构; 另一类节点参与事件产生和路由机制, 形 成路由图( Rout eGraph) , 确定场景随时间的推移 如何动态变化. 因此, VRM L 是以节点和事件路 由为基本组成要素, 来描述三维对象和交互行为, 经过浏览器解释执行后, 用户就可感受到一个有 声有色的虚拟世界。[ 3]
5 易际明, 杨靖, 张亮峰. 虚拟样机技术在 SL1126 内燃机设计中 的应用研究[ J] . 计算机辅助设计与图形学学 报, 2004, 16( 7 ) : 1017- 1019.
6 何援军, 曹金勇, 李强, 等. 基于参数化的自动装配 设计[ J] . 计 算机辅助设计与图形学学报, 2001, 13( 11) : 1008- 1011.
图 4 燃油泵滚轮 导筒虚拟装配模型
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武汉船舶职业技术学院学报 2010 年第 4 期
图 5 凸轮轴飞轮虚 拟装配模型
3 基于 V RM L 的柴油机虚拟装配 仿真
对装配关系的定义作简化和抽象处理, 将所 有零件之间的装配关系都分解为零件之间两两装 配关系的组合, 任何装配任务中若干零件之间的 装配关系都可以最终分解为这些零件中两两装配 关系的组合。现有的虚拟装配程序就是运行在一 台普通 PC 机上的, 要求该平台必须具有高度的 可用性, 要能够满足用户的切实需要, 因此系统的 设计中仔细的考虑了人机接口的设计[ 5] 。此外, 虚拟装配仿真程序具有高的交互性。
图 6 曲轴虚拟装配模型
图 7 柴油机总 装虚拟装配模型
基于 VRM L 的船用柴油机虚拟装配仿真* 张海霞, 等
4结语
装配仿真就是在计算机上模拟产品的实际装 配过程, 直观展示产品的装配过程和装配的方法。 虚拟装配仿真通过计算机对产品装配过程和装配 结果进行分析和仿真, 评价和预测产品模型, 做出 与装配相关的工程决策[ 6] , 不需要实际产品作支 持, 不干扰实际生产系统, 可以利用计算机的快速 运算能力, 用很短时间模拟实际生产中需要很长 时间的生产周期, 因此可以缩短决策时间, 避免资 金、人力和时间的浪费. 计算机还可以重复仿真, 优化实施方案。并可以更充分地利用人的装配经 验、发挥人的创造性, 提高柴油机的装配效率, 保 证柴油机的装配质量, 缩短开发周期. 为此, 研究 开发柴油机虚拟装配系统以提高发动机的装配效
近年来随着计算机图形学、计算机辅助设计 ( CAD) 理论的发展, 虚拟现实( VRML ) 技术为柴 油机装配开发技术提供了更高的人机交互手段[ 1] 基于 VRML 的虚拟装配模型是产品设计过程中 数据管理的核心, 给产品开发和设计提供了强有 力工具。基于 VRM L 的虚拟装配实质上就是在 各种几何约束条件及工艺约束条件的制约下, 求 解出满足各种约束条件、性能优良的装配顺序; 采 用装配干涉检验技术, 对产品的装配干涉进行分 析, 可以在设计阶段进行验证, 确保设计的正确 性, 避免损失。基于 VRM L 的装配仿真在计算机 上模拟产品的实际装配过程, 直观展示产品的装 配过程和装配方法, 提高装配的工作效率和工作 质量, 降低装配成本, 提高装配的自动化程度。
PoinSet 节点语法格式如下: PoinSet {
coo rd NUL L # ex posedF ield SF Node colo r NU L L # ex posedF ield SFNo de } PoinSet 节点中的 coor d 域用来设置空间点 造型的位置坐标, 其域值为 co ordinat e 坐标节点. coo rd 域值缺省为 NUL L , 表示空, 即不创建任何 空间点造型. coo rdinat e 节点语法格式如下: Co ordinat e {
3. 2 碰撞检测的问题 所谓碰撞干涉, 就是在某一时刻, 空间中的几
个物体, 存在一对或多对物体所占据的空间发生 重叠或者出现临界点重叠。在船用柴油机虚拟装 配中, 通过建立模型节点和 Script 节点之间的路 由来进行碰撞响应, 当装配的零部件模型运行到 发生碰撞的位置后就不能继续前进了, 可以添加 Sound 声音节点, 动态地在发生碰撞的位置产生
3 [ 美] W illiam R. S herm an A lan B. Craig. 魏迎梅, 杨冰等译. 虚 拟现实系统: 接口、应用 与设计 [ M ] . 北京: 电子工 业出版 社, 2004.
4 崔志琴, 景银萍. 军用柴油机曲轴的动态仿真研究 [ J] . 内燃 机 工程, 2005, 26( 1) : 48~ 50.
1 VRM L 简介
虚 拟 建 模 语 言 VRM L ( V ir tual Reality Mo deling Language) 是最近几年才兴起的一门新 型语言, 图 1 为 VRM L 技术的 3 个主要特征, 它 可以通过创建一个虚 拟场景而达到 现实中的效 果. VRML 支持三维动画, 其实时交互功能大大 克服了原来互联网上单调和交互性较差的弱点, 从而创建了一个全新的可进入和可参与的三维立 体虚拟现实世界。
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声音, 使之更加具有真实感。同时还可弹出一个 消息框, 利用多媒体技术来告诉用户发生了碰撞, 给出碰撞物体发出碰撞的接触点所在的位置信息 等。 3. 3 确定装配关系
在计算机构造的虚拟环境中, 对零件之间复 杂的装配关系做出形式化的定义是一件非常困难 的工作, 因为零件之间的关系非常复杂, 有许多不 同的参数来制约, 而且对三维空间的运动描述和 定义也难以形式化。在考察了一般装配操作的共 性后, 对装配关系的定义作了简化和抽象的处理, 将零件之间的装配关系抽象为零件之间两两装配 关系的组合, 任何装配任务中若干零件之间的装 配关系都可以被最终分解为这些零件中两两装配 关系的组合; 其次, 简化定义零件为刚体, 柔性零 件( 如弹簧等) , 则不在我们的考虑之列, 这不仅避 免了许多 特殊 情况从而简化了数 据结构的设 计, 而且也符合大部分装配任务的需求。同时, 还 要结合碰撞 检测, 当装配到位时, 就不能继续移 动, 这时就通过消息对话框告诉用户已装配到位。 图 6、图 7 为柴油机虚拟装配模型。
率, 保证发动机的装配质量, 缩短开发周期, 在现 阶段有着十分重要的意义。
参考文献
1 李长山, 刘晓明, 朱 丽萍, 等. 虚拟 现实技 术及 其应用 [ M] . 北 京: 石油工业出版社, 2006.
2 段新昱. 虚拟现实基础与 VRML 编程[ M] . 北京: 高等教育 出 版社, 2004.
船海工程
武汉船舶职业技术学院学报 2010 年第 4 期
基于 VRML 的船用柴油机虚拟装配仿真*
张海霞 李奉香 黄 政 ( 武汉船舶职业技术学院动力工程系, 湖北武汉 430050)
摘 要 装配是船用柴油机设计和制造的最终环节, 其装配的工作效率和工作质量直接影响船 用柴油机 的制造周期 和 最终质量。基于虚拟样机技术 V RM L 及其支撑软件 CA D 和 Pro / E, 实现了船用柴油机的虚拟装配 仿真, 获取了虚拟 装 配仿真评价和预测, 这为实际生产中船用柴油 机装配的方案优化提供了依据。 关键词 船用柴油机; 虚拟装配; 仿真 中图分类号 U 664. 121 文献标志码 A 文章编号 1671- 8100( 2010) 04- 0020- 04
VRM L 是一种描述 语言标准, 规定 了用来 描述三维场景的文本描述语言, 其组成如图 2 所
* 湖北省教育厅重点科研课题成果( B20085031) 收稿日期: 2010- 04- 22 作者简介: 张海霞, 女, 讲师, 主要从事船舶内燃机、CA D 研究。
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图 1 V RM L 技术的 3 个主要特征
图 2 虚拟现 实系统的组成
基于 VRM L 的船用柴油机虚拟装配仿真* 张海霞, 等
2 基于 V RM L 的柴油机虚拟装配 模型的建立
船用柴油机零件不仅数量众多, 而且结构都 较为复杂。而对于任意复杂的物体造型, 均可使 用 VRM L 提供的通过长方体节点( Box ) 、圆柱体 节点( Cylinder) 、圆锥体节点 ( Cone) 等基本建模 方法, 以 及几 何点( P oint Set ) 、几 何线 ( Index ed Line Set) 、几何面节点( Index ed F ace Set) 和工业 挤出造型节点( Ex tr usion) 等高级空间造型方法 来实现。船用柴油机零件的创建最常用的 Point Set 、Index eL ineSet、IndexedF aceSet 以 及 EIeva t ionGrid、Ex t usio n 节点作为 Shape 造型节点 ge o metr y 域值加以创建[ 4] 。V RM L 中的点造型是 置于 VRM L 空间场景中一个像素大小的空间点, 该空间点的位置由 VRM L 空间坐标系 X、Y、Z 三 维分量确定。使用 P oinSet 节 点可以 在 VRM L 场景中创建一个由离 散点集构造的 空间几何造 型。由 Point Set 节点创建 的点造型不受 系统默 认或人为设置光源的影响, 不能进行纹理渲染, 也 不能进行碰撞检测。