基于VRML 的移動模架造橋機的動態模擬

2010-01-01 01:45:46馮桂珍王大鳴池建斌王詠梅

圖學學報 2010年2期

關鍵詞：模型

馮桂珍，王大鳴，池建斌，王詠梅

（石家莊鐵道學院機械工程分院，河北石家莊 050043）

以某移動模架造橋機為研究對象，該造橋機是針對鐵路客運專線雙線整孔橋梁施工而設計，為上行式結構，主要由主梁、下導梁、懸臂梁、系統掛架、主梁支腿、懸臂梁支腿、跨內小車、懸臂梁小車、電氣液壓系統及輔助設施等部分組成。滿足32m 梁且兼顧24m 梁的預制施工，與架橋機相比，它是將制梁、運梁、架梁等工作合為一體的施工機械，具有節省制梁設備及場地投資，不需要運梁設備、提升機和架橋機，對路基和橋梁上部結構無任何影響等特點，但施工效率相對較低。

與一般機械產品相比，造橋機具有研制周期長、資金投入大等特點。因此，在設計的前期對其進行動態模擬是很有其理論和實際意義的。同時，便于引入課堂教學當中。虛擬實現模型語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種基于網絡的三維場景描述性語言，具有動態性、交互性、低帶寬網絡傳輸等優點，將圖、文、聲、色及動態性等信息集于一體，建立具有交互性和導航功能的三維虛擬場景[1-2]。鑒于此，論文采用VRML 對該造橋機的組裝及施工工藝進行了動態模擬。整個設計過程主要包括建模、動態性實現及VRML 場景優化等。其中，建模采用AutoCAD 的三維建模與編輯功能完成各零部件的創建，動態性通過虛擬現實模型語言VRML實現，AutoCAD 模型和VRML 文件之間的轉換通過3DMax 實現。整個模擬過程具有動態性、交互性、基于低帶寬網絡傳輸等特性，可以上傳到互連網上，供瀏覽者任意觀看和交互操作，加深瀏覽者對此類大型工程機械的認識和了解。

1 虛擬模型的創建

VRML 模型的創建一般有以下幾種方式：

（1）文本編輯目前比較好的VRML 編輯器如Parallel Graphics 公司的VrmlPad，但編程不直觀，不適合復雜場景的構建。

（2）可視化編輯工具如Parallel Graphics公司ISB、ISA、ICA，分別用于模型的創建、場景的布局和人物動畫，Silicon Graphics 公司的Cosmo World 等，但這些工具不便于構建復雜場景。另外，針對VRML 在造型方面的不足，筆者在對VRML 研究的基礎上，利用VC 與OpenGL開發了一個VRML 可視化編輯工具[3-4]。

（3）其它軟件的支持目前支持VRML格式的三維軟件有 3DMax、Pro/E、UG、SolidWorks 等，這種方式可以構建復雜模型，且效率較高。

根據VRML 模型三種創建方式的各自特點，移動模架造橋機屬于結構龐大而且復雜的工程機械產品，為提高建模效率，采用第三種方式創建，利用AutoCAD 完成三維模型，然后通過3DMax 轉換為VRML 格式文件。

根據零部分圖紙，采用AutoCAD 進行三維模型的創建、部件的裝配。然后利用3DMax 作為格式轉化工具，完成AutoCAD 模型到VRML虛擬模型的轉換。二者之間可通過三種文件格式數據的轉換，即.dwg、.dxf、.3ds。這三種格式的主要差別是：

· .dwg 是AutoCAD 的基本格式，在交換時不轉換材質或貼圖信息，但在轉換中保持幾何體的參數化性質。

· .dxf 是AutoCAD 的文本文件格式，在交換時提供最直接的方法，將CAD 模型轉換為3DSMax 的網格對象。

· .3ds 是DOS 環境中3DS 的文件格式，是當前唯一能與AutoCAD 互相轉換材質和貼圖的方法。

為了保持 CAD 模型的幾何精度，提高VRML 模型的渲染效果，采用第一種方法，即直接利用3DMax 讀入dwg 文件，可通過圖層（Layer）、顏色（Color）和實體（Entity）三種不同的方式導入，采用圖層導入比較方便。在CAD 中將不同的零件設置在不同的圖層，以便于形成相應的虛擬模型零件，為動態性和交互性做準備。

導入到3DMax 中后，對零部件進行材質和貼圖設置，以增強真實感。然后導出為VRML2.0格式文件（后綴為wrl），到此，模型創建完畢。圖1～圖4 是部分部件的VRML 模型。

圖1 主梁輔助支腿

圖2 主梁前支腿

圖3 下導梁前支腿

圖4 下導梁后支腿

2 動態性和交互性的實現

VRML 2.0 創建的虛擬場景不再是靜態的，而是具有交互功能的動態境界。瀏覽者不再是一個被動的信息接受者，而是通過鼠標等輸入設備交互地操作虛擬場景中的對象，如動態地增減虛擬對象、改變對象的材質、空間方位等。

VRML 中的交互行為是通過事件體系實現的。產生事件的方法通常有兩種：

（1）靜態行為觸發直接利用VRML 中的各種傳感器節點、插值器節點實現簡單的動畫和交互行為，不具有邏輯控制能力。

（2）動態行為觸發利用腳本節點Script節點編程，使用一段程序邏輯來控制事件的產生。由于程序邏輯的隨意性和可擴充性，從而具有了更大的空間，可以實現復雜動態性和交互性。

Script 節點是與外部程序相連的接口。該節點主要包括四部分：url 域、field 域、eventIn 事件和eventOut 事件（見圖5）。Script 通過接受eventIn 事件調用相應的處理過程函數，經過程處理后得出的數據作為eventOut 事件發送出去，其中eventIn 事件的值可以作為過程函數的因變量值，如果需要則用field 域定義某個中間變量。處理過程函數可以使用VRML 瀏覽器支持的程序語言編寫，通常有Java、JavaScript。

圖5 動態行為

由于造橋機的拆裝和施工工藝過程必須符合一定的邏輯關系，靜態行為無法實現，需采用動態行為。下面通過施工工序闡述動態交互過程的實現。該造橋機的施工作業主要工序有：

（1）準備吊移下導梁工序主機拼裝完畢后，將主機前移到首跨位置，此時主梁前支腿支撐于橋墩墊石上，跨內小車吊起下導梁，準備前移下導梁，同時懸臂梁小車回到懸臂梁根部，準備輔助下導梁前移。

（2）進入制梁前工序下導梁前移到下一跨位置，用墊塊將其前支腿支撐于橋墩上，將其后支腿支撐于橋臺上：合攏外掛架，編底腹板鋼筋籠，吊入內模，編頂板鋼筋籠，放下吊桿，調整標高，裝端模。

（3）制梁工序完成澆注混凝土、搗固、養護、拆端模、脫側模，并初張拉、脫底模。

（4）過跨到下一位工序起動液壓系統，在油缸配合下解開外掛架中部聯接，張開外掛架；去掉主梁前支腿墊塊，輔助支腿落在下導梁上，準備主機前移；當制梁完成后，主機前移到下一跨的位置；重復以上工序，可以完成制梁全程。

圖6～圖9 演示造橋機的施工過程，整個模擬過程具有動態性、交互性和邏輯控制性，符合實際的工藝要求。具體實現是，在腳本程序中用一個整型變量step 控制每一步的施工過程。同時，在施工工藝過程中，為了呈現最佳觀察方位，程序實現了視點自動切換。視點自動切換是通過預設視點列表，在需要切換視點時，將視點列表中的相應視點綁定為當前視點，即設置其輸入接口set_bind 為true。以下是工藝過程邏輯控制的程序段代碼：