液壓萬能試驗機的虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)

楊 光

（集美大學機械工程學院，福建 廈門 361021）

在機械領(lǐng)域，虛擬設(shè)計的工業(yè)應(yīng)用主要以產(chǎn)品設(shè)計為對象，實現(xiàn)虛擬樣機、虛擬裝配、動態(tài)仿真、網(wǎng)絡(luò)交互等功能。虛擬設(shè)計可以表現(xiàn)產(chǎn)品的外觀以及動態(tài)過程的仿真，如機器工作原理的虛擬表達、虛擬裝配過程或虛擬操作，或者是工業(yè)過程的虛擬體現(xiàn)等。這些過程，均為設(shè)計人員進行合理和優(yōu)化設(shè)計提供了重要的參考，代替小試甚至中試過程，同樣為產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了大量的時間、人力、物力和財力[1-6]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的液壓萬能試驗機虛擬實驗環(huán)境，人與環(huán)境互相交流，可以模擬真實的試驗過程，通過信息反饋，還可以從中獲得有關(guān)試驗的一些啟示，從而熟悉整臺設(shè)備結(jié)構(gòu)以及試驗過程。

建筑與影視作品的虛擬現(xiàn)實建模多依賴于3ds max和Maya，機械行業(yè)產(chǎn)品建模要求嚴格的尺寸、形狀和裝配關(guān)系。CAXA軟件包括特征造型、曲面造型、實體造型在內(nèi)的多種造型方法，同時提供了自頂向下和自底向上的裝配設(shè)計方法。CAXA軟件同時提供了VRML軟件的數(shù)據(jù)接口。液壓萬能試驗機的虛擬現(xiàn)實，首先通過CAXA軟件完成工業(yè)產(chǎn)品造型和靜態(tài)裝配模型，然后結(jié)合VRML和Javascript技術(shù)，完成動態(tài)裝配、試驗過程的實現(xiàn)、試樣力學性能仿真和零件信息提取等方面的內(nèi)容。

1 液壓萬能試驗機靜態(tài)模型的建立

液壓萬能試驗機靜態(tài)裝配模型在 CAXA軟件中完成。首先，在CAXA軟件中逐個建立液壓萬能試驗機系統(tǒng)零件模型，包括機體、下滑塊、按鈕1、按鈕2、按鈕3、螺桿1、螺桿2和表盤等。然后，將所有零件按照組件裝配，最后裝配成完整的液壓萬能試驗機。

接下來，將CAXA的ics格式的文件導出為VRML V2.0版的wrl格式文件，然后在VRML文件編輯器VrmlPad中讀入wrl文件，再對此對象進行場景渲染或者動畫制作等。但是，對于比較復雜的裝配文件，如果將裝配的ics文件作為整體導出為wrl格式，會導致在虛擬現(xiàn)實編輯軟件中文件過大，帶來對組件和零件的操作不方便等一系列麻煩。一般的處理方法是：在CAXA軟件中的裝配狀態(tài)下，每次導出一個零件，其余零件隱藏掉，這樣重復操作至導出每一個零件；然后建立一個新的wrl格式文件，利用Inline命令將所有零件的wrl文件聯(lián)系起來[3]，此時，不用做調(diào)整，就可以保證各個零件的相對位置的正確性，圖1為部分零部件的Inline命令和轉(zhuǎn)換后液壓萬能試驗機裝配體的虛擬現(xiàn)實模型。

圖1 Inline命令和轉(zhuǎn)換后的液壓萬能試驗機虛擬現(xiàn)實模型

2 液壓萬能試驗機工作過程的虛擬現(xiàn)實

液壓萬能試驗機的虛擬工作過程包括機體動畫設(shè)置和材料力學性能試驗仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 VRML動畫實現(xiàn)

VRML通過時間傳感器（TimeSensor）和插補器（Interpolator）以及路由（ROUTE）語句來實現(xiàn)關(guān)鍵動畫[3]。基本過程為時間傳感器給出控制動畫效果的時鐘，這個時鐘包括動畫的開始時間、停止時間、時間間隔和是否循環(huán)等參數(shù)，此時鐘信息輸出到插補器節(jié)點，插補器節(jié)點定義了關(guān)鍵點和關(guān)鍵數(shù)值，VRML根據(jù)插補器節(jié)點的設(shè)置進行關(guān)鍵點外區(qū)域的線性插值，完成勻變速動畫過程。如果需要變速動畫過程或者復雜動畫過程，需要結(jié)合腳本語言 Javascript來實現(xiàn)：時間傳感器的輸出可以控制插補器和 Javascript的輸入，而插補器和 Javascript的輸出又可以控制零件的移動和旋轉(zhuǎn)等動作。對于液壓萬能試驗機，在對相應(yīng)按鈕設(shè)置觸發(fā)傳感器之后，時間傳感器開始作用，此時，表盤指針指示壓力的變化，兩個螺桿旋轉(zhuǎn)，同時，下滑塊移動，實現(xiàn)拉伸或者壓縮試樣的運動。

圖2為實現(xiàn)兩個螺桿旋轉(zhuǎn)和下滑塊移動的動畫路由，包括時間傳感器、位置插補器和朝向插補器的設(shè)置。

圖2 動畫路由

2.2 材料力學性能試驗仿真的關(guān)鍵技術(shù)

材料力學性能試驗仿真的關(guān)鍵技術(shù)包括試樣變形和應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真等方面的內(nèi)容。

2.2.1 試樣變形的實現(xiàn)

此處以壓縮塑性材料為例，試樣變形通過開關(guān)節(jié)點和腳本實現(xiàn)，在開關(guān)節(jié)點中內(nèi)聯(lián)試樣變形的關(guān)鍵狀態(tài)文件。其中，腳本語句和路由語句如下：

DEF cpu Script {

eventIn SFFloat curfra

eventOut SFInt32 outCho

url "javascript:

// Handler for event curfra of type SFFloat.

function curfra (value, timestamp)

{ print(curfra);

outCho=curfra*20/2.5;

}" }

ROUTE cpu.outCho TO swit.set_whichChoice

ROUTE tims.fraction_changed TO cpu.curfra

ROUTE touch.touchTime TO tims.startTime

在瀏覽器中，點擊按鈕1后，表針開始旋轉(zhuǎn)，螺桿開始旋轉(zhuǎn)，下滑塊下滑，下滑塊的壓頭接觸工件之后，隨著壓力增加，塑性材料試樣經(jīng)過彈性變形階段和屈服階段直至被壓扁。

2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真技術(shù)

液壓萬能試驗機在仿真測試材料性能時，同時可以輸出應(yīng)力應(yīng)變曲線，這樣使得材料力學性能更加一目了然。應(yīng)力應(yīng)變曲線仿真技術(shù)和試樣變形技術(shù)一樣，通過開關(guān)節(jié)點和腳本實現(xiàn)。圖3為塑性材料試樣變形及與其對照的應(yīng)力應(yīng)變曲線的虛擬現(xiàn)實。

圖3 試樣變形及應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.3 聲音添加

VRML所播放的聲音有自己的聲源，它模擬現(xiàn)實中的3D聲音傳播方式，給人現(xiàn)實中的聽覺感受。為了達到虛擬工作過程的逼真效果，具體做法是，首先錄制液壓萬能試驗機各種動作的現(xiàn)場聲音，然后進行剪裁和分段處理，通過聲音節(jié)點給 VRML世界添加合適的聲音，實現(xiàn)過程如下：

Sound {

source DEF sou AudioClip {url "test.wav"

loop FALSE}

location 0 0 0

direction 1 0 0

maxBack 100000

maxFront 100000

minBack 1

minFront 1

intensity 1}

2.2.4 信息提取

利用VRML中的Anchor節(jié)點可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實中的裝配零件信息的獲取[4]。比如，要想提取試樣的材料信息并超鏈接到試樣文件，具體實現(xiàn)語句為：

Anchor { url" shiyang1a.wrl"

description "HT200 D=2mm L=2mm "

children [DEF shiyang1a Transform {…} ]}

圖4為試樣材料信息的提取結(jié)果，當鼠標放在試樣上時，出現(xiàn)“HT200 D=2mm L=2mm”字樣，單擊鼠標，VRML空間轉(zhuǎn)換到試樣文件形成的環(huán)境空間，如圖5所示，在此，可以單獨瀏覽試樣零件。

圖4 試樣信息提取

圖5 試樣超鏈接

3 結(jié) 論

利用VRNML、Javascript技術(shù)與 CAXA的協(xié)同設(shè)計，能夠很好地完成具有交互功能的萬能試驗機的虛擬試驗過程，在不消耗實材的情況下，可以反復觀察試驗現(xiàn)象，其具體解決技術(shù)應(yīng)用于工程機械的虛擬現(xiàn)實具有普遍意義。

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[5]張翠敏, 王菁華, 董翠英. 應(yīng)用OpenGL實現(xiàn)鋼坯溫度場的虛擬現(xiàn)實可視化[J]. 機床與液壓, 2008, 36(2):157-159.

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