面向虛擬現實技術的風機裝配與風場模擬

王純祥 孫文磊 趙 群 萬曉靜 崔權維

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

虛擬現實(virtual reality，VR)是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的一種全新方式。與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現實在技術思想上有質的飛躍，它可以利用計算機生成虛擬環境，通過視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺等多種通道進行實時模擬和實時交互[1－2]。虛擬現實技術融合了計算機圖形學、數字圖像處理、人工智能、傳感器、多媒體技術、網絡以及并行技術等多個信息技術分支的最新發展成果，大大推進了計算機技術的發展，已被廣泛應用于軍事模擬、視景仿真、飛機汽車制造、科學可視化等領域[3]。因此，應用虛擬現實技術可以實現風機裝配與風場模擬相結合的3D風機場景虛擬現實系統的設計與開發。

1 風機場景虛擬現實系統設計

任何一個場景的虛擬現實系統設計都需要用到一些計算機圖形圖像和虛擬現實技術方面的軟件，而這方面的軟件種類繁多，不易掌握[4]。本設計采用UG與3D MAX等軟件結合，輔以Nvision虛擬交互平臺，構建了一個具有一定人機交互能力的3D風機場景的虛擬現實系統。

在3D風機場景虛擬現實系統開發中，首先設計系統的整體框架，畫出系統結構圖;其次是確定系統的主要功能，從而完成對整個虛擬現實系統的設計[5]。系統結構設計圖如圖1所示。

圖1 系統結構設計圖Fig.1 System structure design

2 風機場景關鍵的虛擬現實技術

伴隨著計算機技術的快速發展，虛擬現實技術也在各行各業得到推廣應用和發展[8]。而基于此理論開發出來的軟件也是種類繁多，層出不窮，如3D MAX、Maya、Quest3D、Multigen Creator、VEStudio等，這些軟件是實現虛擬現實系統必不可少的工具。在此主要介紹應用UG和3D MAX開發3D風機場景虛擬現實系統的一些基本設計原理和實用技術。

2.1 UG三維風機模型創建

三維風機模型是整個風場模擬系統的基礎，其精確度及零部件的裝配關系直接影響3D風機場景的畫面輸出質量和虛擬現實的交互性。而UG軟件是世界上先進的CAD/CAE/CAM集成技術的大型軟件，其功能強大，使用該軟件進行設計，能直觀、準確地反映零組件的形狀、裝配關系等。因此，搜集整理風機模型尺寸數據，選擇在UG中建立精確度高及裝配關系準確的風機模型。三維風機模型創建流程如圖2所示。

圖2 三維風機模型創建流程Fig.2 Flowchart of 3D fan model creation

2.1.1 風機零部件建模

通過對風機信息數據采集整理，獲得風能發電機組零部件的基本尺寸和幾何關系，然后在UG軟件中進行零部件建模。根據收集到的風機零部件和產品的加工順序確立風機模型各特征的順序，再選擇合適的建模方法創建規范的風能發電機組零部件模型。在建立零部件和產品三維實體模型時，應遵循下列基本原則和方法。

①保證滿足模型質量基本要求，即要保證模型的正確性、相關性、一致性、可編輯性和可靠性。

②在建模之前，應先作全局考慮，通過分析零件的結構特點，確定合理的建模順序和建模方法。建模順序是先搭建建模環境，確定工作坐標系位置，建立初始基準，然后創建模型的各個特征，各特征的建立順序應盡可能與零件的加工順序相一致。

③建模時應仔細檢查、核實零件尺寸，確保零件輪廓幾何關系明確，尺寸數據準確。

2.1.2 風機虛擬裝配

在建立了所有零件的三維模型后，需要將零件裝配起來。通過裝配可以發現零件尺寸及零件間關系是否正確，還可以進行其他操作。UG的裝配模塊采用了虛擬裝配技術，可以把各個零件和子裝配的信息關聯在一起，當零件修改時，裝配模型可以自動更新。

UG虛擬裝配設計有“自底向上”和“自頂向下”兩種建模方法完成產品的裝配建模和部件建模。在裝配建模中可以直接對組件進行創建和編輯工作，從而使產品的總體設計與詳細設計可同步和穿插進行，部件之間的幾何體對象可相互參照和引用，提高了設計效率和準確性。

風機虛擬裝配采用自底向上設計的方法。首先進入風機裝配模式，新建一個風機裝配部件，然后將其他已創建好的風機零件模型添加到裝配中，使其成為裝配部件的一個組件。在裝配過程中，可以建立約束關系，將風機零件一次性地加入到裝配組件中正確的位置;也可以采用重新定位方式，先將零件添加到參考點，然后再重新定位到正確位置。在進行風機虛擬裝配時，應遵循如下基本原則：①按零件的實際安裝順序進行裝配;②避免出現過約束和零件間交叉約束現象;③如果同一零件要裝到裝配部件的不同部位時，可將其存為不同的文件名，然后裝配。

2.2 3D MAX風機場景制作

3D MAX是三維軟件行業中應用最為廣泛的軟件之一，其具有強大的動畫表達能力，應用范圍廣且容易學習掌握[9]。采用3D MAX制作風機場景具有高度的自由感，可以產生形象逼真的圖像和動畫。3D MAX風機場景制作流程圖如圖3所示。

圖3 3D MAX風機場景制作流程圖Fig.3 Flowchart of 3D MAX fan scene production

2.2.1 UG三維風機模型導入3D MAX

在UG中創建精確的三維風能發電機組模型后，導出*STL格式文件并導入3D MAX中，而后根據需要對導入的風機模型進行面數優化、形體組合、深化，以提高圖像繪制輸出時的顯示速度和畫面質量。

2.2.2 場景制作

根據搜集整理的風機場景數據，制作一個符合實際風機布局的場景，以滿足用戶進行人機交互的真實場景要求。同時在風機場景制作中，要充分掌握3D MAX各個命令面板的應用及窗口操作。

首先要創建合適的背景，背景的創建一定要使風機更加清晰明了，以便于更清楚明了地觀察整個風機工作狀況。因此，我們通過3D MAX的建模命令創建一個逼真的風機場景。

其次要編輯合適的材質，通過材質編輯器給風機和場景賦予材質，從而獲得逼真的質感效果。打開材質編輯器，選擇材質球;打開圖類型面板，選擇位圖類型，再選擇合適的材質圖;而后調節反光度和反光強度，使風機及場景呈現真實的質感。

然后進行燈光設置，在命令面板中選擇燈光面板在頂視圖中的燈光種類、大小與位置，在不同的視圖中調整好燈光的照射方向，再進入修改命令面板，調節光線的顏色。選擇攝影機視圖，進行渲染并觀看燈光強弱，同時，反復調節泛光燈的強度，直到滿意為止。

最后進行動畫制作，在3D MAX中幾乎任何一個修改都可以被記錄為動畫，整個風機工作運轉動畫演示都可以很方便快捷地用3D MAX表現出來。因此，可以通過動畫控制按鈕創建風機運轉動畫，并將動畫過程利用動畫控制器進行修改，得到真實的仿真動畫。

2.3 Nvision 平臺交互

在3D MAX中完成風場模擬制作，可以進行交互渲染觀賞風機場景動畫，然后導出*ive文件格式并導入到Nvision平臺進行3D風機場景虛擬漫游。用戶可以通過Nvision平臺的人機接口進行人機交互，達到親臨風機場景觀賞的效果。

3 結束語

本文應用UG與3D MAX等軟件相結合的方式完成對3D風機場景虛擬現實系統的設計開發過程，并輔以Nvision平臺完成人機交互。綜合使用多個軟件進行綜合設計開發虛擬現實系統[10]，摒除了單獨使用一種軟件的不便之處，同時能制作出模型質感更好、場景逼真度更高、互動性更強、時效性良好的3D場景虛擬現實模擬系統。

[1]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電出版社，2005.

[2]祖旭，黃洪鐘，張旭.虛擬樣機技術及其發展[J].農業機械學報，2004，25(2)：168 －171.

[3]陳定方，羅亞波.虛擬設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]肖田元.虛擬制造研究進展與展望[J].系統仿真學報，2004，16(9).

[5]Burdea G C，Coiffet P.虛擬現實技術[M].2版.魏迎梅，欒悉道，譯.北京：電子工業出版社，2005.

[6]孔令齊.3DStudio MAX R4實用教程[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

[7]康玉忠.3dsmax6效果圖與動畫制作實用教程[M].北京：中國電力出版社，2004.

[8]苗盈.UG NX 6三維造型技術教程[M].北京：清華大學出版社，2010.

[9]徐紹娟，許小榮，張國權.新世紀3dsmax 7中文版應用教程[M].北京：電子工業出版社，2005.

[10]孫大涌.先進制造技術[M].北京：機械工業出版社，2002.