Web3D虛擬現實平臺在收割機零部件設計中的應用

張亞楠，郝 倩

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

基于Web3D的網絡虛擬現實技術，是隨著互聯網與虛擬現實技術的發展而產生的，目的是在網絡特別是互聯網上建立三維的虛擬世界。目前，網絡化虛擬現實技術在電子商務、遠程教育、工程技術及計算機輔助設計等領域已經獲得了廣泛的應用。近幾年，基于Web3D的網絡化虛擬現實技術有了長足發展和進步，出現了10種以上用于網絡的虛擬現實平臺制作軟件，在渲染的速度、圖像品質、造型技術、交互性、數據的壓縮與優化上有了較大的進步。在農機設計過程中，如果將設計模型在設計人員之間及客戶與設計人員之間進行交流交互，可以大大提高農機零部件的設計效率，使設計效果可以實時、可視化地呈現在人們的面前，對于現代農機設計技術的發展具有重要的意義。

1 基于Web3D的虛擬展示技術

Web3D技術一般是指基于互聯網的三維圖形技術，與Web3D相關的技術目前有很多種，在進行拖拉機零部件Web3D虛擬展示時，可以根據設計需求，選擇合理的主流虛擬展示技術。

目前，主流的虛擬展示技術主要有3種，包括VRML技術、Cult3D技術和Java技術。

1)VRML技術。VRML技術是虛擬現實建模語言的縮寫形式，利用這樣語言形式可以開發交互式的多媒體標準文件。VRML 語言不受平臺的限制，能夠為用戶創建一個可進入、可參與的交互性的三維世界，可以在計算機上展示生動逼真的三維立體效果，將平面轉換為立體世界，其與現實的逼真效果主要受網絡傳輸能力和Internet客戶端的硬件水平所影響。采用VRML語言可以創建不同級別的應用，由于這種優勢使其在教育、工程設計和娛樂等領域得到了廣泛的應用。

2)Cult 3D技術。Cult3D是一種新的Web3D技術，利用現有的計算機技術將3D展示功能分為兩部分。其中，一部分為3D素材的編寫，一部分為3D素材的解讀，并將解讀后得到的結果與Html實現無縫拼接，可以將質量較高的圖像快速的發送到用戶端，還可以實現跨平臺傳輸，是一種交互能力較強的3D引擎。利用Cult3D開發的三維場景可以采用流的形式在網絡傳輸，因此其文件較小，但可以完美地表現出和真實世界類似的完美質感，還支持對交互物的放大、縮小和旋轉等，體現了真實物體的屬性。Cult3D技術開發的虛擬展示文件的傳輸不受帶寬的限制，即便是普通的瀏覽器，直接下載插件后便可以瀏覽Cult3D開發的三維效果。

3)Java技術。Java技術是一種較為成熟的3D建模技術，利用Java軟件可以輕松地創建三維實景和空間展示場景。Java開發的產品可以直接在瀏覽器瀏覽，不需要像Cult3D技術下載插件，可以利用Java的Applet嵌入互聯網中。

利用Web3D技術可以開發一個完整的零件設計與展示系統，包括零件的尺寸計算和制圖等，能夠為聯合收割機零部件的設計提供可靠的數據支持，提高零件設計的交互性功能。Web3D展示系統總體框架如圖1所示。

圖1 Web3D展示系統總體框架Fig.1 The overall framework of the Web3D display system

在現代農機設計過程中，信息化和交互性技術已經開始被廣泛使用，如果在聯合收割機零部件的設計中引入Web3D展示系統，將極大地提高設計過程的交互性。圖1中，系統主要是由3部分構成，包括客戶端、管理端和數據庫端。其中，管理端主要負責系統的維護，客戶端可以發布需求，并可以對設計的作品進行瀏覽，還可以將意見反饋給設計者，實現需求和設計的交互交流。Web3D展示主要是利用3D數據端，結合三維建模仿真軟件，將設計作品展示給不同的設計者和客戶，以提高設計作品的質量。

2 零部件參數化設計和虛擬展示

隨著現代農機技術的不斷發展，聯合收割機被廣泛地應用于各種農作物的收割機過程中，花生聯合收割機近年來也開始被逐步采用。花生聯合收割機摘果機構的滾筒是整機設計的核心之一，滾筒直徑的大小會影響刮板的間隔，進而影響花生的摘凈率和破碎率。其刮板間隙可以根據花生直徑的大小設計。為了成功地將花生摘下，滾筒初始接觸果莢的位置在果莢最外端的A點所作的垂直線AH上，如圖2所示。

圖2中，在花生摘果操作時，為了利用滾筒的動能，使果莢被以慣性沖擊的方式采摘下來，降低刷梳的負荷，將滾筒中心點設計在可以過果莢外端與主莖的中心線EF上，則

(1)

利用公式(1)，根據待采摘花生的生長情況，可以確定GB和AG的值，最終可以得到花生聯合收割機滾筒的直徑。對于花生聯合收割機齒輪的設計，可以采用參數化建模方式，使用參數化建模軟件SolidWorks對齒輪的相關參數進行輸入。首先，選擇內嚙合還是外嚙合齒輪。然后，對相關參數進行配置，自動計算出各參數，點擊生成齒輪1和齒輪2，便可以在SolidWorks建模軟件中生產一對外嚙合齒輪，如圖3所示。

圖2 花生聯合收割機滾筒摘果示意圖Fig.2 The sketch diagram of the drum for peanut combine harvester

圖3 外嚙合齒輪參數化建模Fig.3 The parameterized modeling of outer meshing gear

基本的齒輪建模完成后,可以對齒輪進行修改，如倒角和鍵槽。倒角可以直接根據角度生成，模型可以利用三維模型的剪切功能將沒用的部分去掉，然后利用特征拉伸切除功能，建立鍵槽，如圖4所示。

圖4 建立尺寸鍵槽Fig.4 Setting up the size keyway

完整的齒輪建模設計完成后，可以同樣的方法生成齒輪軸，生成齒輪軸后可以與軸進行裝配。裝配過程可以在SolidWorks軟件中進行，選擇齒輪孔和軸的基準線，點擊配合，標準配合選擇重合后確定；然后選擇軸上的鍵和齒輪上的鍵槽進行配合，配合距離和自行設置，便可以完成齒輪、軸和鍵的配合。裝配效果如圖5所示。

圖5 裝配效果圖Fig.5 Assembly effect diagram

齒輪、軸和鍵的裝配完成后，可以進行箱體的裝配，最終的裝配效果圖可以利用VRML建立三維立體展示場景，從而將設計計算過程和設計效果展示給每個設計人員和需求客戶，實現設計過程的交流交互。展示平臺的主要功能設計如圖6所示。

本文主要采用Web3D的VRML技術對展示平臺的功能進行設計，包括聯合收割機部件的虛擬拆裝、零部件的虛擬建模、裝配體仿真運動和拆裝實現路徑的展示等，從而實現聯合收割機部件設計的交流和交互性。

圖6 虛擬展示平臺功能設計Fig.6 The function design of virtual display platform

3 基于Web3D的聯合收割機零部件虛擬現實平臺設計

根據聯合收割機零部件虛擬現實平臺設計的功能需求，平臺的開發主要分為3部分，包括三維建模部分、三維模型的顯示和交流、最后的網絡發布。總體框架如圖7所示。

圖7 收割機零部件虛擬展示平臺總體框架Fig.7 The general framework of the virtual display platform for the parts of the harvester

收割機零部件虛擬展示平臺的建模分為兩種模式：一種是利用軟件建模，另一種是利用實物圖像。這兩種建模方式可以將收割機零部件的實體和虛擬建模圖像結合，得到更好的展示效果。

目前，我國花生聯合收割機雖然還沒有普及，但收割機的研發技術正在逐步成熟起來。圖8為青島弘盛汽車配件有限公司設計的半喂入式花生聯合收獲機，該收割機得性能可以基本上滿足我國花生收割機的需要。

圖8 花生聯合收獲機示意圖Fig.8 The sketch diagram of peanut combined harvester

如果對聯合收割機進行優化升級，需要對零部件進行重點改造，且需要對設計的零部件進行反復修改，而這些可以方便地使用虛擬展示平臺。從三維幾何模型到VRML數據交互，虛擬展示平臺的搭建主要分為4個步驟：

1)三維建模。三維建模是零部件展示的基礎，建模時可以對零部件的幾何尺寸進行參數化建模，以提高建模的速度。建模可以采用SolidWorks等主流的建模軟件，模型完成后將其以文件的形式保存。

2)模型文件格式轉換。在進行VRML編輯之前，需要對模型的文件進行格式轉換。格式轉換采用RightHemisphere-Deep Exploration進行重新編碼轉換，轉換為VRML場景文件wrl或者vrml格式。Hemisphere-Deep Exploration具有較高質量的轉換效果，文件轉換后便可以進行編輯。

3)動畫仿真。文件格式轉換后，可以導入到X3d-Edit中進行編輯。X3d-Edit是VRML和X3D的編輯器，對VRML和X3D編輯器而言是一種優勢互補，具有VRML文件體積小、實時渲染的功能，也同時具有X3D編輯器開放性，將VRML一些不足采用Java語言進行了補充。

4)建立VRML和Java通信。Java可以對VRML所有的支持通過附加封裝類來實現，從而使Java可以訪問VRML場景，并實現對場景的控制，通信可以利用外部編程接口和腳本編程接口實現。

虛擬展示平臺拆解裝配圖展示如圖9所示。以聯合收割機得缸體拆解和裝配為例，對虛擬平臺的功能進行了驗證。由圖9可以看出：采用Web3D技術可以成功地實現聯合收割機零部件的展示功能，對于聯合收割機零部件的設計具有重要的意義。

圖9 虛擬展示平臺拆解裝配圖展示Fig.9 The disassembly assembly drawing of virtual display platform

4 結論

為了實現聯合收割機零部件設計過程的交互性和可視化，使用Web3D技術創建了收割機零部件的虛擬展示平臺。該平臺集成了SolidWorks建模功能、X3D的動畫編輯功能、VRML的3D環境渲染及Java場景控制，可以實現對收割機零部件的拆解和裝配的可視化展示，從而方便了設計人員之間及設計人員與客戶之間的交流交互，有效地提高了聯合收割機零部件的設計效果。隨著虛擬現實技術的進一步發展，Web3D的功能將極大地改善，虛擬展示平臺的功能也將逐漸增強。相信在不久的將來，Web3D技術在現代農機的交互式設計中將發揮越來越重要的作用。