XPS板材生產(chǎn)線虛擬裝配的研究

馬希青，袁云東,周?chē)?guó)朝，李 明

（河北工程大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

0 引言

XPS 板材是一種多用于建筑物外層的保溫隔熱材料，它是由聚苯乙烯添加其他助劑材料后，以一個(gè)壓模擠壓成截面均勻的硬質(zhì)板材，其生產(chǎn)線由混料系統(tǒng)、擠出機(jī)、定型板機(jī)、定型牽引輥機(jī)、冷卻架、牽引去邊機(jī)、長(zhǎng)度定型切割機(jī)等部分組成。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，英文簡(jiǎn)稱VR，是近幾年來(lái)才出現(xiàn)的高新技術(shù)，也被稱作靈境技術(shù)或人工環(huán)境。Cult3d 是一款比較直觀，功能強(qiáng)大的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，可以做到全方位的展示、模擬操作、色彩設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)裝配等功能，它可以把實(shí)時(shí)物體圖像質(zhì)量高、速度快的傳送到因特網(wǎng)用戶手上，可以讓用戶利用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)對(duì)三維物體圖形進(jìn)行操作，從而提高用戶的參與性，增強(qiáng)體驗(yàn)感，如身臨其境一般。其文件量非常小，通常只有幾十到幾百KB，三維質(zhì)感表現(xiàn)能力卻十分優(yōu)秀，而且跨平臺(tái)性能好，對(duì)于用戶，只需要在瀏覽器上安裝一個(gè)插件就可以瀏覽。

1 生產(chǎn)線的測(cè)繪

對(duì)生產(chǎn)線的測(cè)繪主要采取在生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪的方式。測(cè)繪前要準(zhǔn)備好所需的測(cè)繪工具，并仔細(xì)檢查其準(zhǔn)確性，觀察是否出現(xiàn)磨損、變形等?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪受到場(chǎng)地、環(huán)境、時(shí)間等條件的限制，只能選用比較少的工具，基本上靠徒手畫(huà)出圖形，因此繪出的草圖比較粗糙，但仍需要保證圖形的比例、配合關(guān)系和尺寸標(biāo)注的準(zhǔn)確無(wú)誤。

進(jìn)行測(cè)繪工作時(shí)，首先要對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、零件功能和配合關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)于不影響后期建模和仿真效果的零部件可以忽略，這樣可以減少工作量，提高工作效率。之后要選擇合適的草繪主視圖來(lái)表達(dá)機(jī)件的主要特征、結(jié)構(gòu)和尺寸，此外，還應(yīng)盡量表達(dá)出機(jī)件的工作位置。若主視圖無(wú)法全面清晰的表達(dá)出機(jī)件的結(jié)構(gòu)形狀，還應(yīng)添加其他的視圖或者方案來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。為避免測(cè)量和草圖繪制交叉進(jìn)行易發(fā)生錯(cuò)誤，要先進(jìn)行草圖的繪制，再統(tǒng)一的進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)注。對(duì)于無(wú)配合關(guān)系的零件，若測(cè)得的尺寸有小數(shù)點(diǎn)的出現(xiàn)，要圓整成整數(shù)。最后，在測(cè)繪工作完成之后，還要對(duì)草圖進(jìn)行整理和校對(duì)。

2 模型的建立

在對(duì)整條生產(chǎn)線完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪工作之后，進(jìn)行模型的建立。建模時(shí)，應(yīng)將裝配體中所有的零件模型在同一建模軟件中完成，這樣在后期處理時(shí)能保證源文件的一致性。由于生產(chǎn)線的各機(jī)件中包含較多的零部件，而這些零部件最終需裝配到一起，所以在建模時(shí)必須要統(tǒng)籌考慮尺寸的配合問(wèn)題。在裝配體中包含的零件過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致在渲染的時(shí)候速度很慢，因此，在這種情況下，在用建模軟件編輯時(shí)，要把一些看不到效果的零件進(jìn)行輕化以提升速度。由于Cult3D 不具備建模的功能，只能借用其他的建模軟件進(jìn)行建模之后進(jìn)行一系列的處理后再導(dǎo)入其中，所以本文選擇采用Solidworks2012 對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模型的建立。

3 模型的處理

SolidWorks2012 建立的模型圖不能在Cult3d 中直接打開(kāi)，需要借助第三方軟件3DSmax 進(jìn)行處理，而在SolidWorks2012 圖像導(dǎo)入3DSmax 時(shí)，有幾種格式可供選擇，現(xiàn)對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析：

圖1 生產(chǎn)線的模型圖

（1） 先用SolidWorks2012 導(dǎo)出*.stl 文件，然后導(dǎo)入3DSmax。這種方法能保存物體的部分材質(zhì)屬性，但由于在導(dǎo)入時(shí)，裝配體中的每個(gè)零件都是一個(gè)單獨(dú)的文件，運(yùn)算量較大，并且要在3DSmax 中重新定位零件。此法對(duì)單個(gè)機(jī)件模型較為適用，而此生產(chǎn)線模型中包含較多的機(jī)件，采用此法會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過(guò)慢，甚至電腦崩潰死機(jī)的現(xiàn)象。

（2）先導(dǎo)出為*.igs 文件，然后導(dǎo)入3DSmax。這種方法需要很細(xì)致的調(diào)整參數(shù)，否則易造成爛面等模型不完整的現(xiàn)象產(chǎn)生，較為繁瑣。

（3）先導(dǎo)出為*.wrl 文件，然后導(dǎo)入3DSmax。這種方法也會(huì)導(dǎo)致模型材質(zhì)屬性的丟失，但簡(jiǎn)單方便，轉(zhuǎn)換速度較快，而丟失的材質(zhì)屬性可以在3DSmax 中進(jìn)行渲染，因此本文采用此法。

模型導(dǎo)入之后，在3DSmax 中進(jìn)行優(yōu)化和渲染工作。在渲染時(shí)，要特別注意材質(zhì)和燈光兩個(gè)部分，其直接關(guān)系到最后虛擬展示的效果。在渲染完成后，利用“烘焙”功能來(lái)處理模型，這樣可以節(jié)約系統(tǒng)資源，提高效率。

如果模型包含多個(gè)需要?jiǎng)幼鞯牟考瑒t還要為各個(gè)部件都設(shè)置其合適的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，否則在Cult3d 中設(shè)置好動(dòng)作的部件就會(huì)繞著默認(rèn)的，也就是整個(gè)模型的坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。例如，在設(shè)置定型滾機(jī)的輥?zhàn)有D(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，如果沒(méi)有為每個(gè)輥?zhàn)佣荚O(shè)置各自的旋轉(zhuǎn)軸，輥?zhàn)泳蜁?huì)繞著整個(gè)定型棍機(jī)的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，而不是繞自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在完成各個(gè)參數(shù)的設(shè)置之后，導(dǎo)出格式為*.c3d的文件，此格式可用Cult3d 直接打開(kāi)（需要在3DSmax 中安裝相應(yīng)的Cult3d export for 3DSmax 插件，才能生成*c3d格式的文件）。

4 生產(chǎn)線平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

Cult3d 是一款完全拖放式的軟件，首先將設(shè)置好的*.c3d 文件打開(kāi)，在事件圖中首選拖入一個(gè) “世界啟動(dòng)”事件，在 “行為” 中選擇 “鼠標(biāo)－Arcball” 到世界啟動(dòng)圖標(biāo)上，事件圖將自動(dòng)在 “世界啟動(dòng)” 和 “鼠標(biāo)－Arcball” 聯(lián)接上關(guān)系線。右擊鼠標(biāo)，在彈出 “參數(shù)” 框中選擇指定 “鼠標(biāo)－Arcball” 的對(duì)象。在 “詳細(xì)資料” 中可以設(shè)置鼠標(biāo)各鍵在瀏覽物體時(shí)被賦予的交互功能，這樣就可能從各個(gè)角度來(lái)觀察模型。然后在軟件的窗口中進(jìn)行程序的編寫(xiě)，即先通過(guò)鼠標(biāo)將某一對(duì)象從 “場(chǎng)景圖表” 窗口中拖動(dòng)至 “事件規(guī)劃圖” 窗口，然后從 “動(dòng)作” 窗口中拖動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作到此對(duì)象上，最后再為此動(dòng)作設(shè)定詳細(xì)的參數(shù)，通過(guò) “演示窗口” 可以檢查動(dòng)作和事件、操作對(duì)象之間的相互關(guān)系，這樣依次為各部件添加相應(yīng)的動(dòng)作、效果，最終可以完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)模擬。

最后，在菜單欄選擇 “發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)文件” , 在彈出的 “保存設(shè)置” 對(duì)話框中進(jìn)行必要設(shè)置，這里可對(duì)作品進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。在幾何體選項(xiàng)卡中選定全部幾何體，指定 “壓縮優(yōu)化類(lèi)型” 為Mesh Level 2，選擇 “精確保存” 有效，這樣就可以手工指定幾何體和紋理帖圖的壓縮優(yōu)化率，也可以選擇已給定的壓縮率按鈕進(jìn)行優(yōu)化壓縮。然后，將設(shè)置好的文件發(fā)布為*.co 格式的文件，此文件占用內(nèi)存和空間極小，適合網(wǎng)絡(luò)間的傳輸，并且能很好的保存零件的材質(zhì)。

5 發(fā)布對(duì)象

在導(dǎo)出*.co 文件之后，可以用記事本等文本編輯器直接進(jìn)行代碼的修改，在IE 瀏覽器中使用＜o(jì)bject＞標(biāo)簽嵌入Cult3D 對(duì)象，＜o(jì)bject＞標(biāo)簽中codebase 屬性指定運(yùn)行Cult3D 對(duì)象所需要的插件。Param 標(biāo)簽配合object 標(biāo)簽一同使用，指定Cult3D 對(duì)象的位置。在不支持＜o(jì)bject＞標(biāo)簽的瀏覽器中需要使用＜embed＞標(biāo)簽嵌入Cult3D對(duì)象，＜embed＞標(biāo)簽中的type 屬性指定嵌入內(nèi)容的媒體類(lèi)型，src 指定嵌入內(nèi)容的URL。這樣就可以將此*co文件在網(wǎng)頁(yè)中表現(xiàn)出來(lái)，供人們觀看和操作體驗(yàn)（需要安裝Cult3d Active X Player 才能在IE 中正常瀏覽動(dòng)畫(huà)效果），若完成的作品要用于office 或者PDF 文檔，則需以ActiveX 控件方式插入。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)生產(chǎn)線完成測(cè)繪之后，借用Solidworks2012 軟件進(jìn)行對(duì)XPS 擠塑保溫板生產(chǎn)線的建模，以Cult3d 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線虛擬裝配的研發(fā)，通過(guò)逼真的動(dòng)畫(huà)演示和實(shí)時(shí)控制，較為真實(shí)的反映了生產(chǎn)過(guò)程中各機(jī)件的狀況，可以被鑲嵌到相關(guān)的網(wǎng)頁(yè)上，讓客戶更直觀的了解生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和掌握企業(yè)的產(chǎn)品信息，以較低的成本幫助企業(yè)充分展示和推廣產(chǎn)品，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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