基于VRML的虚拟制造（一）

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发表于 2011-12-26 15:14:58 |只看该作者 |倒序浏览

一、VRML概述
　　VRML（virtual reality modeling language）即虚拟现实建模语言,是在Internet、Intranet或本地构造3D对象的语言，提供完整的3D图形和多媒体的交互功能。它采用SGI（silicon graphyicsinc）公司的 OPen Inventer ASCll文件格式作为语言的基础。1994年2月设计完成了VRML初始例程，1995年5月发布了VRMLI.0规程说明，在VRML1.0的基础上加入了大量的交互特性。VRML2.0第一版于1996年8月在新奥尔良举行的SIGGRAPH‘96会议上颁布。1997年12月，将VRML97，即VRML2.0经编辑性修订和少量功能性调整后的结果作为国际标准正式公布，并于1998年1月正式获得ISO批准（国际标准号ISO/IEC 14772-l:1997）[1]，创立了标准化进程仅18个月的 ISO/IEC纪录，同时它还是第一个用HTML发布的国际标准，VRML被称为第二代WEB语言。
　　二、VRML特点及在虚拟制造中的应用
　　VRML的主要目的是为了在计算机网络中建造一个虚拟的三维世界，使信息的表现形式更加生动，给人以身临其境的感觉。其最新版本VRML 2.0增加了支持动画虚拟世界的功能，其结构与 1.0版本有较大区别，现在使用的都是VRML 2.0版本.
　　1.VRML特点
　　（1）语句结构化、层次化，可灵活高效地创建三维模型。
　　（2）文件占有的存储空间小，大的场景被分解为许多单个的小文件，只在使用时实时去取，并且VRML生成的图形元素可被重复使用，适合于在计算机网络上进行传播。
　　（3）对各种机器有统一的运行机制，适合在Internet上进行信息交互，具有平***立性。
　　（4）VRML允许用户的行为能够实时作用于场景，交互性强；为Javas cript、Java等语言提供了调用的接口，易扩展。
　　2.VRML技术在虚拟制造中的应用
　　虚拟制造是以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持的一种新的制造技术，在产品设计或制造系统的物理实现之前就能使人体会或感受到未来产品的性能或状态，从而做出前瞻性的决策和优化实施方案。虚拟制造为企业带来好处很多：在实际生产前，生成的软产品原型(Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，在不消耗资源和能量的情况下，验证生产方案；工程技术人员可以直接对设计出的产品进行试加工，进行各项实验，检查产品各方面的技术性能是否达标；对生产的组织和进度安排进行实验，建立合理的进度表等。虚拟制造大大降低了生产成本，减少了新产品开发的投资，缩短了产品开发周期，提高了系统快速响应市场变化的能力，因此受到了广泛的重视。虚拟制造技术将从根本上改变设计、试制、修改、规模生产的传统制造模式，使制造业步入更经济，更快捷，更高效的发展模式。虚拟制造不仅是制造业发展的一次革新，而且也是建模与仿真技术自身的一次飞跃。
　　VRML技术应用于虚拟制造的实现过程主要可分为以下两部分：1构建三维静态模型建模；2根据实际工作状况实现事件的虚拟仿真。
　　1)构建三维静态模型

　　建立三维场景模型时，采用由小到大的做法，先将整个系统规划成若干个部分，按照规划存入不同的文件中，最后根据各运动部件的连接关系。在一个主文件里将组成系统的简单部分直接编程实现，复杂部分用Inline节点组合在一起，就可以成为整体的虚拟三维模型。
　　VRML场景中机械部件的三维造型由一个Shape节点定义，这些特征定义了放置在虚拟空间中的造型。一个造型的确切几何尺寸和外观由给定节点和节点域的选择值控制。造型的外观由Appearance和Material节点来描述。VRML提供四种原始几何造型，它们是Sphere、Box、cylinder和Cone节点。任何复杂的机械部件通过Box、Cylinder、Sphere、Cone基本形体节点和Ex***sion、In***dFaceSet等生成复杂形体的节点实现特殊形状的部件，还可以用3D成型软件如UG、3dsmax、maya、Pro/E、SolidWorks先进行三维建模，通过Export输出VRML文件(.wrl)，再调入VRML编辑器进行编程，经过处理后参与整体的组合，这样可大大方便了VRML编程。
　　2)针对虚拟模型的虚拟现实仿真技术
　　利用虚拟现实建模语言VRML构建复杂系统的三维场景后，可以通过PlaneSensor 、CylinderSensor 、SphereSensor等节点确定各部分机构的运动自由度和范围，通过位置插补器节点PositionInterpolator、方向插补器节点Orientatationlnterpolator和坐标插补器节点Coordinatelnterpolator进行线性插值来设计动态过程。还可以利用Java语言与s cript脚本节点结合来扩充VRML的功能，实现复杂动作虚拟。其中，仿真过程的触发行为以及事件之间的连接回路是通过触摸传感器节点TouchSensor、时间传感器节点TimeSensor和ROUTE语句实现的，ROUTE语句对出事件和入事件进行了有机的连接，保证了节点与节点之间的联系。为扩展动态交互功能，可利用VRML为Javas cript、Java等语言提供的接口与Javas cript、Java集成，共同完成动态交互仿真功能。
　　3)应用实例

　　图1.石油固井添加剂分配系统的虚拟制造效果图
　　如图1，是应用VRML实现的石油固井添加剂分配系统的虚拟制造效果图。
　　这个系统的三维仿真场景中实现的造型主要有：电机、搅拌器、贮藏罐、电磁伺服阀、过滤器、计量泵、针阀、管道等，其三维模型先由UG完成，再输出为VRML文件，然后对各个设备进行详细的渲染，最后按要求分别定义颜色和材质。
　　对该系统的的虚拟现实仿真包括电机的加速减速、搅拌器的拆卸、工作指示灯的开关、设备的工作声响等，篇幅所限，下面仅就电机的加速减速为例简述其实现过程