液压回路虚拟实验演示系统设计.pdf

2 0 1 1 年 3月 第 3 9卷 第5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma r ． 2 0l 1 Vo I ． 3 9 No ． 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 3 3 液压回路虚拟实验演示系统设计 孟凡贺 ，张 萌 ，张军花 ，郑振 宇 1 ．中国地质大学工程 学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 ．中国地质大学机电学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 介绍一种液压 回路虚拟实验演示系统 的设 计方法 。系统采 用 S o l i d Wo r k s 建模 ，3 d ma x渲染材 质及场景 ，V i r t o o l s 进行交互设计及 网页发布 ，从而实现液压 回路 的虚拟实验演示 。实际应用结果表明 此方法能够高效地完 成液压 回路虚拟 实验演示系统的设计任务，同时开发出的系统具有很好的实用性。 关键词 液压 回路 ；虚拟实验 ；演示系统 中图分类号T H1 3 7 ；T P 3 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 5 0 9 83 De s i g n o f Vi r t ua l Ex pe r i me nt De mo S y s t e m f o r Hy dr a u l i c Ci r c u i t MEN G F a n h e ，Z HAN G Me n g ，Z HANG J u n h u a ，Z HEN G Z h e n y u 1 ． F a c u l t y o f E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 ．F a c u l t y o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c En g i n e e rin g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A d e s i g n me t h o d a b o u t v i r t u a l e x p e ri me n t d e mo s y s t e m o f h y d r a u l i c c i r c u i t w a s i n t r o d u c e d ．T h e 3 D mo d e l s w e r e c o n ‘ s t r u e t e d wi t h S o l i d Wo r k s ．T h e mo d e l s w e r e r e n d e r e d w i t h 3 d ma x ．Vi r t o o l s w a s u s e d t o fi n i s h t h e i n t e r a c t i v e d e s i g n a n d t o p u b l i s h we b p a g e s ． S o t h e v i r t u a l e x pe rime n t d e mo s y s t e m o f hy dr a ul i c c i r c ui t wa s r e a l i z e d．Th e pr a c t i c al r e s u l t s h o ws us i ng t h i s me t ho d，t h e t ask o f d e s i gn i n g a s y s t e m t o di s pl a y v i r t ua l e x p e r i me nt c a n be e ffi c i e n t l y c o mpl e t e d，me a n wh i l e t h e s ys t e m ha s g o o d p r a c t i c a l i t y． Ke y wo r ds Hy d r a u l i c c i r c u i t ；Vi rtu a l e x p e r i me n t ；De mo s y s t e m 近年来 ，随着计算机及 网络技术的飞速发展 ，虚 拟现实技术呈现 出广阔的应用前景 ，尤其是在教学演 示方面 ，以其沉浸感 、交互性 、思维构想性得到了越 来越多的关注与应用，其 中虚拟实验是一项具体应 用。虚拟实验提供给用户 一个实验 教学 、技术交 流、 共同研究 、协 同工作 的平 台，是一种基 于计算机虚拟 原型系统 的全新的科学研究与工程设计方法 ，它通常 由两部分组成 虚拟场景和交互控制。 目前 国内外虚 拟 实 验 开 发 技 术 主 要 有 J a v a 、V R ML 、A c t i v e X 、 C u l t 3 D等⋯ ，作者主要基 于 V i r t o o l s 进行虚 拟实验演 示平台的开发，并结合实例详细介绍了设计方法。 1 系统总体设计 液压 回路虚拟 实验 演示 系统 开发 流程 如 图 1 所 示 ，首先创建 液压 回路 3 D模 型 ，虽 然 3 d m a x 可 以进 行 3 D模 型建立 ，但对 于复杂 的液 压元件 ，还是采用 专业的三维机械设计软件 S o l i d Wo r k s 创建模型 ，然后 将模型导人 3 d m a x 添加实验场景 和材质渲染 ，接着运 用 V i r t o o l s 进行交互 功能设计并 导 出网页文件 ，最后 进行网页的制作发布 。此方法充分利用各软件的技 术优势 ，达 到更 逼真 的实验 场景 和更 灵活 的交互 控 制 。 器 越 羿 H 互 H 婆 囊 创 建 3 D 模 型 广 ， 1 景 并 渲 染 模 型 r ， 1 功 能 设 计r ’ 1 页 制 作 发 布 图1 系统设计流程 2 模型创建 S o l i d Wo r k s 是 目前主 流 的三 维 C A D解决 方 案之 一 ，相比于其他 三维 C A D软件 具有 功能 强大 、易学 易用 和技术创新 三大特 点 ，所 以文 中 3 D模型建立是 由 S o l i d Wo r k s 完成的。作者以换 向回路为例进行说 明，对其他回路同样适用。其中电磁阀换向回路原理 图如 图 2所示 ，要创建 的模 型有液 压实验 台、油 箱、 电机 、叶片泵 、溢 流 阀 、换 向阀 以及 液压 缸等 ，在 S o l i d Wo r k s 中效果如图3所示，保存装配体模型为w r l 图 2 换 向回路原理 图 图 3 换 向回路实验台模 型 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 6 作者简介孟凡贺 1 9 8 7 一 ，男，在读硕士研究生。电话 1 3 4 1 9 5 1 0 7 7 6 ，Em a i l m e n g f a n h e 1 9 8 7 1 6 3 ． e o m。 第 5期 孟凡贺 等 液压 回路虚拟实验演示 系统 设计 9 9 格 式 ，以便 导人 3 d m a x 处理 。 3添加场景及材质渲染 3 d m a x 是专业的的三维动画渲染和制作软件 ，广 泛应用 于影视 、工业设计 、游戏 、辅助教学 以及工程 可视化等领域 。在 3 d m a x中首先将实验 台和实验室环 境进行场景合并 ，然后渲染模型材质 ，换 向回路实验 台及添加实验室场景后效果如 图 4所示 。这里需要指 出的是对于复杂 的外形 、曲面 ，如油箱散热片 、按钮 等 ，可 以先 在 S o l i d Wo r k s 或 3 d m a x中创建 简单模 型 ， 然后在 3 d m a x中通过材质处 理和表 面贴图的方法还原 模型外 观 ，运用 此 方法 一方 面 可 以减 轻建模 的工作 量 ，另一方 面可以使实体外 观更真 实。最 后通过安装 Vi r t o o l s M a x E x p o r t e r 插件输 出 D m o 格式 文件 ，以便 导入 V i r t o o l s 进行交互 功能设计 。 a 换 向 凹 路 实 验 台 b 实 验 室 环 境 图 4 换 向回路实验 台及实验室环境 4交互功能的实现及网页发布 V i r t o o l s 是专业虚拟现实设计开发平台，目前全 球已有多家设计公司使用此软件平台开发多种游戏软 件及交互 式网 页。V i r t o o l s以其 完全 可视 化接 口与 高 度逻辑化编辑方式 ，通过简单的 鼠标拖拽即可将互动 模块 加入 到一 般 的 3 D模 块 中去 ，快速 简单 建 立 3 D 应用程序。V i r t o o l s内置 5 0 0多个交互模块 B u i l d i n g B l o c k s ， B B ，交互模块是设计者与模型的接 口，通 过它们可 以完成不 同 的功能 ，另 外 V i r t o o l s 还提 供 了 与 V C 的接 口，使用者可 以 自己修改或编写行 为模 块 ，以达到更多的使用功能 。 4 ． 1模 型导入 模型导 人 V i r t o o l s 后可 能 出现 模型及 场景 全黑 色 的情 况 ，通 常有两种方法加 以改 进 方法一 是在 V i r t o o l s 中添加灯光，如果加入灯光后实体颜色不正确 ， 就适 当调整灯光 的位置 ；方法 二是在 3 d m ax 中 ，修 改 D i f f u s e C o l o r 的数值 ，再行输出。模型及环境颜色 正确后可 以进行整体位置 的调整 、模型大小 的缩放 以 及摄像机放置等前期准备工作 。 4 ． 2交互功 能设计 1 模块化设计 因为有很多不同的液压回路需要实验演示，且其 设计思路及编程模块基本相同，为了避免大量重复性 工作 ，可 以采用模块化 的设计方法 。首先 为特定 的某 一 功能创建一个 B e h a v i o r G r a p h 行 为图 ，将所需 的 交互模块加入其 中，达到 预定 功 能后可 以将 整个 B e h a v i o r G r a p h保存成 ri m s 格式 ，以备 其他 回路设 计 时 调用 ，减轻设计任务 。图 5所示为动态显示液压元件 名称行为 图 ，此行 为图的功能是当 鼠标移动到某一元 件上时，可以动态显示其名称 ，达到使实验者熟悉液 压回路各部件的目的，其他的功能模块有实验室环境 的三维展示 、管路的连接与删除 、回路原理 图及实验 操 作说 明的显示与隐藏 、动态调整系统压力 、液压缸 动作演示 、液压油流动演示等 。 图 5动态 显示组件名称行为图 2 量化处理 实验演示 过程中需要时刻判断系统状态 ，如管线 连接状态、系统启动状态及当前系统压力等，此时就 要用数组将各种信息 量化管理 ，如图 6 所示 。 图 6 数组信息 4 ． 3虚拟 实验发 布 交互性 能设计完成后 ，有两种方法进行发布 1 直接发布为 ． e x e 格式的可执行文件 ，需要 包含相应 的 动态库文件以便移植使用； 2 将整个虚拟实验同时 保存为 v m o和 h t m l 格式 ，通过 网页编辑软件 以网页的 形式发布。换 向回路 网页发布效 果如 图 7所示 ，客户 端 只需安装 V i r t o o l s we b P l a y e r网页播放插件 ，就可 以 在线访问 ，方便远程实验人员进行实验 。 图 7 换 向回路 网页发布效果图 1 0 0 机床与液压 第 3 9卷 4 ． 4 实验 演示 I 点击 网页链 接 ，进人 相应 回路 虚拟实 验演 示界面 ，系统 自动进入环视状态 ，此时可 以通过键盘 方 向键对实验室和液压实验台进行全方位演示 ； 2 屏幕上方有一排菜单，通过点击不同菜单 ， 可以进行回路原理图和系统操作说 明的显示与隐藏、 液压管路的动态连接和删除以及环视和实验模式的切 换 ； 3 进入 实验模 式后 ，根 据 回路 原 理 图和系统 提示连接管路 ，然后点击 实验 台右 上角 的启 停按钮 ， 电机和液压泵开始工作 ，此时可 以观察到液压油的流 动状态 ； 4 通过点 击实验 台上 的按钮 控制 电磁 阀动作 以改变液压缸 的运动状态 ，同时指示灯给出相应状态 指示 ； 5 点击溢流阀手柄 ，弹出系统压力 调节菜单 ， 此时系统压力可以实时调节 和显示 ，并且液 压缸运动 状态也会相应改变 ； 6 系统允许 实验 者重 复实验 ，以增 强实验 效 果，实验演示完毕后 ，点击启停按钮 ，关闭电机和液 压泵并整理实验器材 。 5结语 相 比于硬件设备教学 的应用成本高以及二维动画 演示 的真实感差 等弱点 ，三维虚 拟实验有着成 本低 、 效率高、功能全面、可视化与可操作性高等诸多优 点。运用 V i r t o o l s 开发的液压 回路虚拟实验演示 系统 ， 能真实地还原实验室环境 ，并能模拟液压实验 台的多 种 回路实验过程及实验操作 ，完全按照实物实验 的流 程操作，同时提供详细的操作说明，使用者能直观地 看 到液压元器件动作过程 、液压油流动状 态及按钮动 作 ，把一些微观的、抽象的内容和危险的、不易观察 到的现象展现了 出来 ，有很强 的沉浸感 ，同时允许重 复实验 ，并能根据实际操作给 出相应的操作提示 。通 过教学应用证明 ，此虚拟实验系统能加深学 习者对液 压 回路 的认识 与理 解 ，拓展 思维 空 间 ，增 强 学 习兴 趣 ，提高教学效率 。 参考文献 【 1 】 王栋， 宋晓莅． V i r t o o l s 虚拟实验开发的新利器[ J ] ． 电 脑知识与技术 ， 2 0 0 8 7 9 69 7 ． 【 2 】张萌， 秦宏志． 基于 V i r t o o l s的三维液压元件网络拆装展 示系统研究[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 8 2 1 8 1 1 8 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