基于VRML 的移动模架造桥机的动态模拟

冯桂珍， 王大鸣， 池建斌， 王咏梅

（石家庄铁道学院机械工程分院，河北 石家庄 050043）

以某移动模架造桥机为研究对象，该造桥机是针对铁路客运专线双线整孔桥梁施工而设计，为上行式结构，主要由主梁、下导梁、悬臂梁、系统挂架、主梁支腿、悬臂梁支腿、跨内小车、悬臂梁小车、电气液压系统及辅助设施等部分组成。满足32m 梁且兼顾24m 梁的预制施工，与架桥机相比，它是将制梁、运梁、架梁等工作合为一体的施工机械，具有节省制梁设备及场地投资，不需要运梁设备、提升机和架桥机，对路基和桥梁上部结构无任何影响等特点，但施工效率相对较低。

与一般机械产品相比，造桥机具有研制周期长、资金投入大等特点。因此，在设计的前期对其进行动态模拟是很有其理论和实际意义的。同时，便于引入课堂教学当中。虚拟实现模型语言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一种基于网络的三维场景描述性语言，具有动态性、交互性、低带宽网络传输等优点，将图、文、声、色及动态性等信息集于一体，建立具有交互性和导航功能的三维虚拟场景[1-2]。鉴于此，论文采用VRML 对该造桥机的组装及施工工艺进行了动态模拟。整个设计过程主要包括建模、动态性实现及VRML 场景优化等。其中，建模采用AutoCAD 的三维建模与编辑功能完成各零部件的创建，动态性通过虚拟现实模型语言VRML实现，AutoCAD 模型和VRML 文件之间的转换通过3DMax 实现。整个模拟过程具有动态性、交互性、基于低带宽网络传输等特性，可以上传到互连网上，供浏览者任意观看和交互操作，加深浏览者对此类大型工程机械的认识和了解。

1 虚拟模型的创建

VRML 模型的创建一般有以下几种方式：

（1） 文本编辑 目前比较好的VRML 编辑器如Parallel Graphics 公司的VrmlPad，但编程不直观，不适合复杂场景的构建。

（2） 可视化编辑工具 如Parallel Graphics公司ISB、ISA、ICA，分别用于模型的创建、场景的布局和人物动画，Silicon Graphics 公司的Cosmo World 等，但这些工具不便于构建复杂场景。另外，针对VRML 在造型方面的不足，笔者在对VRML 研究的基础上，利用VC 与OpenGL开发了一个VRML 可视化编辑工具[3-4]。

（3） 其它软件的支持 目前支持VRML格式的三维软件有 3DMax、Pro/E、UG、SolidWorks 等，这种方式可以构建复杂模型，且效率较高。

根据VRML 模型三种创建方式的各自特点，移动模架造桥机属于结构庞大而且复杂的工程机械产品，为提高建模效率，采用第三种方式创建，利用AutoCAD 完成三维模型，然后通过3DMax 转换为VRML 格式文件。

根据零部分图纸，采用AutoCAD 进行三维模型的创建、部件的装配。然后利用3DMax 作为格式转化工具，完成AutoCAD 模型到VRML虚拟模型的转换。二者之间可通过三种文件格式数据的转换，即.dwg、.dxf、.3ds。这三种格式的主要差别是：

· .dwg 是AutoCAD 的基本格式，在交换时不转换材质或贴图信息，但在转换中保持几何体的参数化性质。

· .dxf 是AutoCAD 的文本文件格式，在交换时提供最直接的方法，将CAD 模型转换为3DSMax 的网格对象。

· .3ds 是DOS 环境中3DS 的文件格式，是当前唯一能与AutoCAD 互相转换材质和贴图的方法。

为了保持 CAD 模型的几何精度，提高VRML 模型的渲染效果，采用第一种方法，即直接利用3DMax 读入dwg 文件，可通过图层（Layer）、颜色（Color）和实体（Entity）三种不同的方式导入，采用图层导入比较方便。在CAD 中将不同的零件设置在不同的图层，以便于形成相应的虚拟模型零件，为动态性和交互性做准备。

导入到3DMax 中后，对零部件进行材质和贴图设置，以增强真实感。然后导出为VRML2.0格式文件（后缀为wrl），到此，模型创建完毕。图1～图4 是部分部件的VRML 模型。

图1 主梁辅助支腿

图2 主梁前支腿

图3 下导梁前支腿

图4 下导梁后支腿

2 动态性和交互性的实现

VRML 2.0 创建的虚拟场景不再是静态的，而是具有交互功能的动态境界。浏览者不再是一个被动的信息接受者，而是通过鼠标等输入设备交互地操作虚拟场景中的对象，如动态地增减虚拟对象、改变对象的材质、空间方位等。

VRML 中的交互行为是通过事件体系实现的。产生事件的方法通常有两种：

（1） 静态行为触发 直接利用VRML 中的各种传感器节点、插值器节点实现简单的动画和交互行为，不具有逻辑控制能力。

（2） 动态行为触发 利用脚本节点Script节点编程，使用一段程序逻辑来控制事件的产生。由于程序逻辑的随意性和可扩充性，从而具有了更大的空间，可以实现复杂动态性和交互性。

Script 节点是与外部程序相连的接口。该节点主要包括四部分：url 域、field 域、eventIn 事件和eventOut 事件（见图5）。Script 通过接受eventIn 事件调用相应的处理过程函数，经过程处理后得出的数据作为eventOut 事件发送出去，其中eventIn 事件的值可以作为过程函数的因变量值，如果需要则用field 域定义某个中间变量。处理过程函数可以使用VRML 浏览器支持的程序语言编写，通常有Java、JavaScript。

图5 动态行为

由于造桥机的拆装和施工工艺过程必须符合一定的逻辑关系，静态行为无法实现，需采用动态行为。下面通过施工工序阐述动态交互过程的实现。该造桥机的施工作业主要工序有：

（1） 准备吊移下导梁工序 主机拼装完毕后，将主机前移到首跨位置，此时主梁前支腿支撑于桥墩垫石上，跨内小车吊起下导梁，准备前移下导梁，同时悬臂梁小车回到悬臂梁根部，准备辅助下导梁前移。

（2） 进入制梁前工序 下导梁前移到下一跨位置，用垫块将其前支腿支撑于桥墩上，将其后支腿支撑于桥台上：合拢外挂架，编底腹板钢筋笼，吊入内模，编顶板钢筋笼，放下吊杆，调整标高，装端模。

（3） 制梁工序 完成浇注混凝土、捣固、养护、拆端模、脱侧模，并初张拉、脱底模。

（4） 过跨到下一位工序 起动液压系统，在油缸配合下解开外挂架中部联接，张开外挂架；去掉主梁前支腿垫块，辅助支腿落在下导梁上，准备主机前移；当制梁完成后，主机前移到下一跨的位置；重复以上工序，可以完成制梁全程。

图6～图9 演示造桥机的施工过程，整个模拟过程具有动态性、交互性和逻辑控制性，符合实际的工艺要求。具体实现是，在脚本程序中用一个整型变量step 控制每一步的施工过程。同时，在施工工艺过程中，为了呈现最佳观察方位，程序实现了视点自动切换。视点自动切换是通过预设视点列表，在需要切换视点时，将视点列表中的相应视点绑定为当前视点，即设置其输入接口set_bind 为true。以下是工艺过程逻辑控制的程序段代码：

图6 准备梁浇铸

图7 梁浇铸完毕

图8 主梁等前移一跨

图9 下导梁前移一跨，准备下一梁浇铸

3 场景的优化

为了避免建模过程的重复性编程，减少系统的文件长度，在建模过程中，充分利用VRML 2.0 的丰富造型功能和技术，进行程序的优化设计。具体措施如下：

（1） 使用DEF/USE 机制减少代码的重复编写；

（2） 利用inline 技术，将不同VRML 文件内联成复杂的场景；

（3） 用LOD 节点描述复杂造型不同细节层次的组织关系，提高场景的真实感和渲染速度；

（4） 将VRML 文件保存为压缩形式(*.wrz)；

（5） 在不影响渲染效果的前提下，减少格式转换后的三角面片数量，降低精度。

通过这些优化措施，极大地减少了文件的长度，进一步提高了下载速度和渲染速度。

4 结 论

利用VRML 实现了移动模架造桥机的装配与施工工艺过程的动态模拟，整个模拟过程具有动态性、交互性、基于低带宽网络传输等特性。此研究和实现方案对造桥机具有重要的现实意义，对同类大型工程机械具有参考价值。

[1] International Standard ISO/IEC 14772-1： 1997, VRML97 Standard [S].

[2] 赛博科技工作室. VRML与Java编程技术[M]. 北京：人民邮电出版社, 2002. 1-100.

[3] 冯桂珍, 池建斌. 基于Web 的虚拟现实模型创建工具[J]. 工程图学学报, 2004, 25(3)： 30-34.

[4] 冯桂珍, 池建斌, 等. VRML 模型创建工具中的可视化交互操作的设计和实现[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(2)： 387-390.