基于3DS MAX和Virtools的胎带机支承装置虚拟仿真技术研究

韩林山，马敬丽，钟艺谋

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.中国水利水电第四工程局有限公司，甘肃临夏731600)

胎带机是一种可在各种条件下连续运输物料的设备，它适用范围很广，可以输送各种级配的混凝土和各类颗粒性物料，应用于水利水电工程、矿山、公路、桥梁、国防工程施工等多个领域，社会需求量大，市场前景广阔［1］.胎带机主要由布料机构、上料机构、支承装置、电气控制系统和液压系统等组成，其中支承装置包括底盘、回转轴承、上车架、配重等.目前，该产品在国外应用很广，我国最早应用于三峡工程的胎带机就是引进了美国 ROTEC［2－3］和德国Putmeister公司的产品，而在国内只有水电八局常德机械厂生产和三一重工自主研发该类产品.对于胎带机的研制，在工程应用上不仅可以提高输送效率，而且确保了工程质量和进度，取得了良好的社会经济效益.针对胎带机设计和应用的现状，引入了虚拟现实技术，基于3DS MAX和Virtools对胎带机支承装置进行了研发.

1 3DS MAX和Virtools简介

1.13 DS MAX 简介

3DS MAX建模功能强大，扩展性好，是世界上应用最广泛的三维建模、动画制作和渲染软件.广泛应用于室内设计、影视动画、视觉效果和设计行业等领域.3DS MAX通过自身以及插件，支持多种相关软件不同类型文件的导入和导出，渲染速度快，画面质量高［4］.它不仅综合了价格低、使用简易、功能强大、扩展性好及与其它相关软件配合流畅等特点，而且工作效率、处理能力和可配置性能非常优越.因此备受业界的青睐，得到了迅速的普及与推广［5］.但3DS MAX对于工业机械类建模不够精确，且在建模时是基于曲面建模，仅仅描述了模型的曲面信息而不包含体积、质量等信息［6］.

1.2 Virtools简介

目前，国内外的现实虚拟软件主要有 EON，VRP，Quest3D，Vega 和 Virtools等［4］.其中 Virtools支持3种建模软件3DS MAX，MAYA和 LIGHTWAVE的导入.它以完全的可视化模式构建互动体验，内置有预设的行为模块，应用方便快捷，功能强大，可为各种阶层用户提供多种开发方式.开发人员只需适当地组合及重复利用这些行为模块就可以开发出复杂的虚拟现实应用程序，大大缩短产品的开发周期，降低开发难度，从而使其在虚拟现实技术领域中占有重要的地位，但是它本身没有建模功能，只能通过借助其他建模软件来建立所需的模型、场景和动画.

在Virtools中有2种方法实现对三维世界编辑区中的模型控制:一种是直接调用行为模块库中的内置BBs，另一种是采用VC++语言手工编写BBs代码［6］.此外，还提供了VSL程序语言，它具有智能型关键词颜色显示系统、指令代码的智能提示及加亮显示函数自变量等功能，可开发出更多复杂功能的行为模块，弥补内置行为模块的不足［4］.

2 总体设计

随着虚拟现实技术的不断改进和发展，对于模型的系统性、精确性、开发效率等方面也提出了更高的要求.采用该技术开发的虚拟仿真系统具有真实性、交互性、沉浸性和易实现等特点，在胎带机支承装置未生产出来之前，可以给用户一个很直观和高度逼真的视觉体验，提高了用户对该产品的认识度.此外，基于3DS MAX和Virtools技术开发的胎带机支承装置虚拟仿真可以使设计人员根据操作过程中发现的问题，及时地对该装置进行优化设计，缩短开发周期，同时为指导施工和科学技术研究提供先进、快捷的手段，这就是本设计要达到的目标.

利用Solidworks建立胎带机的支承装置模型，然后导入3DS MAX环境中，基于3DS MAX进行该模型的渲染和动画制作，在3DS MAX搭建好虚拟世界后，将虚拟世界移植到虚拟交互平台软件Virtools中对场景进行驱动，并设置交互，实现胎带机支承装置的虚拟仿真.总体开发流程如图1所示.

图1 总体开发流程图

3 程序实现过程

3.1 建立模型

建立实体模型是形成虚拟现实系统的前提，也是其最为关键的技术之一［7］.该设计以精确的二维CAD图作为基础，虽然3DS MAX建模功能强大，但是对于工业机械类建模不够精确，装配管理效率也很低，因此需要借助另一三维软件Solidworks来进行建模.Solidworks在进行机械建模时，模型尺寸精确，装配效率高，且具有动态设计和特征管理模式使其修改方便;在进行建模时是基于实体建模而不是曲面建模;尤其是Solidworks具有丰富的软件接口，可以支持将其中的模型导入到3DS MAX环境中.因此首先利用Solidworks建立和装配胎带机支承装置模型.

3.2 将Solidworks模型导入3DS MAX

胎带机支承装置装配体的模型在Solidworks软件中完成后，需导入到3DS MAX环境中做进一步的编辑和修改，以更好地满足虚拟现实技术的要求，为在Virtools环境中进行交互设计奠定基础.

由于Solidworks和3DS MAX之间无法直接进行数据的转换，需借助中间介质.在Solidworks导出格式中，可被3DS MAX 支持的有.stl，.igs和.wrl 3种格式.以第1种格式导入装配体，每1零件都要逐一导入，会比较繁琐;以第2种格式导入，会出现多面或少面现象，甚至个别面无法转换等问题;以第3种格式导入时方便快捷，可以适用于很多软件［6］.因此，采用.wrl文件完成 Solidworks模型到 3DS MAX软件的导入.

另外，需要特别注意的是:在导入过程中不要移动或旋转零件，否则会影响胎带机支承装置模型的装配关系，此时可以执行组－成组命令，然后对装配体进行整体的操作，如需对其中某一零部件操作，只需执行组－解组或者组－打开命令即可.如需导入大型甚至成千上万零件组装的装配体，且导入导出时间过长，可将其分几次导入，然后执行合并命令即可.

图2为导入3DS MAX环境中的胎带机支承装置模型.图中对该模型及其场景做了简单的渲染，使其在摄影机视口中更形象、更贴近现实;此外顶视图、前视图和左视图分别以线框形式显示(由于空间有限，这里没显示)，以不同角度反映了该胎带机支撑装置的外在结构特征，而且导入后的模型为后续的虚拟仿真奠定了坚实的基础.

图2 3DS MAX环境中的胎带机支承装置模型

3.3 将3DS MAX中的模型导入Virtools

考虑到Virtools与3DS MAX之间的兼容性问题，在3DS MAX环境中制作的胎带机支承装置模型导入到Virtools中之前，需在3DS MAX中安装MAX To Virtools输出插件.该插件可将3DS MAX中创建的模型、贴图、动画文件输出成Virtools软件所支持的场景文件.安装好输出插件后，执行文件－导出命令，选择保存类型为.nmo类型即可.

启动Virtools，将胎带机支承装置的场景文件导入到Virtools的三维世界编辑区内进行观察、控制，此时编辑区中胎带机支承装置的材质变黑，而且还有许多白色物体出现.针对材质变黑的情况，提出2种解决方案:①导入Virtools前在3DS MAX环境中适当设置自发光的数值，不断调整直至导入后变亮为止;②导入到Virtools后调整好灯光的位置.至于白色的物体.它是Virtools中的三维帧，属于辅助物体，3DS MAX的组在导出时会被添加一个三维帧在这个组的中心点，所以才会出现许多白色物体，简单的处理办法就是隐藏所有的3D Frames类物体，即在Virtools中的3D Frames文件夹下关闭所有物体的可见性;此外，从根本上解决问题的办法是在3DS MAX中确保构成3D对象的每个部分都必须是分开的对象，不要有任何的连结或群组关系，即解开所有的组，建立好物体间的层级关系，删除虚拟物体，这样就避开了产生三维帧的现象.

为了正确输出3DS MAX所制作的对象，还要注意的是:①在3DS MAX环境中需规划好每个对象的面数和贴图的大小，面数的控制应以不超过最高面数的限制为原则，而贴图的最高原则就是要维持画面的统一性;②在作任何从属关系的连结以及在制作动画前都先经过“Reset XForm”来保留原对象的属性，之后，进一步确定对象的面是否被反向而造成破洞;③设定好每个对象轴心的方向和位置后，设定对象的从属或群组关系以及相关的动态制作;④在制作动画时要特别注意，每一个动作都必须是一个完整的循环，即动作的起始点和终点有相同的位置和角度.注意到这几点，在导入模型的过程中就会尽量避免问题的产生，使制作的对象最佳化.本设计模型导入Virtools中的界面如图3所示.图中的3D Layout窗口显示导入的模型及所必需的导览工具，通过其他窗口则可以对该模型进行进一步的编辑与调整.

图3 导入Virtools界面中的模型

3.4 Virtools中对模型进行交互设计

Virtools中的虚拟漫游主要是通过摄影机来实现的，在此把摄影机作为虚拟对象进行脚本设计.通过合理地编排 Keyboard Mapper，Switch on Message，Translate，Camera Orbit等几个行为模块，就可以通过键盘操作实现模型的平移、旋转、缩放等操作;也可以通过鼠标对摄像机进行旋转，从不同的视角来观察场景，从而实现对胎带机支承装置的运动控制，构建一个逼真的虚拟运动仿真，达到Virtools交互技术在虚拟运动环境中实现的目的.

在对摄影机进行脚本设计的过程中，添加好Keyboard Mapper，Switch on Message 到摄 影 机 的Script后，需添加一个Translate来实现前进的动作.然而，如果要实现该模型的转向、后退、向左、向右等多个键盘行走动作时，则需添加多个重复的Translate来实现，显然不太合理.解决这个问题的办法就是添加一个Parameter Selector模块，通过改变该模块的参数类型及数值即可解决上述的“重复”问题.需要提出来的是Parameter Selector模块的参数数值可以改变行走的速度，数值大速度就快，调整到合适的且保持一致的速度可以使设计最佳，但参数较多，每次调整都需对参数进行一一修改，比较繁琐.简单化的方法就是添加一个参数运算器，它可以通过输入参数的倍数来同时加快或减慢速度，达到最佳交互设计的目的.对虚拟对象摄影机键盘控制的运动脚本如图4(a)所示.也可通过鼠标对摄影机进行旋转，从不同的视角来观察场景，图4(b)为鼠标控制摄影机的运动脚本.如果Virtools中没有直接实现所需功能的模块，这时需要通过手工编写相关的VSL来构建合适条件的行为模块.

图4 控制摄影机运动脚本的虚拟漫游设计

4 结语

采用3DS MAX和Virtools技术研发胎带机支承装置，使设计人员更方便地根据操作过程中发现的问题及时地对该装置进行优化设计，从而提高了产品设计的效率，缩短了设计周期，降低了研发成本，同时对指导工程施工和科学技术的研究提供了一种先进、快捷的手段，并对其它机械产品的设计具有指导意义.

［1］刘志忠，聂立新，谢刚，等.胎带机的伸缩机构设计［J］.工程机械，2007，38(9):37 －40.

［2］周厚贵.水工混凝土垂直运输设备的新发展及应用［J］.葛洲坝集团科技，1998(2):5 －10.

［3］龙文化，雷家琦.罗泰克CC200—24型胎带机焊接修复［J］.焊接技术，1998(1):42 －43.

［4］范孝良，李玉珍，茅兴飞.基于3DS MAX和Virtools技术的夹具虚拟装配系统研究［J］.机械设计与制造，2010(8):237－239.

［5］李彦娜，詹小川.基于3DS MAX和Virtools的虚拟校史公园漫游系统的研究［J］.计算机工程应用技术，2011，7(7):1658－1660.

［6］蔡武，陈果，朱志敏，等.基于3DS MAX和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计［J］.煤炭工程，2011(1):111－116.

［7］孙倩.基于3DS MAX的三维建模及其在Virtools环境中的应用［J］.中国科技信息，2008(12):94－95.