基于EON Studio的虚拟拆装方法的研究*

文怀兴，朱效杰

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021)



基于EON Studio的虚拟拆装方法的研究*

文怀兴，朱效杰

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021)

摘要：虚拟现实技术在机械领域的应用极大地促进了机械行业的快速发展，为机械产品的研发带来了新的思路和方向。以典型的机械产品齿轮泵为研究对象，以虚拟现实软件EON Studio为研究平台，论述了在虚拟环境中用该软件进行虚拟拆装的优势、原理以及方法，并且以齿轮泵的虚拟拆装为实例，通过运用该软件提供的功能节点，不需要编程就能方便地实现人机交互，使用户可以从各个角度全面认识机械产品的内部结构、工作原理、拆装顺序等重要信息，展示了虚拟现实技术在机械领域、教育培训等领域的应用前景。

关键词:虚拟现实技术EON Studio齿轮泵虚拟拆装人机交互

0引言

随着世界经济的飞速发展，许多新的制造手段和制造技术逐渐产生，如敏捷制造，并行工程等。伴随着网络技术、信息技术和计算机图形技术的发展，又产生了虚拟现实、虚拟制造等技术。虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)是一门综合性极强的信息技术，可用于创建和体验虚拟世界，目前已在军事、医学、设计、建筑、娱乐等领域得到了广泛应用[1]。

1虚拟现实软件EON Studio简介

EON Studio是一种运用虚拟现实技术进行3D对象展示、运动仿真、虚拟拆装的多功能软件[2]。它采用了智能的操作界面和组件，扩展性强；同时兼顾了专业人员和非专业人员学习虚拟现实技术所需的不同功能和模式的支持；能轻易的与其他3D软件结合，不需要重建模型。它是一个完全基于GUI的设计工具，能够开发出应用于销售、电子商务、机械、建筑以及教育培训等领域的实时3D多媒体应用程序[3]。

2基于EON Studio进行虚拟拆装的优点

1)能方便地实现人机交互，用户不需要编程就能轻松地通过键盘或鼠标控制虚拟场景中3D对象的平移、旋转、缩放等运动方式。这是该软件优于其它虚拟现实软件的一个重要方面。

2)可以从多个角度观察虚拟拆装的过程，这样人们能够看到复杂物体的内部结构、组合方式、拆装顺序等重要信息，这对于分析物体的内部结构、组成部分以及工作原理非常重要。

3)在用EON Studio进行虚拟拆装时，可以用文本节点进行必要的文字说明，这对于人们进一步理解物体非常重要。

4)在应用Eon Studio进行虚拟拆装时，还可以通过声音节点添加讲解的音频，通过多媒体节点添加相关的视频，人们不仅能听到讲解的声音，而且能看到视频[4]。从而可以从更多的方面来理解物体的结构、组合方式、工作原理等。

3应用EON Studio进行虚拟拆装的过程及方法

3.1建立三维模型

建立三维模型，这是首要步骤。目前能用于建立三维模型的CAD软件有很多，例如Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA等等，这些软件都有各自的特点。本文采用SolidWorks(2012版)来建立三维模型，齿轮泵的三维模型如图1所示。

图1　SolidWorks中建立的齿轮泵三维模型

3.2将三维模型导入到EON Studio中

EON Studio可以轻松导入各种3D软件格式的文件(如SolidWorks、3ds Max、Lightwave、AutoCAD等)，不需要重建模型，这是EON Studio优于其他虚拟现实软件的一个重要方面。其步骤是依次选择File—Import—SolidWorks(via OLE4DM),然后再按照SolidWorks格式文件导入到EON Studio的方法进行导入，导入过程如图2所示。

图2　导入过程

3.3建立虚拟场景

图3　建立的虚拟场景

在进行虚拟拆装时，建立一个非常逼真的虚拟场景，会让人很快沉浸在虚拟环境中，给人一种身临其境的感觉。其方法是：分别将Panorama节点(场景节点)和OfficeRoom元件拖动到Scene节点下，然后在右面的属性框中对其属性进行设置[5]，建立的虚拟场景如图3所示。

3.4设置交互性

图4　WalkAbout节点的设置

EON Studio提供了多个功能节点用于实现人机交互，如Motion节点、Walk节点、Keymove节点、WalkAbout节点等，其中Walk节点是默认设置的节点。本文添加WalkAbout节点，用于实现浏览模拟场景中的任何地方以及进一步实现人机交互。其方法是：在节点元件视窗中将该节点拖动到Camera节点下，然后在属性框中，设置在场景中行进的速度、转动的角速度以及实现向左、向右、前进、后退、向上看、向下看等功能的控制键，如图4所示。

3.5虚拟拆卸的方法

在EON Studio中进行虚拟拆卸时，主要用到支持平移、旋转的功能节点(如Keyframe节点、Path节点、Place节点等)和传感器节点(如ClickSensor节点、KeyboardSensor节点、MouseSensor节点等)[6]。本文采用Place节点和ClickSensor节点，来实现虚拟拆卸。方法如下：

图5　Place节点的设置

1)拖动Place节点至各个零件节点下，然后双击该节点或在右侧的属性框中对其属性(如沿X轴、Y轴、Z轴方向的位移和时间，绕X轴、Y轴、Z轴旋转的角度和所用时间)进行设置，还要根据实际情况选择相对运动方式或绝对运动方式，如图5所示。

2)拖动ClickSensor节点至Scene节点下，双击该节点在弹出的属性对话框中，对相关参数进行设置，当把Chang cursor when clickable勾选后在鼠标经过要点选的物体时，鼠标的形状变成手的形状，以提醒用户可以点选物体。

3)拖动2DText节点(文本控制节点)至Scene节点下，点击该节点，在右侧的属性框中可以设置文本框的大小、位置，文本内容，字体大小、颜色，背景颜色等。

4)拖动PopupMenu节点(菜单节点)至Scene节点下，点击该节点，在右侧的属性框中可以添加或者删除菜单中的目录项。菜单节点可以给用户的应用模拟程序方便地添加一种交互性[7]。

图6　逻辑关系的设定

5)将视窗切换到逻辑关系设定视窗，设置节点间、节点与元件间的逻辑关系。将ClickSensor节点的OnButtonDownTure输出域与TextBoxButton元件的SetRun输入域相连接，这样当按下鼠标左键时可以触发TextBoxButton元件；将TextBoxButton元件的OnRunTure输入域与Place节点的SetRun输出域相连接，这样TextBoxButton元件可以触发该Place节点所在节点的零件产生运动；最后将第一个零件的Place节点的OnRunFalse输出域与第二个要拆卸零件的Place节点的SetRun输入域相连接，用同样的方法对其他零件的Place节点进行连接，这样一个个零件就能按顺序依次拆开[8]，如图6所示。

3.6虚拟装配的方法

基于拆卸和装配可逆的原理，可以采取与拆卸相反的过程来进行虚拟装配。但是装配功能应当能够独立完成，即不需事先运行拆卸功能也能实现。方法是：在装配之前先执行快速拆卸功能，然后依次复位。这个快速拆卸功能不是简单的将拆卸的时间设置为0，而是采用所有零件先短时间的快速分离，然后同时设置失效状态[9]。

3.7设置多角度观测

从多个角度观察物体虚拟拆装过程，对于进一步分析物体内部结构、组合方式有重要意义[10]。其方法是：在需要切换视角观察的相邻两个零件的Place节点下，加入Camera节点下的Place节点，然后对它们的输入输出域进行设置即可。对于本文中齿轮泵的拆装，如果只从正面的角度观察，我们不能看清楚泵体内部圆柱齿轮的拆装过程，在设置多角度观测后就可以清楚地看到其拆装过程，效果如图7所示。

(a)观测角度一　　　　　　　　(b)观测角度二图7　多角度观测

3.8添加文字说明

图8　齿轮泵虚拟拆装系统的窗口

在进行虚拟拆装时，添加文字说明是必要的，它可以帮助人们更好的理解虚拟拆装的原理、步骤。其方法是：将TextBox节点(文本节点)复制到Scene节点下，双击该节点在弹出的属性对话框中，可以输入想要显示的文字，设置字体的大小、颜色，设置文本框的背景颜色等，如图8所示。

3.9添加声音、视频

在进行虚拟拆装时，还可以添加声音、视频，用于讲解虚拟拆装的原理、关键步骤、物体的拆装顺序等，这样通过听觉和视觉不但能全方位的理解虚拟拆装的整个过程，而且给人耳目一新的感觉。其方法与添加文字说明的方法相似，这里不再赘述。

图9　齿轮泵虚拟拆卸的效果

通过上述设置，齿轮泵虚拟拆装系统的窗口如图8所示。当点击“主菜单”按钮时，会弹出一系列子菜单。当点击某一项子菜单，例如点击“虚拟拆卸”子菜单时，就会看到齿轮泵的零件按照顺序逐步完成拆卸，在这个过程中还可以看到视角多次切换。在进行虚拟拆卸的过程中，我们还可以通过键盘来进一步实现人机交互：按下键盘上的“A”键，视角向左运动；按下“S”键，向右运动；按下“D”键，向下运动；按下“F”键，向上运动；按下“UP”键，远离物体；按下“DOWN”键，接近物体等等。齿轮泵虚拟拆卸效果，如图9所示。

4结束语

EON Studio在虚拟拆装的应用方面有其独特的优势。它可以轻松导入各种文件格式的3D模型，建立逼真的虚拟环境，方便地设置人机交互方式；人们还可以通过键盘和鼠标进一步从各个角度观察，从而对装配体的内部结构、装配关系、拆装顺序等能够更加全面地认识。这对于机械产品在装配环节的研发、虚拟维修、教育培训等方面有着重要的作用。

参考文献

[1]邹湘军,孙健,何汉武,等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004,16(09):1905-1909.

[2]于辉,赵经成,付战平,等.EON入门与高级应用技巧[M].北京：国防工业出版社,2008:2-3.

[3]薛强, 孙文磊, 曹玉山,等. 基于虚拟现实技术的风力发电机齿轮箱的虚拟装配的研究[J].机床与液压，2010,38(9)：76-79.

[4]王峻峰,李小俊,李世其,等.EON Studio环境下基于Petri网的虚拟维修技术研究[J].机械设计与制造，2011(12)61-63.

[5]李静,白姗姗,赵春蕾. 汽车离合器盖总成检测试验台虚拟装配系统研究[J].机械设计与制造，2014(09)225-227.

[6]王岚 ,刘怡, 梁忠先.虚拟现实EON应用教程[M].天津：南开大学出版社,2007:65-66.

[7]胡兆勇. 基于虚拟现实技术的机床可视化仿真示教系统开发[J].机床与液压，2009,37(7)：205-207.

[8]罗陆峰,文领,徐超辉.基于Eon Studio模具虚拟拆装系统开发[J].煤矿机械,2012,33(6):263-265.

[9]陈卓，马瑾，纪伯公. 基于 EON Studio 6.0 的某装备虚拟训练系统设计[J]. 装甲兵工程学院学报，2008，22(5):55-58.

[10]胡成贺．苏凡囤，张琦,等.基于EON的挖机变速器虚拟维修训练系统[J]．中国制造业信息化，2010，39(23)：35-38.

朱效杰(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：虚拟现实、虚拟装配。

Research on virtual assembly and disassembly method based on EON Studio

WEN Huaixing，ZHU Xiaojie

Abstract:The application of virtual reality technology in the field of machinery has greatly promoted the rapid development of machinery industry,and has brought new ideas and directions for the development of mechanical products. This paper takes the typical mechanical product gear pump as the research object, employs the virtual reality software EON Studio as the research platform, and discusses the advantages, principle and method of virtual assembly in virtual environment by using the software. Taking the virtual assembly of the gear pump as an example, the paper proves that it is easy to realize human-computer interaction through the function node provided by the software without programming, and the user can learn comprehensively from various angles of the mechanical product's internal structure, working principle, disassembly sequence and other important information. The study shows the application prospect of virtual reality technology in the fields of machinery, education and training.

Keywords:virtual reality technology；EON Studio；gear pump；virtual disassembly；human-computer interaction

收稿日期：2015-09-21

作者简介：文怀兴(1957-)，男，陕西咸阳人，工学博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：机械制造及自动化。

基金项目：陕西省教育厅科技计划项目(11JK0867)，陕西科技大学科研启动基金项目(BJ10-07)。

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0036-04