基于VRML的虚拟实验室研究

巫红霞(镇江高等专科学校 装备制造学院，江苏 镇江 212003)



基于VRML的虚拟实验室研究

巫红霞
(镇江高等专科学校 装备制造学院，江苏 镇江 212003)

摘 要：传统实验室存在投入大，且受到时间、空间限制的缺陷.随着虚拟现实技术的发展，建立虚拟实验室可以有效扩展传统实验室功能.本研究主要介绍虚拟实验室的概念、组成和功能，简单阐述 VRML 技术，详细介绍以VRML 技术为主进行切削加工的实验.

关键词：VRML；虚拟实验室；节点

实验是人类学习和掌握操作技能的一个重要环节，实验对于培养人的实际操作能力、创新能力和解决问题的能力尤为重要.而实物实验室资金投入大、实验损耗大、设备维护费用高，同时受时间和地点的制约，尤其是危险性实验的开展.随着计算机技术的发展，VRML技术、数据库技术、网络技术和计算机动画技术可以建立虚拟实验室，有效地补充、完善和扩展实物实验室的功能.

1 虚拟实验室

虚拟实验室是由美国弗吉尼亚大学的威廉•沃尔夫教授于1989年首次提出[1].描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同的工具和技术的信息化、网络化的集成环境.基于VRML的虚拟实验室开发工具主要有VRML编辑器(如VrmlPad)，VRML场景浏览器(如Cosmo Player)，可视化建模工具软件(如3DSMAX，Solidworks)等.虚拟实验室由虚拟仪器系统、计算机网络系统和开放式实验室管理系统等组成.虚拟仪器系统主要是通过计算机软件对硬件进行仿真，建立良好的人机交互的虚拟仪器面板，可以对仪器进行操控、数据分析和结果显示.开放式实验室管理系统主要能对用户进行身份认证，用户信息管理，对虚拟仪器访问控制、使用和管理.

虚拟实验室整体框架如图1所示.

图1 虚拟实验室整体框架

虚拟实验室的功能为：①最主要的功能就是实验，一般的实验主要包括实验仪器设备、实验原理、实验目的、实验步骤和实验报告等.实验仪器设备是实验室的基本组成部分，了解实验设备的基本功能及使用方法等是实验顺利进行的基础，通过实验室提供的帮助文档或示例，使用户得以掌握.撰写实验原理、目的、步骤等使用户对整个实验过程有一个深刻的认识，对实验应取得的结果有清晰的思路和操作技术的掌握.实验报告是一个电子实验报告生成系统，从实验过程中记录的实验数据和其他结果等生成到实验报告产生中，形成有说服力的结论.②管理仪器和实验室的功能.虚拟实验室需要不断对实验的仪器和实验内容进行更新，能及时添加新的实验设备，淘汰旧的仪器，尽量实现逼真的精确的仿真环境，以适应实验教学的要求.③安全管理的功能，能阻止非法用户进入，对合法用户进行实验时产生的错误给予必要的提示，或者终止实验.

2 VRML技术

VRML[2-3]是一种三维场景的描述性语言，与其他Web技术语言相比，语法简单、易懂、编辑操作简单方便，学习相对容易.可以创建三维造型与场景，实现三维空间交互效果.可以嵌入Java、JavaScript等程序，与HTML，XML混合编程，使其表现能力得到极大的扩充，能够实现人机交互，形成逼真的虚拟环境.具有强大的网络功能，文件容量小，适宜网络传输.具有多媒体功能，在程序中可以加入声音、图像、动画等多媒体效果.VRML文件语法主要包括文件头、节点、原型、脚本和路由等.在VRML文件中有60多种节点类型，节点是核心，节点可以由一个或多个组成，也可以创建新的节点，代表的节点名有Cone，Box，Cylinder，Appearance，Material，Transform等.

一个较为通用的VRML文件语法结构为

在VRML中对一段物体定义的描述通常是：

对于灯光和视点等环境定义，以及动作定义和运动控制基本和物体定义类似，这里不再重复.

3 基于VRML的切削加工虚拟实验开发

在制造业快速发展的时代，企业为适应市场需求，机械加工制造产品必须具有高度的柔性和极高的技术含量，缩短新产品开发周期，提高产品质量.虚拟机械加工技术是一门新的设计方法和技术，可以在计算机上建立和处理机械系统的三维可视化模型，模拟在现实环境下系统的运动和变化，从而得到最佳的机械产品加工方法.虚拟机械加工中存在错误也可以无限次的修改，而这也是实际加工中无法做到的.虚拟加工能够科学地评价机械产品及零部件的可加工性、程序的准确性，省略了传统产品加工的多道工序.

切削加工实验是机械加工实验中最主要的基础.尽管近净成形技术、堆积成形技术是非常有前途的新工艺，但切削加工作为制造技术主要基础工艺的地位不会改变.初学者必须要掌握基本切削加工实验，而切削加工实验存在一定的危险性，初学者有可能会在实验中发生错误，比如发生撞刀、掉刀等而损害设备，因此需要初学者能够准确了解和掌握切削加工实验的过程.而切削加工虚拟实验可以逼真模拟真实实验，让初学者可以无数次地模拟和操作，熟练掌握实验后再进行实物实验，以最大程度避免切削加工实验中可能发生的错误.

3.1 设计思路

针对轴类零件的切削加工，首先，需要建立机床、轴、与刀具的相关CAD模型(Solidworks)，考虑到建立机床模型的复杂性提出简化思路，只需建立主轴、三角卡盘、轴与刀具等主要模型即可实现模拟.其次，需要将相关模型导出为.wrl格式并在VRML编辑器中编辑与装配虚拟切削加工系统的模型，通过Route指令编辑零件动作，例如主轴旋转，刀具进给等.在高级语言(VB.net)编程模块，通过载入BSContact控件实现VB.net与VR的通信控制，实现交互[4-5].

切削加工流程技术实现的关键点主要有：① 双轴运动实现切削效果，两套轴代表两个表面；② 高级语言编程，运用BsContact插件中AxContact3D1.setNodeField(“”，“”，“”)控制虚拟模型的动作，实现VB对VR的交互.切削加工流程如图2所示.

图2 切削加工流程图

图3 车刀、轴、卡盘模型

3.2 实现过程

1) 使用CAD软件建模，将建立好的零件模型保存为.wrl格式；

2) 此处只需简单建立车刀、轴、卡盘模型；

3) 在VRML中装配模型和实现动画，如图3所示.将保存好的VRML文件导入到VRML虚拟现实建模语言中，在VrmlPad中编写代码产生内轴和外轴，也可以在三维软件中画出轴、卡盘和车刀.使用inline函数调用外部.wrl文件，并建立它们的Transform节点.以下用程序示例，如一段对轴的定义[6]，

车刀的定义：使用内联节点Inline进行组装

设定时间传感器Timesensor，将Timesensor节点路由至OrientationInterpolator和PositionInterpolator节点，该节点产生新的旋转值和位置，通过它们的eventOUT事件将这些值按顺序路由到各Transform节点，从而使得Transform发生平移、旋转和比例缩放，实现了模型的动画.在该系统中，内外轴等速旋转，加工时外轴在X轴方向上按比例缩放，车刀跟随平移，实现去除工件材料的效果.事件的路由关系如图4所示.事件路由程序代码如图5所示，从而实现了虚拟加工动画过程.

图4 事件的路由关系

图5 事件路由程序代码

4) 在VB.NET中控制加工参数[6-7].在VB.NET编程模块载入BSContact控件，实现VB.NET与VrmlPad的通信控制，实现交互.其代码为：

VB.NET可对虚拟场景内部的节点和域值进行读取和赋值.在本程序中，通过写入时间感应器clock1，clock2的节点cycleInterval的域值并赋值，从而改变了时间感应器的循环周期，也就改变了工件的旋转速度和车刀的进给速度，从而实现主轴转速和进给量的参数化设计.程序窗体中添加TextBox控件，以输入数值并赋予命令按钮.如对感应器clock1，clock2赋值，使用的代码如下[6-7]：

以及：

完成的VB.NET程序界面如图6所示.

该切削加工虚拟实验是虚拟制造中的一个简单例子，最初主要应用在装备制造学院刚接触机械加工的学生，学生通过实验初步理解实验原理，找到相应的解决问题方法，并能从错误中找到原因及时纠正，在实物实验中，学生出错率较少，可以应用自如，调动了学生的学习积极性.虚拟实验不可能完全代替实物实验，虚拟实验室的建立范围很广，包括的面很大.基于VRML技术可以开发模拟驾驶，模拟飞机训练、航天飞机的风洞试验仿真、核爆模拟以及医学手术模拟等.开发过程要注意模型的建立、参数的设置以及时间的控制.车、铣、刨、磨、镗、钻等加工实验和切削加工实验类似，均可建立虚拟实验.

图6 完成的VB.NET程序界面

4 结论

虚拟实验室的建立可以有效地扩充传统实验室，先在虚拟实验室熟悉各类仪器的使用，再进行实物实验，可以减少实验中错误和实验损耗.使用VRML语言开发虚拟实验室，方法简单，VB.NET与VR的通信控制，实现交互.

参考文献：

[1] 蒋耘晨. 虚拟实验室技术[M]. 北京：北京理工大学出版社，2011.

[2] 张德丰，周灵. VRML虚拟现实应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[3] 汤晓燕，云忠. 基于VRML技术的虚拟装配实验方法研究[J]. 实验室研究与探索，2004，23(3)：14-16.

[4] 孟国军. 基于VRML的虚拟实验室框架的研究[D]. 西安：电子科技大学，2003：51-73.

[5] 沈建华，迟权德，李明辉，等. 基于VRML的虚拟实验室开发[J]. 实验室研究与探索，2011，30(3)：342-346.

[6] 蒋建峰. 基于Citrix的桌面虚拟化技术研究与应用[J]. 苏州市职业大学学报，2015，26(2)：16-18.

[7] 张猛. 基于LavIEW的虚拟教学实验平台的构建与实现[J]. 长春大学学报：自然科学版，2011，21(8)：19-22.

（责任编辑：李 华）

引文格式： 巫红霞.基于VRML的虚拟实验室研究[J].苏州市职业大学学报，2016，27(2)：34-39.

中图分类号：F206

文献标志码：A

文章编号：1008-5475(2016)02-0034-06

DOI：10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.02.009

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2015-12-17

作者简介：巫红霞(1977-)，男，江苏句容人，讲师，硕士，主要从事计算机数据库及数据挖掘研究.

Research on Virtual Laboratory Based on VRML

WU Hong-xia
(School of Equipment Manufacturing，Zhenjiang College，Zhenjiang 212003，China)

Abstract：Traditional labs need large investment and are constrained by time and space. With the development of virtual reality technology， the establishment of virtual labs can effectively extend the functions of traditional labs. This paper introduces the concept of the virtual laboratory， its composition and functions， as well as VRML technology and describes in detail VRML technology-based cutting experiments.

Key words：VRML；virtual laboratory；node