基于虚拟现实技术的机械产品数据平台在企业中的应用

摘 要：机械产品数据平台在机械制造企业产品生命周期中发挥着越来越重要的作用，但传统的产品模型的展示方式受到时间和空间上的种种限制，即使采用网站平台由于二维图片及装配简图等展现模式，也无法将产品完整地展示出来。随着虚拟现实技术的不断发展，VRML技术为企业展示产品造型开辟了一条全新的道路，为机械企业产品从设计到销售、售后各个产品生命周期环节提供了极大的便利，为企业创造更多的效益。

关键词：数据库；虚拟现实；三维建模；C#脚本程序

一个机械零件从设计、加工成型到入库，再到产品发布、销售与售后，几乎每个环节都涉及对零件的特征进行展示。为此，在对零件进行设计、数据管理和产品发布的各个环节中，经常需要进行由三维模型到二维图形，再从二维图形回到三维模型的空间思维活动，由此让企业员工和用户了解产品的特征，这也是对机械零件信息进行数据管理和发布的重要之处。然而在实际进行机械零件数据库的管理和产品发布过程中，企业只是把机械零件的数据信息放在数据库中进行管理，对外发布新产品时，也只向客户展示机械零件的二维平面图片，这样客户只能片面地看到零件，需要自己去想象零件的特征。有的企业会把机械零件的实体展示给客户，虽然这样可以让客户更直观地看到机械零件的特征，但是即便是一个简单的减速器都有好几十个零件，企业把每个零件加工出来作为展示，大大增加了企业的运营成本。

随着计算机科技的不断发展，产品的设计环节企业已普遍采用数字化模式，对已有的数字化三维模型进行存储入数据库，在虚拟现实平台场景中调入并展示，便可解决机械在各个生命周期中的应用需求。因此，基于虚拟现实技术对机械零件的网络数据平台的开发与应用是解决机械产品生命周期中各个环节应用要求的最有效的途径，本数据平台采用先进的虚拟现实技术和网络数据库技术，可以使企业高效率、低成本地对机械零件的信息进行管理和展示，使用户可以通过网页直接浏览机械零件的三维模型，不受各种限制，简易地实现对产品零件模型的交互操作，满足企业员工和产品客户的不同需求。

1 数据平台开发方案的选择

由于基于虚拟现实的数据平台的开发具有一定的复杂性，可以采取原型法进行开发数据平台，我们可以先实现展现最为典型的机械产品如二级圆柱齿轮减速器，生产减速器企业的机械三维模型如SolidWorks建模的产品三维文件，可以将建好的模型文件导出为VRML文件（wrl格式），在生成wrl格式文件时要考虑虚拟现实模型在导入场景后的位置、视角及尺寸大小便于用户的观察，再将VRML文件按照库存管理要求修改；也可以根据需求直接保存成三维CAD软件用来跨平台交流的eDrawings文件（eprt格式）。如果数据平台有更复杂、更逼真的虚拟现实交互要求，我们就要将机械产品的三维CAD文件通过3ds Max软件导出为FBX文件格式，便于在Unity平台中利用C#脚本程序实现逼真的虚拟现实场景的创建。［1］

因而在本数据平台的开发过程中，我们是按照实际需求同时完成几种方案，并对各种实现方案进行比较，便于不同类型的企业选择适合自己的方案，企业的机械产品生产类型越庞大，所需要的数据平台方案复杂性越高，平台数据管理的要求就越高，数据平台开发原型就越复杂，投入的成本就越高。为了使用户使用，我们选择网页作为机械产品虚拟现实的数据平台的载体，最后通过网站调试与发布，企业用户可以通过多种终端在网站上对机械零件进行管理，产品的客户可以通过不同权限访问网页，通过虚拟现实浏览机械零件的三维模型，获得更好的产品体验，增加企业产品推广的广度与深度，提高企业产品在销售与售后服务渠道的竞争力，更好地服务客户，最大化地增加企业的经济效益与社会效益。

2 數据平台开发的技术探索

2.1 机械零件网络数据库中机器产品三维数据的来源

机械零件网络数据平台的机械产品模型可以直接使用产品设计阶段的三维数据，但数据平台对不同用户具有不同开放度，如企业内部协同设计人员应通过网站的访问权限获得产品的准确数据，但如果作为营销图像或招标动画，要考虑企业本身数据文件的安全性，平台发布的产品3D数据，防止竞争对手测量产品的几何图形，我们可以利用例如SOLIDWORKS Composer提供的扭曲几何的工具，以防止产品数据被他人恶意测量剽窃。［2］当然在平台上设置不同权限也是行之有效的手段，除此之外，用户还可以为重要产品数据文件添加访问密码或失效日期，来进一步增加数据的安全性［3］。

2.2 平台中基于虚拟现实的机械零件数据存储的实现机制

在数据平台中会涉及大量基于虚拟现实的产品零件三维数据，如何将这些数据保存入数据库，并且在一般网页和复杂的虚拟现实交互场景中方便地调用，是本平台开发需要重点解决的问题，建立基于虚拟现实的三维产品数据库可以采用将产品的虚拟现实三维数据信息完全存入数据库中，这样会导致机械产品的虚拟现实数据库的数据量庞大，而且数据更新速度较慢；另一种有效的方式就是在数据库中存放虚拟现实三维数据文件索引的形式，这种方式在将虚拟现实三维模型作为插件插入简单网页或在unity虚拟现实游戏开发引擎中利用C#脚本程序调用时会十分便利，因而我们可以考虑使用虚拟现实三维数据文件索引的形式作为本数据平台虚拟现实数据库实现的途径。

3 基于虚拟现实的网页平台的搭建

3.1 软件的选择

网页制作所需软件我们可使用Dreamweaver软件进行网页的编辑，对于数据库软件的选择，如果数据规模较小，我们可以使用Access数据库软件，如果数据规模较大可使用SQL Server数据软件。

3.2 网页制作所需素材制备

在SolidWorks建模完成后，就可以直接把对应的图另存为VRML格式，基于VRML（虚拟现实建模语言）的wrl格式文件在网页中以插件形式打开，可以让用户以便捷的方式、直观、交互地浏览机械产品零件，可以得到很好的用户体验。生成的VRML文件在网页浏览器直接打开浏览的效果如图1所示，用户可以利用键盘、鼠标或手指交互得到观察实物一样的效果，对于大型笨重的零件就更为便利。

在对机械零件进行数据管理和发布时，机械零件的二维图片也是不可或缺的，二维图片可以作为用户在网页中的直观区别各种零件的检索信息，截图的方法有很多，但是其过程都比较烦琐，而且截下来的图片质量不高，不能逼真地表达零件的外形。SolidWorks不仅提供了三维建模的平台，还可以对建好的三维模型进行渲染，生成质量高、逼真的机械零件图片，如图2所示。

4 基于虚拟现实的ASP机械产品数据动态网页简介

我们为了保护数据的安全性、提高脚本代码的重用度及数据的访问效率，采用了ASP动态网页开发技术，因为ASP动态网页技术具有易于修改与测试、很好的脚本源代码的保护性能，吸收了多种较为实用的技术，是一种发展较为成熟的网络应用程序开发技术，其核心技术是对组件和对象技术的充分支持。通过使用ASP的组件和对象技术，用户可以直接使用ActiveX控件，调用对象方法和属性，可以使用服务器端ActiveX组件来实现多种任务，方便连接数据库等一系列优点，使得开发中我们以简单的方式实现强大的基于虚拟现实的网页数据展示功能。

5 基于虚拟现实的机械产品数据平台上的产品动画与虚拟运动仿真

为了更好地体现机械产品的功能，在机械产品生命周期的每个阶段，我们希望机械产品能够与现实无差异，而且能够比实物更便利地通过动画与虚拟运动仿真展示其功能及实现细节。我们可以实现机械产品动画与虚拟运动仿真的方式很多，可以根据企业的产品规模、技术能力等各方面因素選择自己的解决方案。

我们可采用关键帧动画与编写脚本程序实现动画的模式来进行机械产品的虚拟展示。相比而言，关键帧动画更易实现，机械三维CAD软件（如SolidWorks、UG等）均提供了较为强大的关键帧动画实现功能，如图3所示：

图3 行星轮减速器运动算例中实现的关键帧动画

在完成关键帧动画后，我们可将其保存成eDrawings文件（eprt格式），在eDrawings中转换为网页文件或生成exe文件嵌入网页文件中，可以轻松地实现动态产品数据的网络平台化。

如果企业机械产品规模较大，种类繁多，采用编写脚本程序实现动画的模式可以大大提高产品数据平台动态交互部分开发的效率，我们可以采用unity 3D开发平台，并将三维CAD的产品数据在3ds Max中转换为unity 3D开发平台支持的FBX类型三维机械零件模型，可以将FBX三维机械零件模型直接加入unity项目中，也可以将文件链接保存到Access数据库，在脚本程序中便可调用这些三维模型，通过C#脚本程序实现对机械零件的相关虚拟操作，采用这种模式的优点就可以提高代码的重用度，不需要反复编写功能相似的代码，脚本代码只需编写一次便可多次使用，大大提高了基于虚拟现实的三维机械零件数据平台的开发效率。当项目完成后，我们可以通过Build settings选择相应的形式对开发的内容进行打包发布，也可通过相应的功能插件实现更复杂的网页平台的嵌入。

6 产品数据平台运行终端的扩展

基于虚拟现实的机械产品数据平台是否具有良好的跨平台性能是该应用是否为企业创造更多价值的关键，通过前面的开发与测试，我们不难发现该数据平台在PC机平台运行具有很高的稳定性，当然我们也可以选择在手机的网络浏览器上以电脑模式实现该数据平台的运行，但由于手机、平板等设备的特性，该平台不加以扩展就在手机、平板等设备上运行将无法带来最佳的用户体验，我们可以通过扩展数据平台的部分模块的运行模式来解决这一问题，以达到降低企业平台数据访问成本，以达到提高数据的应用广度与深度的目的，使该数据平台能创造更好的企业经济价值。

在基于虚拟现实的机械产品数据平台中，我们要扩展部分内容的访问终端运行模式，应该以数据的复杂性为依据采用不同的解决方案。如果是中小型机械企业，产品数据并不复杂，数据的交互性要求也不高，我们可以将产品数据转换成STL格式或eDrawings文件类型的eprt格式，有很多成熟的网页插件和手机APP程序或iOS程序能很好地支持这些数据文件类型的访问与运行。

对于大型机械企业，产品数据复杂并且数据平台运行性能要求较高，我们在开发产品数据平台时，所创建的产品交互场景在最后发布设置Build settings时可选择相应的发布模式，如安卓手机能访问的Android Build模式或苹果平台的iOS Build模式。

通过对该机械产品数据平台运行终端的扩展，为企业能更便利地使用数据平台创造了可能性。例如，产品仓库管理人员与产品的销售人员通过手机可便捷直观地了解产品的细节，该平台的运用将显著地提高企业运行的专业化、规范化和高效化程度。

结语

通过实践，基于虚拟现实技术的机械企业产品数据平台能够顺利地搭建并运行，基于虚拟现实技术的机械企业产品在我们的机械企业中极少应用，即便在产品网络销售环节中大型电子商务网络机械产品的展示还停留在较传统的二维平面效果图状态，几乎未达到虚拟现实展示机械产品的逼真度、交互性，远远不能满足机械产品生命周期各阶段的用户需求。因而采用并积极推广基于虚拟现实技术的机械企业产品数据平台是企业提高产品效益、增强企业竞争力的有效途径。［4］在这个基础上，我们还应积极应用人工智能、大数据及物联网等一系列新技术改良平台，完善平台，我们相信随着基于虚拟现实技术的机械企业产品数据平台的应用及不断发展，企业一定会增加自己的核心竞争力，走上更广阔的智能化发展道路。

参考文献：

［1］张尧.Unity 2021从入门到实战［M］.中国水利水电出版社，2022，6.

［2］陈超祥，胡其登.SOLIDWORKS Composer使用指南 2018版［M］.机械工业出版社，2018，9.

［3］薛云娜.基于Composer的机械基础虚拟实验的研究［J］.机械设计，2022（39）.

［4］王亮.企业数字化转型应用趋势——集团级机械设备物联网平台项目建设［J］.营销界，2020（25）.

作者简介：刘秋平（1972— ），男，江苏扬州人，东南大学工学硕士，扬州市职业大学副教授，高级程序员，研究方向：虚拟现实、计算机辅助设计、软件工程。