摘要： 利用Pro/E软件建立减速器和测绘工具的三维模型，并生成VRML代码。在此基础上，通过VRML语言的程序设计和代码优化，用HTML语言构建用户界面，成功开发了一级圆柱齿轮减速器虚拟测绘平台。本文具体介绍了该虚拟测绘平台的开发技术和方法。
Abstract： In this paper， the models of both I-cylinder gear reducer and mapping tools are built by Pro/E software， and they are transformed into VRML codes. On the basis of it， by use of developing user interface in HTML，programming in VRML and it"s code optimum， a virtual mapping platform is established for the parts of the reducer. So， some of technology and method is discussed about development of the virtual software.
关键词： 减速器；虚拟测绘；VRML；代码优化
Key words： reducer；virtual mapping；VRML；code optimum
中图分类号：TP39；TH12 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0184-03
0 引言
为了加强机械制图课程的实践教学环节，在教学大纲中都要安排为期1周的测绘课程，其测绘对象为一级圆柱齿轮减速器。而实际上，由于学生数量多、减速器和测绘工具少、测绘教室紧张等原因，往往导致相当一部分学生不能参与实际测绘，严重影响了测绘课程的实际效果。另外，也由于人多物杂，测绘时损坏工具、丢失碎小零件的现象经常发生，造成了财产和经济损失，更影响了以后的课程教学。随着计算机技术和网络技术的发展，借助虚拟现实技术，通过网络平台来构建虚拟测绘实验室，不仅节省教学资源，而且对学生进行工程技能培训将起到重要作用。
1 虚拟现实技术与VRML语言
虚拟现实（Virtual Reality）是利用计算机技术和多媒体技术等在计算机上营造一个仿真的现实空间环境，用户可对该环境中的对象进行观看、操作和控制，使用户产生身临其境的融入感和参与感。
将VR技术应用于机电产品的设计、装配和维护中，通过建立产品的虚拟模型，可在计算机上检测和验证产品结构的合理性、装配工艺的正确性和维护操作的可行性，发现产品设计和装配中存在的问题，为产品模型的设计和修改提供决策依据；在机电设备的安装、调试、维修过程中，可对工程技术人员进行相关操作的培训和演练。
VRML是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，具有平台无关性，是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML是虚拟现实造型语言的简称，本质上是一种面向Web、面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，给结点赋以名字进行定义后，可以通过实例得到复用；使用一些结点的集合可以构成更为复杂的景物，然后利用各种传感器和插补器对其进行控制，进而可建立动态的虚拟世界。
与基于Flash软件创建的二维动画或基于3DS max、Pro/E、Solid works等专业软件制作的三维动画或视频相比，用VRML制作三维虚拟场景具有许多突出优点，如：可将二维、三维图形和动画、影片、声响、音乐等多种效果灵活地集成在一起，便于构建虚拟的真实环境；允许用户对环境中的对象实施操作和控制，令用户有身临其境的感觉；提供对内的树型场景结构和对外的分布式场景组织，连通互联网；文件小、最适合在网上传输，与播放平台无关，等等。
2 减速器虚拟测绘平台的研发
2.1 虚拟测绘平台的总体设计 虚拟测绘平台的总体设计主要包括：开发平台及开发工具的选择；技术路线的确定；编程语言及其接口的选用；软件总体结构及用户界面的设计等。图1是关于总体设计的技术路线图。
本文在对一级圆柱齿轮减速器的结构组成、装配关系、工作原理，以及对常用测绘工具的类型、用途、使用方法等进行细致分析的基础上，选择三维参数化建模软件Pro/E 4.0建立减速器零部件和测绘工具的三维实体模型，并生成VRML代码；选择VrmlPad2.1编辑器对VRML代码进行集成、编辑、优化，创建测绘所需的虚拟环境；选用Cortona浏览器播放VRML代码文件；使用超文本标记语言HTML建立网页形式的主界面，整个页面分为两个框架，左边为菜单目录区，右边为信息显示区，如图2所示。
2.2 虚拟测绘平台的主要功能
①介绍一级圆柱齿轮减速器结构组成、装配关系和工作原理；
②介绍常用测绘工具种类、作用和测绘方法；
③一级圆柱齿轮减速器的虚拟拆装过程；
④一级圆柱齿轮减速器主要零件的虚拟测绘。
2.3 虚拟测绘平台的实现方法 VRML语言提供了最基本的建模功能，但对于比较复杂的零部件，一般都使用专业的CAD软件进行建模。本文在使用Pro/E对减速器和测绘工具进行建模时，首先建立一系列单个零件的三维模型并进行着色或渲染，形成零件文件（*.prt）；然后根据它们之间的装配关系建立约束或连接，建立相应的组件文件（*.asm）；最后选择模型转换精度，将最终的组件文件通过软件接口可生成一系列的VRML文件（*.wr1）。
由（*.prt）文件得到的VRML代码，一般都包括用于映射虚拟对象的Viewpoint、Group、Anchor、Shape、Transform等节点，以及这些节点所需要的域和域值；由（*.asm）文件得到的VRML代码，一般都包括Viewpoint、Transform和Inline等节点。其中，Viewpoint节点使用position域和orientation域来设置观察者的观察位置和方向；Transform节点使用Translation域和Rotation域实现对象的平移和旋转变换；而Inline节点则使用url域引入外部的VRML文件，从而能构造出非常复杂的虚拟场景但又不会使主文件很庞大，文件结构清晰，便于修改或分工协作。 接下来，则需要用户在VRML文件中添加一些必要的信息，如：使用DirectionalLight或SpotLight节点为环境设置灯光效果；使用Sound节点设置音响效果；使用Time
Sensor节点和一系列插值节点（如：PositionInterpolator、OrientationInterpolator、ScalarInterpolator、ColorInterpolator、CoordinateInterpolator等）并结合ROUTE（路由）实现动画效果；使用各种传感器节点（如：Collision、CylinderSensor、PlaneSensor等）实现对象行为的检测和控制，而使用TouchSensor节点或Script节点实现交互，等等。
2.4 VRML文件代码的优化 使用专业CAD软件生成的VRML文件中往往存在着大量的冗余信息，或者在用户编写代码过程中为了提高程序的可读性，经常在文件中添加许多注释文本等。这些信息的存在，不仅浪费了宝贵的网络资源，而且也会降低文件在网上的传送速度。所谓代码优化，是指在不改变程序运行结果的前提下，通过删除代码中的冗余信息或者通过压缩代码而使文件“瘦身”的过程。本文主要采用了以下优化方法。
①合理使用模型转换精度。由模型文件转化为VRML文件时，Pro/E软件提供了高、中、低三种精度，精度越高，所生成的代码文件也就越大。一般情况下，用户应选择中等精度为宜。
②使用DEF…USE语句。在一个文件中，如果一个对象或者域值被反复使用多次，可在第一次引用时借助DEF定义为有名对象或节点，这样在后续的引用时，就能通过USE命令进行多次调用。其调用的次数愈多，代码的优化效果愈明显。
③手动删除一些冗余信息。在VRML文件的开始部分，往往包含了原CAD软件的名称、版本号等属性信息。用户可将这些信息和部分不需要的Viewpoint节点手动删除，而与之相关联的内容也须一并删除，否则程序将显示错误提示而无法运行。
④使用专用工具优化代码。VrmlPad2.1编辑器提供了一组专用命令，如：Reformat Code、Remove Commands、Remove Default Fields、Optimize Code、Optimize Code and keep Commands、Unindent Code等。利用这些工具，用户可快速删除空行、不必要的0、缺省域、注释、未使用的标识符等信息。
⑤通过文件压缩进行优化。经过前面的优化方式方法之后，可采用gzip压缩工具对文件进行压缩；或者在保存VRML文件时，在“保存文件”对话框上勾选“压缩保存”选项进行压缩保存。压缩后的文件通常只有原来的1/3左右，而且压缩过的文件不再是文本文件，这在一定程度上也实现了文件的加密。
3 减速器零部件的虚拟测绘
减速器虚拟拆装动画需要确定好拆装顺序和拆装路径。拆装顺序是按照其实际的装配关系设置若干时间传感器来确定；拆装路径则是利用位置插补器和方位插补器来实现的。当用户点击一拆、装按钮时，即激活一时间传感器；该传感器通过路由的输出事件驱动插补器节点，即可实现减速器的拆装动画，如图3所示。
本文所提供的测绘平台，可使用直尺、游标卡尺、内卡钳、外卡钳、圆角规、螺纹规等工具完成长度、内径、外径、圆角半径、螺距等项目的测量。
当需要测绘某个零件时，用户只要从菜单中选取所需的测量任务，相关零件和测绘工具就会显示出来。这时，点击测绘工具（例如游标卡尺），就会自动完成对齿轮轴外径的测量，如再点击游标卡尺上的小旋钮，还会自动显示出测量数据等，如图4所示。
4 结束语
通过Pro/E软件和VRML、HTML语言相结合，成功地开发了一级圆柱齿轮减速器虚拟测绘平台，可实现长度、内径、外径、圆角半径、螺距等项目的虚拟测量，能较好地满足教学和工程培训的需要。这不仅操作简单、形象直观，使用户富有沉浸感，而且节省时间和场地，也不会造成器件的丢失和破损，因此，虚拟实验技术具有良好的发展与应用前景。
参考文献：
[1]马希青等主编.《Pro/E Wildfire三维造型实用教程》.中国矿业大学出版社，2007.8.
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