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(天津理工大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院,天津 300191)

實(shí)物拆裝訓(xùn)練多采取集中訓(xùn)練的方式，對(duì)時(shí)間、場(chǎng)地、設(shè)備等資源有較多的要求。在航海專業(yè)技術(shù)仿真培訓(xùn)中，目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的有航海模擬器，輪機(jī)模擬器，而對(duì)拆裝仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究和應(yīng)用比較少[1]。針對(duì)這一情況，考慮結(jié)合VRML和Java建立虛擬拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)模擬實(shí)物拆裝。

1 系統(tǒng)的組成

針對(duì)船機(jī)拆裝訓(xùn)練要求，設(shè)計(jì)虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括船舶產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)展示、運(yùn)動(dòng)模擬、拆裝訓(xùn)練和拆裝測(cè)試。結(jié)構(gòu)展示的功能是多角度顯示產(chǎn)品的各個(gè)部件，使學(xué)員能夠了解船舶機(jī)械各部分的組成和在系統(tǒng)中所處的位置，掌握船舶產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)模擬的功能是使學(xué)員能清楚地觀看到機(jī)械內(nèi)部的工作情況。在拆裝訓(xùn)練中，在拆裝信息的引導(dǎo)下，學(xué)員利用鼠標(biāo)，鍵盤與場(chǎng)景中的零部件交互，學(xué)習(xí)拆裝，熟悉拆裝序列，拆裝方法。在拆裝測(cè)試中，學(xué)員能夠檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)結(jié)果，避免實(shí)物拆裝產(chǎn)生誤操作，同時(shí)也為教師提供了考核的依據(jù)。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 建立虛擬裝配體模型

在虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)中，采用VRML語(yǔ)言構(gòu)建虛擬環(huán)境，可供采用的三維模型工具有Pro/E，3dMax，Autocat等。Pro/E是非常適用的三維建模工具，如果具有詳細(xì)的圖紙，能夠建立精確的三維模型。而一般情況，很難得到產(chǎn)品的詳細(xì)圖紙，作為培訓(xùn)軟件，對(duì)于零部件的配合要求不是非常嚴(yán)格，在沒(méi)有確切的零部件圖紙的情況下，部分零部件可以采用3dmax作為主要的建模工具。3dmax是非常強(qiáng)大的三維建模工具，它具有為模型設(shè)置貼圖材質(zhì)，燈光，動(dòng)畫等強(qiáng)大的功能，而且這些效果可以隨著模型一起轉(zhuǎn)換成vrml格式文件，可以取得比較逼真的效果。

2.2 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品拆裝序列的確定

機(jī)械產(chǎn)品的拆裝存在多種可行的拆裝過(guò)程，在虛擬環(huán)境中，需要使得裝配體具有現(xiàn)實(shí)中裝配體的拆裝特性，即具有一定的拆裝序列，如何對(duì)該拆裝過(guò)程進(jìn)行模擬是需要解決的問(wèn)題。

裝配體的拆卸和安裝是可逆的過(guò)程，首先對(duì)拆卸過(guò)程進(jìn)行如下分析。

裝配體的拆卸過(guò)程具有一定的順序和限制，即某一零件的拆卸必須以另外的零件已經(jīng)拆卸完成為前提。對(duì)零件數(shù)量較少的裝配體而言，可行拆卸序列數(shù)量是有限的，在虛擬拆卸過(guò)程中，采用遍歷可行拆卸序列來(lái)檢驗(yàn)拆卸過(guò)程是簡(jiǎn)單可行的。但是對(duì)于復(fù)雜的裝配體，可行拆卸序列數(shù)量很多，以上方法很難實(shí)現(xiàn)。需要采用一定的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)拆些過(guò)程。

機(jī)械產(chǎn)品的拆卸過(guò)程是一個(gè)有序的過(guò)程，可以采用有向圖的方式將零部件的拆卸過(guò)程表達(dá)出來(lái)。如圖1所示的有向圖中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示對(duì)某個(gè)零件的拆裝任務(wù)，邊(i,j)表示在裝配序列中裝配任務(wù)i在裝配任務(wù)j的前面。在拆裝過(guò)程中，只有i任務(wù)完成了，才能完成j任務(wù)。那么，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的拆裝序列的求解就可以轉(zhuǎn)換成有向圖的拓?fù)渑判虻那蠼鈁2]。

圖1 有向圖

由圖1可知，有向圖的拓?fù)渑判虻慕饪臻g是不惟一的，可以存在多種排序序列。即在求解拆裝序列過(guò)程中，每一拆裝步驟中可選擇拆裝的零部件可能有多個(gè)。設(shè)計(jì)虛擬拆卸過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，存在著學(xué)員對(duì)拆卸零件的選擇。學(xué)員通過(guò)交互選擇在每一拆裝步驟中，只能選擇一種零件進(jìn)行拆卸，所以當(dāng)所有可拆卸的零件都選擇完畢后，最終得到一條可行的拆卸序列。

設(shè)計(jì)虛擬拆裝過(guò)程中拆卸序列的求解方式如下。

首先，確定拆裝有向圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用逆鄰接表[3]的方式來(lái)記錄有向圖中的頂點(diǎn)和邊的信息，見圖2。

圖2 有向圖的逆鄰接表

圖2是對(duì)圖1進(jìn)行存儲(chǔ)的逆鄰接表。由圖2可知，V1，V2節(jié)點(diǎn)不存在需要拆卸的先行節(jié)點(diǎn)，所以直接可對(duì)其進(jìn)行拆卸,V3的先行節(jié)點(diǎn)是V1，必須先對(duì)V1進(jìn)行拆卸后才能拆卸V3，V4，V5，V6同理。

然后，確定拆裝序列。當(dāng)學(xué)員選擇拆卸零件進(jìn)行拆裝時(shí)，觸發(fā)拆卸序列求解的具體步驟如下。

1)計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)的入度；

2)將入度為0的頂點(diǎn)入棧；

3)如果學(xué)員選擇的頂點(diǎn)為棧內(nèi)元素，則

①將該頂點(diǎn)放入拆卸序列中；將與其相鄰的頂點(diǎn)的入度減1；

②如果有新的入度為0的頂點(diǎn)出現(xiàn)，將其放入棧中；

否則，操作錯(cuò)誤。

以上方法解決了復(fù)雜裝配體中拆卸序列求解的問(wèn)題，裝配體的安裝是拆卸的一個(gè)逆過(guò)程，安裝過(guò)程的有向圖可以由拆卸過(guò)程的有向圖來(lái)改造，只需將所有的邊的箭頭反向即可。所以安裝過(guò)程的序列求解方法與拆卸過(guò)程相同。并且，安裝過(guò)程的實(shí)現(xiàn)以及安裝過(guò)程中的信息處理與拆卸方法相同。

2.3 拆裝過(guò)程的交互信息處理

VRML文件建立虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)員輸入的監(jiān)測(cè)，拆裝過(guò)程模擬的功能。JAVA語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)拆裝序列的檢驗(yàn)和確定，以及引導(dǎo)性拆裝信息的顯示。具體信息處理方式見圖3。

圖3 拆卸過(guò)程信息處理

VRML是由節(jié)點(diǎn)組成的語(yǔ)言，通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)表達(dá)信息。信息處理的VRML部分主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)表達(dá)零件模型信息和零件交互控制信息。JAVA部分主要包括獲取拆裝信息、判斷拆裝可行性、確定拆裝序列、顯示拆裝信息等。

在虛擬拆裝過(guò)程中，零件的交互式拆裝過(guò)程是通過(guò)學(xué)員的觸發(fā)作用產(chǎn)生的。零件的虛擬拆裝流程如下。

1)當(dāng)用戶點(diǎn)擊虛擬環(huán)境中的零件時(shí)，就意味著要對(duì)零件進(jìn)行拆裝操作。這時(shí)由VRML部分的零件交互控制節(jié)點(diǎn)——接觸檢測(cè)器監(jiān)測(cè)學(xué)員的動(dòng)作，將觸發(fā)信息轉(zhuǎn)變成JAVA部分可識(shí)別的操作參數(shù)，傳遞給JAVA實(shí)現(xiàn)部分。

2)JAVA實(shí)現(xiàn)部分的Script節(jié)點(diǎn)接收到操作參數(shù)后，根據(jù)設(shè)計(jì)的確定拆裝序列的算法進(jìn)行推理，判斷該零件是否可以拆裝。不管是否可拆裝，都會(huì)將拆裝信息顯示給用戶。

3)如果該零件是可拆裝的，則確定該零件為要拆裝的零件，將此信息發(fā)送到VRML部分中的零件模型信息節(jié)點(diǎn)，改變?cè)摿慵奈恢?，或是觸發(fā)該零件的一個(gè)拆裝動(dòng)畫，完成該零件的拆裝。如果零件不可拆裝，等待下一個(gè)觸發(fā)。

4)當(dāng)所有的零件被拆裝后，產(chǎn)生一個(gè)拆裝序列。

2.4 拆裝方式的表達(dá)

機(jī)械產(chǎn)品的拆裝方式是多種多樣的。在拆裝方式的表達(dá)上，對(duì)于簡(jiǎn)單的連接方式的拆裝，例如定位銷的拔出，安裝，可以通過(guò)改變零件的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于比較復(fù)雜的拆裝，例如螺釘?shù)穆萁樱钊牡醺椎?，可以采用拆裝動(dòng)畫的形式表現(xiàn)。VRML提供了多種制作動(dòng)畫的方式，可以直接采用動(dòng)畫節(jié)點(diǎn)設(shè)置零件拆裝的動(dòng)畫，也可以將時(shí)間觸發(fā)器，位置插補(bǔ)器，方向插補(bǔ)器等一起應(yīng)用于設(shè)定零件拆裝動(dòng)畫。當(dāng)學(xué)員觸發(fā)可拆裝的零件后，VRML的零件交互控制節(jié)點(diǎn)可調(diào)用該零件的拆裝動(dòng)畫，展示零件的拆裝方法。通過(guò)這種動(dòng)畫的表達(dá)，使得學(xué)員能夠準(zhǔn)確地理解零件的拆裝方式以及某些專用工具的使用，便于學(xué)員更好地掌握拆裝知識(shí)。動(dòng)畫完成后，零部件到達(dá)其拆裝后的位置或安裝的位置。

3 虛擬拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

虛擬拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)是通過(guò)瀏覽器和VRML插件顯示，所以整體可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽，便于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程示教。圖4為柴油機(jī)拆裝訓(xùn)練中的測(cè)試部分模塊。虛擬環(huán)境區(qū)是學(xué)員可以操作的區(qū)域，當(dāng)學(xué)員進(jìn)行操作時(shí)，相應(yīng)的信息會(huì)顯示在右側(cè)。拆裝練習(xí)中，拆裝信息提示區(qū)會(huì)給學(xué)員下一步的拆裝以合理的提示，學(xué)員根據(jù)提示可以完成拆裝練習(xí)。而在拆裝測(cè)試中，對(duì)于學(xué)員的每個(gè)操作都會(huì)有正誤的判斷，可以檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)成果。如果學(xué)員拆裝正確，則將操作的零部件加入拆裝序列區(qū)，累計(jì)正確操作步數(shù)和剩余步數(shù)；拆裝錯(cuò)誤，則顯示錯(cuò)誤信息，并累計(jì)錯(cuò)誤操作的步數(shù)。

圖4 柴油機(jī)拆裝訓(xùn)練中的測(cè)試部分模塊

4 結(jié)論

該系統(tǒng)是一種可供教學(xué)、拆裝實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的培訓(xùn)系統(tǒng)，為船機(jī)拆裝的有效展開提供了思路。但對(duì)于一個(gè)完善的培訓(xùn)系統(tǒng)而言，需要結(jié)合培訓(xùn)要求進(jìn)一步完善設(shè)備的種類，豐富拆裝的手段和方法，這也是下一步要做的工作。

[1] 史成軍,郭 晨，彭水生,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在輪機(jī)模擬器中的應(yīng)用[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(S1):39.

[2] 汪興謙,牛燕民,鄧諄諄.VRML與Java編程實(shí)例講解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[3] 嚴(yán)蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996:179-180.