摘 要：將Matlab軟件的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱、M編程語言與VRML技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一種能夠?qū)Ω黝惓Ｓ猛馆啓C(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過簡潔的圖形用戶界面，能夠?yàn)橛脩籼峁└鞣N常用凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維造型和虛擬運(yùn)動仿真，并具有輔助參數(shù)優(yōu)化、性能分析、圖文數(shù)據(jù)輸出等功能，同時(shí)用戶還可以對實(shí)時(shí)生成的凸輪機(jī)構(gòu)虛擬場景進(jìn)行交互操作，控制仿真進(jìn)程。實(shí)踐表明，運(yùn)用該方法開發(fā)的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能合理地利用VRML和MATLAB各自的優(yōu)點(diǎn)，大大降低開發(fā)的難度和強(qiáng)度，縮短開發(fā)時(shí)間。 關(guān)鍵詞：VRML MATLAB 面向?qū)ο缶幊?凸輪機(jī)構(gòu) 虛擬設(shè)計(jì) 引言 凸輪機(jī)構(gòu)是重要的傳動機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)和制造一直是機(jī)構(gòu)學(xué)的熱點(diǎn)。MAT—LAB自從6．1版本后集成了虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱（VirtualRealityToolbox），可對由VRML技術(shù)生成的虛擬場景進(jìn)行可視化操作和交互控制，為虛擬設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的可能。作者通過對MATLAB軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（VRML）、虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)和凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究后，產(chǎn)生了將MATLAB與VRML相結(jié)合來開發(fā)凸輪機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)想，建立了凸輪機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，開發(fā)出了一種能夠?qū)Ω黝惓Ｓ猛馆啓C(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。 1 基本技術(shù)介紹 本軟件在wind0ws2o0O／NT平臺下，采用MATLAB所提供的M語言進(jìn)行編程，以VRML技術(shù)實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)的三維造型，并通過MATLAB的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱所提供的接口來實(shí)現(xiàn)對虛擬場景的交互和仿真。 1．1 虛擬現(xiàn)實(shí)與VRML技術(shù) 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）是指綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和各種顯示、控制等接口設(shè)備生成的給人多種感官刺激和交互性操作的虛擬環(huán)境（Virtual Environ—ment），是一種高級的人機(jī)交互系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有多感知性（Multi—Sensory）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）、自主性（Autonomy）等特點(diǎn)，符合人們自然交互的習(xí)慣，是虛擬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 VRML（虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言，Virtual Reality ModelingLanguage）是SGI公司開發(fā)的一種3D造型和渲染的圖形描述性語言，1997年12月被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOJYCI／SC24委員會認(rèn)定為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO／IEC 14772一l：1997）。VRML是一種基于文本、描述圖形的三維造型和渲染的語言，在創(chuàng)建虛擬場景方面比任何編程語言都簡單。它通過節(jié)點(diǎn)（Node）定義了3D應(yīng)用中大多數(shù)概念，如光源、視點(diǎn)、幾何形體、霧、材質(zhì)屬性和紋理映射等，具有交互功能強(qiáng)、平臺無關(guān)性、源代碼開放、體積小、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。VRML提供了6+1個(gè)自由度，可以沿著3個(gè)方向移動和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還可以建立與其它三維空間的超鏈接。 1．2 MA rLAB及其虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱 MATLAB是美國MathWorks公司開發(fā)的用于教育、工程與科學(xué)計(jì)算的軟件產(chǎn)品，是國際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。MATLAB主要由MATLAB 主程序、Simulink動態(tài)仿真系統(tǒng)和功能各異的MATLAB工具箱（Toolbox）3大部分組成。其中主程序包括了MATLAB語言（M語言）、開發(fā)環(huán)境、圖形句柄、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口5個(gè)部分；Simulink是一個(gè)用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，具有直觀、方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)；MATLAB工具箱是MATLAB軟件在使用的過程中根據(jù)不同專業(yè)領(lǐng)域的特殊需要而用M語言編寫的一些M文件的集合，以方便地解決本領(lǐng)域內(nèi)常見的問題。目前MATLAB已擁有了50多個(gè)工具箱和功能模塊，能夠解決許多專業(yè)領(lǐng)域的問題，同時(shí)這些工具箱在MATLAB環(huán)境中可以相互調(diào)用，從而極大地?cái)U(kuò)展了MATLAB在各領(lǐng)域內(nèi)的能力。 MATLAB在6．1版以后便集成了虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱（Virtual Reality Tolbox），將MATLAB和Simulink的能力拓展到了虛擬現(xiàn)實(shí)圖形。使用標(biāo)準(zhǔn)的VRML技術(shù)，就可以通過MATLAB和Simulink環(huán)境生成三維場景：虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱提供了靈活的與虛擬現(xiàn)實(shí)世界相連的MATLAB接口，通過這些接口，可以方便地完成對虛擬場景中各節(jié)點(diǎn)的控制，從而為MATLAB能在一個(gè)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行可視化操作和與動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交互提供了一種有效的解決方案。 本文所用MATLAB為6．5．1版，相應(yīng)的Simulink版本為5．1版，虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱為Virtual Reality rbolbox 3．1： 2 軟件的設(shè)計(jì)思想 本虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，集成有各類常用凸輪的工作曲面數(shù)據(jù)點(diǎn)的生成；三維圖形建模、顯示、觀察、控制；凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬；凸輪機(jī)構(gòu)的性能分析；用戶與虛場景的動態(tài)交互操作；壓力角、曲率及優(yōu)化分析；數(shù)據(jù)可視化、設(shè)計(jì)結(jié)果保存及系統(tǒng)幫助等一系列功能。系統(tǒng)開發(fā)的最基本的設(shè)計(jì)思想在于利用相對成熟的MATLAB和VRML各自的功能和特長，來降低虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度，簡化虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體上遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，并采用MATLAl～所提供的面向?qū)ο缶幊谭绞降母呒壵Z言——M語言來編程實(shí)現(xiàn)： 在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，利用MATLAB中有關(guān)的計(jì)算、圖形函數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在數(shù)值計(jì)算及可視化方面的功能；利用MATLAB的圖形用戶界面（GU）技術(shù)，開發(fā)用戶與系統(tǒng)交互的人機(jī)界面；通過編程實(shí)時(shí)生成VRML場景文件；利用VRML的三維造型和圖形渲染功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三維圖形及交互控制功能；利用MATLAB中的simli～仿真模型及虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱中的有關(guān)接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)在虛擬場景中的動態(tài)仿真。 3 系統(tǒng)的功能模塊 本系統(tǒng)共含有啟動模塊、主界面模塊、參數(shù)錄入模塊、運(yùn)動規(guī)律模塊、優(yōu)化分析模塊、參數(shù)校核模塊、虛擬原型生成模塊、仿真模型模塊等8個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊將通過所包含的程序完成預(yù)定的功能，各功能模塊說明如下： 啟動模塊 本模塊由系統(tǒng)啟動程序camvdstart．Ill組成。該程序主要以基于命令行的方式來構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)啟動的歡迎界面，并將系統(tǒng)的開發(fā)單位及版權(quán)等信息反應(yīng)到該界面上。 主界面模塊 主界面模塊由程序camvirtualde—sign．Ill構(gòu)成，它和參數(shù)錄入模塊中的有關(guān)程序一起運(yùn)行，構(gòu)成用戶與系統(tǒng)交互的凸輪機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)的主界面：與啟動程序類似，camvirtualdesign．Ill也主要是以基于命令行的方式來構(gòu)建圖形用戶界面，它提供了用戶與系統(tǒng)交互界面的基本框架，也是系統(tǒng)調(diào)用和管理其它模塊的基本模塊。基于方便用戶使用、窗口設(shè)置精要的思想，該模塊通過加強(qiáng)共用、實(shí)時(shí)刷新等方法和技術(shù)，將各類凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的交互界面都集中在一個(gè)主界面上，用戶只需在主界面上操作即可完成各類凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析和仿真全過程，從而大大減少了人機(jī)界面窗口，保證了系統(tǒng)界面的簡潔，方便了用戶的使用參數(shù)錄入模塊 該模塊根據(jù)不同的凸輪機(jī)構(gòu)類型提供相應(yīng)的參數(shù)錄入界面，以完成凸輪機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)輸入。該功能模塊包含有多個(gè)子程序模塊，每個(gè)子程序?qū)a(chǎn)生一個(gè)圖形界面，顯示在主界面模塊提供的“凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)錄入?yún)^(qū)”內(nèi)。各子程序提供的界面之間存在著關(guān)聯(lián)設(shè)置，同一時(shí)間只能調(diào)用某一子程序，即只能顯示一種子程序所提供的界面，之前調(diào)用的子程序所提供的界面將被清除。 運(yùn)動規(guī)律模塊 本模塊由運(yùn)動規(guī)律子程序movementrule．Ill來實(shí)現(xiàn)其功能。該程序通過s～tch⋯case結(jié)構(gòu)語句收錄了常用的l6種運(yùn)動規(guī)律的位移、速度、加速度和躍度無因次表達(dá)式，當(dāng)該程序被調(diào)用時(shí)，程序通過傳遞過來的運(yùn)動規(guī)律標(biāo)識符的值，運(yùn)行計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)動規(guī)律各無因次表達(dá)式的值并將其返回給調(diào)用函數(shù)或工作空間（Workspace）。 優(yōu)化分析模塊該模塊由一些與各凸輪機(jī)構(gòu)類型相對應(yīng)的優(yōu)化分析子程序組成。這些子程序針對不同類型凸輪機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化分析的內(nèi)容，通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算分析，而后通過可視化命令函數(shù)plot在綜合顯示區(qū)以圖形的方式顯示出來。用戶通過配合 使用通用按鈕區(qū)內(nèi)的有關(guān)按鈕，對綜合顯示區(qū)內(nèi)的圖形進(jìn)行操作、觀察和分析，以幫助選擇比較理想的有關(guān)參數(shù)。 參數(shù)校核模塊 參數(shù)校核模塊用于對各類凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角和曲率半徑進(jìn)行檢查校核，以確保凸輪機(jī)構(gòu)的有關(guān)性能。由于各類凸輪機(jī)構(gòu)需校核的參數(shù)不盡相同，各校核的表達(dá)式也不盡相同，所以該模塊也包含有若干個(gè)不同的子程序。 虛擬原型生成模塊 虛擬原型生成模塊是系統(tǒng)的重要功能模塊，它包含有數(shù)種子程序，分別用“等轉(zhuǎn)角法”計(jì)算各類凸輪機(jī)構(gòu)的工作曲面的空間坐標(biāo)值，而后根據(jù)一定的約束關(guān)系自動生成相應(yīng)的凸輪和從動件的虛擬原型VRML文件，并配以一定的背景、燈光、視點(diǎn)和場景信息，構(gòu)成一個(gè)完整的凸輪機(jī)構(gòu)虛擬場景VRML文件。該功能模塊是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維可視化和虛擬動態(tài)仿真的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)時(shí)，軟件用多面體的邊界表示法來定義和存儲凸輪的形體信息。這樣，通過各凸輪機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型求出凸輪工作輪廓曲線的空間坐標(biāo)后，再通過VRML中的有關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)凸輪工作曲面的空間造型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凸輪和凸輪機(jī)構(gòu)的三維造型，其實(shí)現(xiàn)過程按“規(guī)劃凸輪機(jī)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)一獲取運(yùn)動參數(shù)和幾何參數(shù)一取步長，確定等分角一的無因次化處理一調(diào)用運(yùn)動規(guī)律子程序一計(jì)算工作曲面邊界坐標(biāo)一計(jì)算凸輪邊界坐標(biāo)一計(jì)算從動件坐標(biāo)一數(shù)據(jù)處理一規(guī)劃虛擬場景結(jié)構(gòu)一VRML文件生成”的流程進(jìn)行。 仿真模型模塊該功能模塊包含有各種不同的凸輪機(jī)構(gòu)simlink仿真模型，在系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真時(shí)根據(jù)不同的凸輪類型調(diào)用相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)對虛擬場景中的凸輪機(jī)構(gòu)的控制和運(yùn)動仿真。系統(tǒng)通過以上八種功能模塊問的調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞，形成一個(gè)有機(jī)的整體，從而完成各類凸輪機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能模塊的調(diào)用關(guān)系及工作機(jī)理如圖1 所示。 4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 選擇系統(tǒng)啟動程序cmnvdstart．m運(yùn)行，系統(tǒng)在顯示啟動界面幾秒后將自動進(jìn)入凸輪機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)主界面。用戶在主界面上通過單選框和下拉式菜單選擇完待設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)類型后，主界面的參數(shù)錄入?yún)^(qū)將刷新顯示所選凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)錄入界面。通過該界面，用戶可設(shè)計(jì)一些常用的凸輪機(jī)構(gòu)，圖2為設(shè)計(jì)滾子直動從動件圓柱凸輪時(shí)截取的人機(jī)界面。其中右側(cè)部分為設(shè)計(jì)主界面，左側(cè)部分是在設(shè)計(jì)需要三維顯示和動態(tài)仿真時(shí)才自動打開的裝有blaxxun CC3D插件的IE瀏覽器，用戶可對瀏覽器進(jìn)行隨意拖放和大小調(diào)整，還可對其中的虛擬場景進(jìn)行交互操作。 設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)將通過綜合顯示區(qū)為用戶提供一些有關(guān)參數(shù)優(yōu)化、性能分析的等方面的信息，如圖2中的綜合顯示區(qū)內(nèi)顯示的是所選從動件運(yùn)動規(guī)律的無因次化運(yùn)動特性圖，通過右側(cè)的“縮放開關(guān)”與“柵格顯示”按扭可對該圖進(jìn)行放大、縮小和背景柵格顯示、關(guān)閉等處理。圖3是設(shè)計(jì)盤形凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)綜合顯示區(qū)內(nèi)的有關(guān)輔助優(yōu)化的分析圖例，圖3b是對圖3a進(jìn)行局部放大并打開柵格顯示時(shí)的情況。對壓力角或曲率半徑的校核，系統(tǒng)將以彈出信息框的方式給出校核結(jié)果和改進(jìn)提示。另外，若用戶在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了漏設(shè)、錯(cuò)設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)或錯(cuò)誤操作，系統(tǒng)也將以彈出信息框的方式給出錯(cuò)誤提示。 當(dāng)初步設(shè)計(jì)出凸輪機(jī)構(gòu)后，就可通過鼠標(biāo)操作，對所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)在虛擬場景中進(jìn)行全方位的交互操作和觀察，并通過“三維仿真”和“停止仿真”按鈕進(jìn)行虛擬動態(tài)仿真、控制仿真進(jìn)程。這時(shí)還可通過“性能分析”按鈕，在綜合顯示區(qū)內(nèi)觀察凸輪運(yùn)動時(shí)的一些運(yùn)動參數(shù)特性：圖4、圖5等是利用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尖底直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)和弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)，對設(shè)計(jì)滿意的凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)、圖形等數(shù)據(jù)可通過“保存數(shù) 據(jù)”按鈕保存到用戶指定的文件夾。 5 結(jié)語 VRML是一種標(biāo)準(zhǔn)的、應(yīng)用廣泛的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，具有功能較強(qiáng)、源代碼開放、較易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；MAT—LAB軟件功能強(qiáng)大，其語言語句簡單，內(nèi)涵豐富，形式開放，可擴(kuò)展性好，所集成的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱將MAT—LAB／Simlink的卓越功能拓展到了VRML所創(chuàng)造的虛擬世界之中。將MATLAB與VRML相結(jié)合來開發(fā)凸輪機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能合理利用MATLAB軟件和VRML技術(shù)已有的優(yōu)點(diǎn)，吸取各自的長處，從而有效降 低軟件開發(fā)的難度和強(qiáng)度，對縮短軟件開發(fā)周期，提高軟件性能具有重要意義。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使得用戶能夠快速地對各種常用的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬仿真，同時(shí)也為以MATLABT和VRML為基礎(chǔ)開發(fā)其它虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)奠定了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。