鄭培峰

(福建廣播電視大學(xué)，福建福州，350003)

滾珠絲杠螺母副在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給傳動(dòng)裝置中被廣泛采用，因此在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)的《數(shù)控設(shè)備與編程》課程中作為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹。[1]但由于滾珠絲杠螺母副種類多，結(jié)構(gòu)及工作原理復(fù)雜，而且在實(shí)際數(shù)控設(shè)備中，滾珠絲杠是處于完全封閉狀態(tài)的，不能觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程，采用傳統(tǒng)的圖片加文字講解的教學(xué)方法，學(xué)生難以理解，教學(xué)效果極差。因此，通過(guò)展示內(nèi)、外循環(huán)滾珠絲杠螺母副的三維模型，讓學(xué)生自行鼠標(biāo)操作、動(dòng)畫演示展示滾珠絲杠螺母副的種類、工作過(guò)程及調(diào)隙方法，形象觀察滾珠如何在絲杠、螺母中進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，對(duì)學(xué)生掌握各種滾珠絲杠螺母副的異同點(diǎn)有很大的幫助。這種直觀、感性的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了讓學(xué)生想學(xué)、愛學(xué)、會(huì)學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。

一、Virtools技術(shù)

Virtools是法國(guó)達(dá)索公司的一款虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，可以將現(xiàn)有常用的文檔格式(如3D的模型、2D圖形或音效等)整合在一起。它是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，可以利用拖放的方式，將Building Blocks(行為交互模塊，以下簡(jiǎn)稱BB)賦予在適當(dāng)?shù)腛bject(對(duì)象)或是Character(虛擬角色)上，以流程圖的方式，決定BB的前后處理順序，從而實(shí)現(xiàn)可視化的交互腳本設(shè)計(jì)，逐漸編輯成一個(gè)完整的交互式虛擬世界。與C、C++等傳統(tǒng)程序語(yǔ)言相比，模塊化的程序指令能大大降低學(xué)習(xí)門坎，適合沒有編程基礎(chǔ)的3D設(shè)計(jì)人員。目前，Virtools在三維游戲設(shè)計(jì)、工業(yè)仿真、建筑漫游、數(shù)字藝術(shù)、互動(dòng)多媒體等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，己經(jīng)成為國(guó)際主流的虛擬現(xiàn)實(shí)研發(fā)平臺(tái)。[2]

采用Virtools技術(shù)開發(fā)本課件，能夠模擬真實(shí)的課件場(chǎng)景和真實(shí)的設(shè)備，讓學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)感，并且開發(fā)難度小，易于實(shí)現(xiàn)。

二、課件功能模塊的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

(一)課件功能模塊綜述

1.外循環(huán)滾珠絲杠模塊

該模塊包含兩個(gè)子模塊:插管式和螺旋槽式。用戶將鼠標(biāo)移到外循環(huán)滾珠絲杠的任一位置上，則顯示該位置對(duì)應(yīng)部件的名稱；用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，可以顯示/隱藏外循環(huán)滾珠絲杠的內(nèi)部滾珠，可以觀察外循環(huán)滾珠絲杠內(nèi)部滾珠的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠模塊

與上一模塊相似，用戶將鼠標(biāo)移到內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的任一位置上，則顯示該位置對(duì)應(yīng)部件的名稱；用戶點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，可以顯示/隱藏內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的內(nèi)部滾珠，可以觀察內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠內(nèi)部滾珠的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，還可以單獨(dú)顯示反向器的結(jié)構(gòu)。

3.軸向間隙模塊

該模塊包含兩個(gè)子模塊:軸向間隙產(chǎn)生原因和軸向間隙消除方法。利用3DSMAX創(chuàng)建滾珠絲杠的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫視頻，形象展示了軸向間隙產(chǎn)生的原因；通過(guò)自動(dòng)演示兩個(gè)絲杠螺母副的裝配，并動(dòng)畫演示裝配中內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過(guò)程，形象說(shuō)明軸向間隙的消除方法。

4.解說(shuō)和背景音樂模塊

為了便于用戶自學(xué)，用戶進(jìn)入某一模塊時(shí)，課件會(huì)自動(dòng)播放該模塊的解說(shuō)聲音，當(dāng)然也可以單擊相應(yīng)按鈕關(guān)閉或重新播放解說(shuō)聲音與背景音樂。

(二)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.3 DSMAX建模時(shí)的注意點(diǎn)

(1)滾珠運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫的制作

本課件所涉及到的三種滾珠絲杠的滾珠運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，都是在3DSMAX中制作的。制作思路是:畫一個(gè)滾珠的運(yùn)動(dòng)路徑的樣條線，利用間隔工具沿運(yùn)動(dòng)路徑復(fù)制出多個(gè)滾珠，對(duì)每一個(gè)滾珠，添加路徑約束的位置控制器，添加的路徑為所創(chuàng)建的樣條線，同時(shí)設(shè)置好滾珠的起始幀和終止幀的路徑百分比，使得各個(gè)滾珠能依次運(yùn)動(dòng)(如圖3-1)。本課件涉及的三種滾珠絲杠螺母副，需要分別建模，存為不同文件，注意不要把三種模型放在同一3DSMAX文件中，否則在導(dǎo)入Virtools后，會(huì)造成模型難以區(qū)分，不利于BB的設(shè)置。

圖3-1 滾珠路徑約束動(dòng)畫設(shè)置

(2)從3DSMAX中輸出NMO文件

利用3DSMAX的導(dǎo)出功能將模型輸出為Virtools能夠識(shí)別和處理的NMO格式，要完成該格式的輸出，必須要在系統(tǒng)中安裝針對(duì)3DSMAX的輸出插件Virtools Exporters for 3DSMAX。由于之前制作的模型帶有動(dòng)畫，最好對(duì)每個(gè)3DSMAX模型文件分別輸出兩次，第一次輸出為Export as a Character(輸出虛擬角色)，設(shè)好Character Name(角色名稱)，第二次輸出為Export Animation Only(只輸出動(dòng)畫)，設(shè)好Animation Name(動(dòng)畫名)，這樣做的目的是便于在Virtools中對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置BB。

2.課件的交互設(shè)計(jì)

模型導(dǎo)入Virtools后，利用它提供的BB及其組合對(duì)模型賦予腳本，完成交互功能的實(shí)現(xiàn)。該模塊是整個(gè)課件中最重要，最關(guān)鍵的模塊，主要完成三維物體的交互功能。

(1)旋轉(zhuǎn)縮放視圖

當(dāng)用戶單擊并拖動(dòng)鼠標(biāo)左鍵時(shí)，視圖會(huì)隨著鼠標(biāo)的拖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，以方便用戶從各角度觀察。此模塊的思路如下:①設(shè)置好一個(gè)初始攝像機(jī)，作為觀察物體的初始視圖；②創(chuàng)建一個(gè)三維幀，作為攝像機(jī)視點(diǎn)的參考對(duì)象，該三維幀必須位于所觀察物體的中心；③對(duì)此三維幀創(chuàng)建BB(如圖3-2)，Mouse Waiter控制鼠標(biāo)的左鍵按下和彈出動(dòng)作；Parameter Selector實(shí)現(xiàn)觀察角度的變化，需要把對(duì)應(yīng)的參數(shù)類型改為Angle(角度)，值設(shè)為 30；Mouse Camera Orbit實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)在有限的角度內(nèi)控制攝像機(jī)環(huán)繞一個(gè)3D Entity(三維實(shí)體)，將之前創(chuàng)建的三維幀作為參考目標(biāo)。

圖3-2 環(huán)繞攝像機(jī)BB設(shè)置

(2)鼠標(biāo)移到物體上顯示相應(yīng)文字

當(dāng)鼠標(biāo)移到物體上，物體下方會(huì)顯示相對(duì)應(yīng)的部件名稱。此模塊的設(shè)計(jì)思路如下:①在物體的下方創(chuàng)建一個(gè)二維幀；②創(chuàng)建材質(zhì)，材質(zhì)的貼圖是表示部件名稱的圖片，每個(gè)部件對(duì)應(yīng)一個(gè)材質(zhì)；③創(chuàng)建一個(gè)Array(陣列)，該陣列有兩列，列類型分別是3D Entity(3D實(shí)體)和Material(材質(zhì))，列內(nèi)容分別是部件名稱及對(duì)應(yīng)材質(zhì)名，將課件所涉及的所有部件名及對(duì)應(yīng)的材質(zhì)名；④在Level層創(chuàng)建BB(如圖3-3)，其中2D Picking用于拾取鼠標(biāo)選中的部件名，Iterator if用于對(duì)陣列進(jìn)行循環(huán)判斷，判斷陣列中是否有滿足條件的行(即是否有鼠標(biāo)選中的部件名)，如果條件滿足，則用Set 2D Material把二維幀材質(zhì)設(shè)為與選中部件相對(duì)應(yīng)的材質(zhì)。

圖3-3 鼠標(biāo)移到物體顯示相應(yīng)文字BB設(shè)置

(3)設(shè)置3D實(shí)體的直線運(yùn)動(dòng)

在觀察兩個(gè)滾珠絲杠螺母副的裝配過(guò)程中，需要設(shè)置模型的直線運(yùn)動(dòng)BB(如圖3-4)，此BB的設(shè)計(jì)思路如下:①使用Bezier Progression(貝茲級(jí)數(shù))設(shè)置運(yùn)動(dòng)時(shí)間；②使用Interpolator(內(nèi)插運(yùn)算)實(shí)現(xiàn)對(duì)部件在空間中坐標(biāo)變換過(guò)渡；③使用Set Position(設(shè)定位置)實(shí)現(xiàn)部件從初始位置到目標(biāo)位置的變換。[3]

圖3-4 直線運(yùn)動(dòng)BB設(shè)置

(4)控制3DSMAX動(dòng)畫的播放

把在3DSMAX中做好的滾珠動(dòng)畫輸出為NMO文件后，導(dǎo)入Virtools中，打開Level Manager(層級(jí)管理器)，在Global Animations中可以查看到導(dǎo)入的動(dòng)畫名，使用Play Global Animation(全域動(dòng)作播放)BB可以控制該動(dòng)畫的播放。

三、應(yīng)用實(shí)踐與反思

(一)課件相關(guān)功能界面展示

經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)功能模塊的逐一實(shí)現(xiàn)，最終形成了關(guān)于滾珠絲杠螺母副的完整課件(如下圖)。

圖4-1 課件截圖1

圖4-2 課件截圖2

(二)基于實(shí)踐的反饋意見和不足之處

本課件制作完成后，邀請(qǐng)了專業(yè)教師和部分學(xué)生試用，他們對(duì)本課件評(píng)價(jià)較好，認(rèn)為完全可以代替教學(xué)模型，甚至比教學(xué)模型更好用，具有較高的實(shí)用性，界面友好、易操作。原來(lái)只能通過(guò)模型、掛圖、PPT中插入圖片等方式對(duì)滾珠絲杠螺母副進(jìn)行靜態(tài)講解，學(xué)生難以形成直觀印象；現(xiàn)在通過(guò)本課件可以實(shí)時(shí)、全方位地觀察其結(jié)構(gòu)，觀察內(nèi)部滾珠的運(yùn)動(dòng)軌跡，學(xué)生感覺生動(dòng)、形象，淺現(xiàn)易懂；原來(lái)講解滾珠絲杠螺母副的工作原理，教師只能對(duì)著圖片枯燥講解，往往花了大量時(shí)間，得到的效果卻不好；現(xiàn)在通過(guò)學(xué)生全方位觀察其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，教師再加以總結(jié)，學(xué)生就能很容易理解，學(xué)習(xí)效果得到大大提高。但同時(shí)他們也反映存在以下不足:(1)功能還不完善。本課件側(cè)重于滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程介紹，對(duì)教材中螺紋調(diào)整法和齒差調(diào)隙法的內(nèi)容沒有涉及。今后要逐步完善本課件的功能，增加教學(xué)內(nèi)容，滿足教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。(2)解說(shuō)內(nèi)容偏少。學(xué)生反映課件的解說(shuō)內(nèi)容與老師講課內(nèi)容相比，明顯偏少，不利于自學(xué)。今后要邀請(qǐng)專業(yè)教師針對(duì)本課件的內(nèi)容重新撰寫解說(shuō)詞，邀請(qǐng)學(xué)生重新試用，直到滿足學(xué)生要求為止。(3)模型不夠逼真，與實(shí)物還存在差距。這其中的原因一是本人制作3D模型時(shí)，繪制的貼圖與真實(shí)環(huán)境相比，還存在差距，今后本人要提高技術(shù)水平，爭(zhēng)取做出更真實(shí)的模型；二是Virtools軟件本身功能所限，渲染出的場(chǎng)景與真實(shí)的環(huán)境相比，始終有差距，這只能寄希望隨著今后軟件版本的提高，渲染的功能越來(lái)越強(qiáng)大。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本課件的開發(fā)，筆者感覺Virtools較適合制作三維仿真類課件，比如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的展示、零件的裝配、仿真實(shí)驗(yàn)等。與目前廣泛使用的課件制作軟件Flash相比，前者具有較強(qiáng)的場(chǎng)景真實(shí)感，就像有一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景顯現(xiàn)在用戶面前，用戶可以從任意角度觀察物體，對(duì)物體進(jìn)行折解、裝配，讓物體運(yùn)動(dòng)，好像在操作一個(gè)真實(shí)的物體。而后者顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的功能。因此，Virtools在教育領(lǐng)域，特別是機(jī)械、電子方面的應(yīng)用實(shí)踐將不斷增多，基于Virtools的課件開發(fā)與實(shí)現(xiàn)也將不斷完善和發(fā)展。

[1]楊仲岡.數(shù)控設(shè)備與編程[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2]劉明昆.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典:virtools開發(fā)工具篇[M].蘆山:四川電子音像出版中心，2005.

[3]王丹東，徐英欣，胥林.三維游戲設(shè)計(jì)師寶典virtools行為模塊詞典大全[M].重慶:電腦報(bào)電子音像出版社，2007.