聞月，季宏斌，季勇，胡建中

（1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京211189）

（2.南通棉花機(jī)械有限公司，江蘇南通226300）

基于Java 3D的報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)研究

聞月1，季宏斌2，季勇2，胡建中1

（1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京211189）

（2.南通棉花機(jī)械有限公司，江蘇南通226300）

針對(duì)報(bào)廢汽車車型繁雜、拆解人員培訓(xùn)成本高的問題，基于Java 3D對(duì)報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)展開研究。通過分析拆解工藝流程，確定了報(bào)廢汽車拆解的基本工位和拆解內(nèi)容。基于VRML技術(shù)，結(jié)合Java 3D技術(shù)在三維圖形領(lǐng)域的應(yīng)用，構(gòu)建了基于工位的拆解模型庫，開發(fā)了報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拆解過程的動(dòng)態(tài)可視化。車輪和車門拆解實(shí)例表明，所開發(fā)技術(shù)是可行性的，對(duì)報(bào)廢汽車拆解具有重要指導(dǎo)意義，能有效提高汽車拆解的智能化水平。

報(bào)廢汽車；拆解指導(dǎo)；Java 3D；VRML

近年來，我國汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車銷量和保有量快速增長[1]。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，我國2016年汽車銷量達(dá)2 494.80萬輛，同比增長14.11%，汽車保有量達(dá)1.84億輛，預(yù)計(jì)2020年汽車保有量將突破2億輛。同時(shí)，隨著汽車保有量的持續(xù)增長，報(bào)廢汽車數(shù)量也大幅增加，2014年全國報(bào)廢汽車數(shù)量達(dá)220萬輛，預(yù)計(jì)2020年將高達(dá)1 800萬輛左右。報(bào)廢汽車是金屬、非金屬、油液、氣體等多種材料的集合體，如果能對(duì)它進(jìn)行高效環(huán)保地拆解，可以減少環(huán)境污染，且有利于資源的再生循環(huán)利用，對(duì)優(yōu)化資源配置和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義，符合我國建設(shè)資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo)[2]。

目前，報(bào)廢汽車拆解技術(shù)研究主要包括拆解工藝技術(shù)研究、拆解設(shè)備研制、拆解經(jīng)濟(jì)效益分析和拆解信息管理等，并且大部分研究集中于拆卸序列規(guī)劃方面[3]。而由于汽車車型繁雜、零件類型眾多、裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致拆解人員培訓(xùn)周期長、成本高，拆解智能化水平低，僅僅通過單純串聯(lián)的拆卸序列規(guī)劃很難實(shí)現(xiàn)報(bào)廢汽車的高效精細(xì)拆解?；贘ava 3D[4]的跨平臺(tái)性和交互操作等特點(diǎn)，研究了報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)技術(shù)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)語言VRML技術(shù)，構(gòu)建報(bào)廢汽車拆解模型庫，開發(fā)基于Java 3D的拆解指導(dǎo)系統(tǒng)。通過探究虛擬世界中裝配體拆解的過程，實(shí)現(xiàn)零件拆卸運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和模型平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等交互式操作，動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)拆解過程。

1 Java 3D和VRML

Java 3D是一個(gè)交互式三維圖形應(yīng)用編程接口（API），是Java語言在三維圖形領(lǐng)域的擴(kuò)展。它集成了Java API的功能，可以和普通的Java 2D,Swing組件、AWT組件等很好地結(jié)合，被應(yīng)用于三維動(dòng)畫、三維游戲和機(jī)械CAD等領(lǐng)域[5]。Java 3D可以產(chǎn)生形體的運(yùn)動(dòng)和變化，動(dòng)態(tài)地改變觀測點(diǎn)的位置視角，同時(shí)具有交互作用，如點(diǎn)擊窗體時(shí)會(huì)向程序發(fā)送一個(gè)信號(hào)，從而使場景圖產(chǎn)生一定變化。

VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種虛擬現(xiàn)實(shí)語言，是三維造型和渲染的圖形描述性語言[6]。它把“虛擬現(xiàn)實(shí)”看做一個(gè)場景，把場景中的一切看做對(duì)象即“節(jié)點(diǎn)”[7]，對(duì)每一個(gè)對(duì)象的描述就構(gòu)成了VRML文件，以.wrl為擴(kuò)展名。

Java 3D的虛擬世界也是根據(jù)場景圖創(chuàng)建的，一個(gè)場景圖是由一組具有父子關(guān)系的節(jié)點(diǎn)對(duì)象形成的樹狀結(jié)構(gòu)。利用Java 3D可以構(gòu)造簡單的幾何形體如球體、長方體等，但是要想通過程序來構(gòu)造復(fù)雜的模型是不現(xiàn)實(shí)的。好在Java 3D提供了一組用來導(dǎo)入常用3D圖形文件的接口，如導(dǎo)入VRML文件的Loader接口，所以可以在三維繪圖軟件如UG、PROE中建立模型，并將模型導(dǎo)出為VRML文件，再通過Loader接口將其導(dǎo)入Java 3D環(huán)境中進(jìn)行操作[8]。

2 基于Java 3D的報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)

在定義各工位拆解任務(wù)的基礎(chǔ)上，基于Java 3D的報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了拆解過程的3D可視化，為各工位拆解任務(wù)提供操作指導(dǎo)。

2.1 報(bào)廢汽車拆解工藝流程

報(bào)廢汽車的拆解工藝包括信息登記、預(yù)處理、粗拆解、精拆解和后處理5個(gè)部分，每個(gè)部分包含特定的拆解任務(wù)[9]。拆解工藝流程如圖1所示。

圖1 報(bào)廢汽車拆解工藝流程圖

信息登記：指對(duì)報(bào)廢汽車進(jìn)行分類登記，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等關(guān)鍵總成進(jìn)行檢查，確定密封和破損情況，及時(shí)處理發(fā)生泄漏的部件，并將主要汽車數(shù)據(jù)錄入信息系統(tǒng)。

預(yù)處理：指對(duì)環(huán)境有污染的油液、零部件進(jìn)行無害化安全處理，包括拆除電瓶、安全氣囊、收集冷媒和各種油液，并且拆除汽車車輪等。

粗拆解：一般遵循由表及里、由附件到主機(jī)、由整車拆成總成的原則進(jìn)行?？蓜澐譃橥獠坎鸾狻?nèi)部拆解、底盤拆解和總成拆解4個(gè)工位。外部拆解如拆除車門、車燈、保險(xiǎn)桿等零件；內(nèi)部拆解如拆除方向盤、控制面板、座椅等零件；底盤拆解如剪斷排氣管、拆除油箱和一些聯(lián)接件；總成拆解指拆除發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等總成部件。

精拆解：根據(jù)需求，將粗拆解拆下的總成進(jìn)行專業(yè)化精細(xì)拆解，如發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器總成、車門和車輪等。

后處理：指引爆安全氣囊，并且對(duì)于拆下的汽車車殼進(jìn)行壓實(shí)破碎處理，最后對(duì)破碎后的材料進(jìn)行分類回收。

2.2 報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)功能分析

根據(jù)拆解指導(dǎo)系統(tǒng)的開發(fā)需求，本系統(tǒng)為不同用戶提供不同的功能。對(duì)于拆解指導(dǎo)的設(shè)計(jì)人員，其可對(duì)場景環(huán)境進(jìn)行編輯、導(dǎo)入和控制汽車模型、設(shè)計(jì)零部件運(yùn)動(dòng)形式，拆解工作人員可以通過鼠標(biāo)交互控制場景圖。每個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示。

2.3 報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

基于Java 3D的報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)虛擬世界的場景圖，通過向場景中添加背景、燈光、局部坐標(biāo)系、行為、Alpha類和Interpolator類等類的對(duì)象來實(shí)現(xiàn)拆解運(yùn)動(dòng)和交互等功能[10-11]。

圖2 系統(tǒng)功能圖

2.3.1 場景環(huán)境編輯

Java 3D提供了一個(gè)Light抽象類，各種燈光類都繼承自Light類。一個(gè)燈光具有顏色、狀態(tài)、有效范圍等屬性，在使用燈光時(shí)要指定燈光的作用范圍，并且將模型放置于有效范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生光照效果。燈光具體又分為環(huán)境光、平行光、點(diǎn)光源、聚光燈等幾種不同的類型，不同類型燈光具有不同的光照效果。該系統(tǒng)中使用環(huán)境光AmbientLight類和平行光DirectionalLight類即可達(dá)到觀察效果，當(dāng)然，也可以根據(jù)需要添加其他類型光源。Java 3D場景背景顏色可以改變，黑色為默認(rèn)的顏色，也可以設(shè)置圖片作為背景。

2.3.2 模型導(dǎo)入與控制

Java 3D自身可以定義一些簡單的幾何形體，但想要通過程序構(gòu)造復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，所以可以在三維繪圖軟件中建立3D模型，并將模型導(dǎo)出為Java 3D可以識(shí)別和導(dǎo)入的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再通過Loader接口導(dǎo)入模型。本系統(tǒng)使用UG軟件建立汽車模型，并將模型導(dǎo)出成VRML文件，再將其導(dǎo)入到Java 3D系統(tǒng)中。由于VRML97的Loader還未放入到Java 3D官方的Package中，所以在導(dǎo)入文件前需要將vrml97.jar文件放入到安裝java的相應(yīng)JRE或JDK目錄下，方可使用該Loader接口。關(guān)鍵語句如下：

其中：fliename為導(dǎo)入模型的文件名稱。

通過該步操作，可以把整個(gè)模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，但并沒有獲得對(duì)各個(gè)零件的控制，下列關(guān)鍵代碼可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)零件的控制：

這里“partname”為零件的名稱，首先將每個(gè)零件分別添加到獨(dú)立的TransformGroup（局部坐標(biāo)系）對(duì)象中，根據(jù)各自需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)效果再將其添加到相應(yīng)的父坐標(biāo)系對(duì)象中，最后匯總到一個(gè)根節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系對(duì)象中，并將這個(gè)坐標(biāo)系對(duì)象添加到BranchGroup（場景）對(duì)象中。由于模型的VRML文件包含了每個(gè)零件從零件坐標(biāo)系到裝配坐標(biāo)系的三維變換描述信息，所以模型導(dǎo)入后，各個(gè)零件仍能以一個(gè)正確的裝配位置顯示在根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系對(duì)象中?；赨G建模環(huán)境和Java 3D環(huán)境坐標(biāo)系統(tǒng)的差異性，將根節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系添加到場景中時(shí)，需要使用Transform3D對(duì)象對(duì)根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的三維幾何變換，使得整個(gè)模型以合適的比例和位置顯示在運(yùn)行窗口中。

2.3.3 拆卸運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

零部件的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是拆解指導(dǎo)系統(tǒng)的核心部分，實(shí)現(xiàn)該功能需要聯(lián)合使用Alpha類和Interpolator類。一般使用Interpolator的兩個(gè)子類即PositionInterpolator類和RotationInterpolator類即可實(shí)現(xiàn)基本零部件拆卸運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的外部可控，將各個(gè)拆解動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)時(shí)間以外部配置文件的形式存儲(chǔ)，系統(tǒng)通過讀取配置文件，獲得各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

2.3.4 透明化顯示

為了更加直觀地顯示和區(qū)別已拆卸和待拆卸的零部件，該系統(tǒng)提供了透明化顯示的功能，使拆卸完畢的零部件透明顯示，且透明度可更改。TransparencyInterpolator類用來修改其插值對(duì)象 TransparencyAttributes的transparency屬性，即修改對(duì)象的透明度值，它根據(jù)給定的Alpha對(duì)象、起始透明度和終止透明度，通過線性插值方式計(jì)算中間的透明度，實(shí)現(xiàn)物體透明度的線性變換效果。

想要應(yīng)用該方法修改導(dǎo)入Java 3D系統(tǒng)中的汽車模型的透明度，實(shí)現(xiàn)待拆卸零部件運(yùn)動(dòng)結(jié)束后半透明顯示的效果，必須首先獲得模型的Shape3D對(duì)象，對(duì)應(yīng)VRML文件中的shape節(jié)點(diǎn)。而VRML文件中的每個(gè)零部件由多個(gè)shape節(jié)點(diǎn)組成，一個(gè)shape節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件的一個(gè)面，直接獲得對(duì)每個(gè)shape節(jié)點(diǎn)的控制并修改它的透明度屬性不切實(shí)際，所以必須對(duì)VRML文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改?？衫肰RML的組節(jié)點(diǎn)Group調(diào)整模型文件的結(jié)構(gòu)，將每個(gè)零件的所有shape節(jié)點(diǎn)放在一個(gè)group節(jié)點(diǎn)下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該零件shape節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理。獲得shape3D對(duì)象并為其設(shè)置透明度屬性的

關(guān)鍵代碼如下：

其中：“boltgp”為VRML文件中各個(gè)零件的group節(jié)點(diǎn)名稱；“objs”是作為插值對(duì)象的透明度屬性名稱。

2.3.5 鼠標(biāo)交互行為

交互指程序的輸出根據(jù)用戶行為而產(chǎn)生預(yù)期的變化，報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)為了達(dá)到直觀、清晰、多角度地展現(xiàn)拆解動(dòng)態(tài)過程的目標(biāo)，需要根據(jù)用戶行為作出反應(yīng)。因此為系統(tǒng)添加鼠標(biāo)控制的用戶行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)場景的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放操作。此外，還給系統(tǒng)添加了控制運(yùn)動(dòng)暫停和繼續(xù)播放的功能，當(dāng)用戶連續(xù)單擊鼠標(biāo)2次時(shí)，動(dòng)畫暫停播放，當(dāng)用戶單擊鼠標(biāo)1次時(shí)，動(dòng)畫繼續(xù)播放。系統(tǒng)通過OrbitBehavior類建立鼠標(biāo)控制的視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場景的縮放、平移和旋轉(zhuǎn)功能，關(guān)鍵代碼如下：

根據(jù)功能要求，編寫實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)暫停和播放功能的Behavior對(duì)象，并將其添加到場景中，該對(duì)象只接收鼠標(biāo)單擊事件的激勵(lì)，然后對(duì)這一激勵(lì)行為作出暫?；蚶^續(xù)播放的響應(yīng)。運(yùn)動(dòng)的暫停和播放機(jī)制是通過合理設(shè)定程序里Interpolator插值器對(duì)象的setEnable屬性值以及調(diào)用Alpha對(duì)象的pause方法和resume方法。

3 報(bào)廢汽車拆解實(shí)例

以報(bào)廢汽車預(yù)處理工位上的車輪拆解和外部拆解工位上車門的拆解指導(dǎo)為例，說明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的可行性以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。首先，利用UG軟件建立簡化的報(bào)廢汽車三維模型，如圖3所示。

圖3 報(bào)廢汽車三維模型

完成汽車建模后，將三維模型導(dǎo)出為VRML文件并對(duì)文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)修改，修改后的文件通過Loader接口導(dǎo)入Java 3D中，最后編輯內(nèi)容子圖，實(shí)現(xiàn)拆解指導(dǎo)功能。根據(jù)模型拆解層次關(guān)系，設(shè)計(jì)的報(bào)廢汽車場景結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 報(bào)廢汽車場景結(jié)構(gòu)圖

報(bào)廢汽車模型導(dǎo)入Java 3D場景后，向場景中添加Alpha對(duì)象和Interpolator對(duì)象，對(duì)場景中的零部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)拆解指導(dǎo)。

3.1 預(yù)處理工位——車輪拆卸

具體拆卸步驟如下。

（1）前端右側(cè)車輪上的五根聯(lián)接螺栓沿軸線方向向外直線運(yùn)動(dòng)一定距離，實(shí)現(xiàn)聯(lián)接螺栓的分離；

（2）前端右側(cè)車輪沿螺栓運(yùn)動(dòng)方向向外直線運(yùn)動(dòng)一定距離，實(shí)現(xiàn)車輪的拆除；

（3）重復(fù)S1～S2操作，直至4個(gè)車輪拆卸完畢。運(yùn)行界面如圖5所示。

圖5 預(yù)處理工位——車輪拆卸指導(dǎo)

3.2 外部拆解工位——車門拆卸

具體拆卸步驟如下。

（1）右側(cè)車門向外旋轉(zhuǎn)90°；

（2）拆卸兩根車門與車身的聯(lián)接螺釘；

（3）液壓剪剪斷剩余的連接線束，分離車門與車身；

（4）對(duì)左側(cè)車門重復(fù)S1～S3操作，完成車門的拆卸。

運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 外部拆解工位——車門拆卸指導(dǎo)

4 結(jié)論

（1）由于Java 3D在三維動(dòng)畫領(lǐng)域的應(yīng)用及其具有實(shí)時(shí)交互性能，開發(fā)了基于Java 3D的報(bào)廢汽車拆解指導(dǎo)系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)場景、規(guī)劃零部件的拆卸運(yùn)動(dòng)以及實(shí)時(shí)交互操作，直觀展現(xiàn)各工位拆解任務(wù)及其拆卸步驟，實(shí)現(xiàn)了零部件拆卸過程的動(dòng)態(tài)可視化。

（2）分別給出報(bào)廢汽車預(yù)處理工位上車輪和外部拆解工位上車門的拆卸指導(dǎo)實(shí)例，驗(yàn)證了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的可行性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效降低操作人員培訓(xùn)成本和用戶使用成本，提高報(bào)廢汽車拆解的智能化水平，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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Study of dismantling guidance technology for scrapped vehicles based on Java 3D

WEN Yue1,JI Hongbin2,JI Yong2,HU Jianzhong1
（1.School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;)(2.Nantong Cotton Machinery Co.,LTD,Nantong 226300,China）

Aiming at the complexity model of scrapped vehicle and the high training cost of dismantling personnel,the dismantling guidance technology for scrapped vehicles is studied based on Java 3D.The disassembly station of scrapped vehicles and the dismantling contents are determined through the analysis of dismantling process.Also the dismantling guidance system of scrapped vehicles is developed based on VRML technology,by using Java 3D technology in the field of three-dimensional graphics applications,by which the dynamic process of disassembly visualization can be achieved.Cases of wheel and door dismantling show that the developed technology is feasible,and important for the dismantling of scrapped vehicles,also by which the intelligence of scrapped vehicles disassembly is improved effectively.

scrapped vehicles;dismantling guidance;Java 3D;VRML

X734.2

A

1674-0912（2017）07-0031-05

2017－04－09）

江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（BE2016110）

聞月（1992-），女，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樵O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。