马希青，周国朝，袁云东，李明

（河北工程大学 机电学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

挤出机［1］是一种广泛用于挤出软、硬聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等热塑性材料成型的塑料机械，可加工多种塑料制品，如吹膜、挤管、压板、拔丝带等。挤出机生产的挤塑聚苯乙烯泡沫板简称XPS 保温板，是一种硬质的板材，具有持久保温、较高的抗压强度和极低的吸水率等良好性能，广泛用于建筑外墙、冷藏室和公路路基等方面。挤出机生产XPS 保温板的过程比较复杂，相当于“黑盒”工艺，设备自身集机、电、液、控制于一体，使得现场技术人员难以了解和操作设备。

鉴于此，采用基于网络的虚拟现实技术［2］，开发了一个基于Web3D 的挤出机动态交互的虚拟现实平台，将挤出机的结构特点、工作原理和物料的状态变化进行真实模拟。基于互联网的虚拟环境不受现实中时间和空间的限制，技术人员可以通过使用键盘和鼠标从不同的角度观察、体验挤出机的不同特性，更好地熟悉挤出机的性能，增强技术人员和挤出机的沟通水平。本文中采用VRML、3ds Max 和Cult3D 等技术开发出了二级串联式单螺杆挤出机挤塑成型的虚拟现实平台，对于其它机械的虚拟仿真也具有一定的借鉴意义。

1 挤出机的结构和工作原理

二级串联式单螺杆挤出机主要由混料单元、第一级挤出机、第二级挤出机和机头组成。第一级挤出机的螺杆是渐变型变深等距螺杆，主要影响挤出机的挤出速率和产品质量，被称为挤出机的“心脏”，分为加料段、压缩段和计量段3 段，如图1 所示；第二级挤出机的螺杆是等深等距螺杆。

图1 变深等距螺杆

物料在自身重力作用下从料筒里自由落下，进入第一级挤出机螺杆和螺筒之间的“缝隙”即螺杆的加料段，物料被压实和输送；在旋转螺杆的带动下物料向前移动进入压缩段，物料被进一步压实和塑化；最终进入计量段，在该段的末尾物料基本完成塑化，物料呈现出黏流态。塑化的物料流经过滤器，其中的杂质被清除，进入第二级挤出机，在此段进一步被混合和塑化。物料在螺杆牵引下继续向前移动，进入静态混合器，在该设备里面同样是被进一步混合。物料的混合程度直接影响板材的质量，因此挤出机工作中一直存在物料的混合。最终充分混合和塑化的物料进入衣架型的机头被挤压成型。

2 模型的建立和优化

2.1 现场测绘

挤出机的结构相当复杂，而且比较昂贵，通常公司出于安全性、商业因素等方面的考虑，不允许拆开设备来观察内部情况。需要测量设备的零部件然后绘制设备的三视图，依据三视图，建立整套设备的三维模型。测绘前，准备测绘需要的工具如直尺、游标卡尺和千分尺等量具；在设备现场，认真观察和仔细研究设备的结构特点、装配关系和工作原理，为设备测绘做充足的准备。测绘时，遵循由外及里、由前到后的原则测绘设备的零部件。测量的螺栓、螺母和键等标准件的尺寸，使用尺寸圆整方法［3］进行圆整；对于无运动的不重要的零部件如支撑架的尺寸，同样进行相应圆整。依据上述尺寸，选择合适的绘图比例和布局，绘制设备的三视图。所绘制的设备三视图要能反映设备的结构和性能。再对照设备，完善图形。

2.2 模型建立

Cult3D 是一款设计交互式运动仿真的软件，自身不具备建模功能，因此需要选择专业的CAD 软件建模。目前有多种用于建模的CAD 软件，如Creo、UG、SolidWorks等。Creo 作为Pro/E 的升级版本，具有更加强大的造型和装配功能，可以大大提高工作人员的设计效率。文中选用较新的Creo2.0 版本。由于虚拟设备中的零部件比较多，且各个零部件在运动上存在着一定的主从关系，为便于后面交互程序的开发，因此采用层次结构方法进行建模。将建立的模型采用自上而下的装配方式进行装配，构建完整的挤出机模型，如图2 所示。

图2 单螺杆挤出机

为了检测零件装配时定位是否准确，通过Creo 的碰撞检测功能进行装配静态干涉检测和运动仿真检测。装配静态检测方法：单击“分析”命令，选择菜单中“模型分析”选项，然后选择全局干涉命令，定义设置为默认，进行分析检测。运动仿真检测方法是将静态模型调整成动态模型，然后设置模型的运动规律和运动时间，创建快照以此分析模型。检测完成后，将挤出机装配模型以*.wrl 格式导出。

在输出模型前，检查格式转化时软件默认单位是否统一。在Creo 中建模时，将安装目录里config.pro 中的默认长度单位设置为毫米；VRML 的单位是虚拟单位，不需设置；3ds Max 的默认单位是英寸，在系统单位设置中将1 个单位等价于1 m，在显示单位比例下选择“公制”，单位是毫米。完成以上设置后，可以避免模型格式转化时不是整数的情况出现，为后期的模型装配和设计交互程序提供很大的方便。

2.3 模型优化

模型转化格式时，由于软件间的兼容性因素，VRML文件存在大量冗余代码，需对模型进行“瘦身”。优化方法包括：删除冗余信息，如Creo 的名称和版本、观察角度等信息；使用DEF/USE 语句，减少重复代码的编写，该语句的使用次数越多，对应文件体积越小；使用内联（inline）节点，将场景中的不同VRML 文件连接起来；将VRML文件已压缩的形式进行保存，在不影响场景效果的前提下可以大大减小文件的体积。

2.4 模型仿真度提高

3ds Max 中具有丰富的材质和强大的贴图功能，使得虚拟场景更加逼真。在3ds Max 中导入挤出机模型，模型的零部件都是以三角面片的形式显示的，并不是一个整体，甚至有的出现缺面和残面。首先补齐和修复零部件的面片，利用“组”命令，将同一零部件的面片合成组。将相应的零部件添加材质和贴图，然后进行烘焙处理；在场景中添加灯光和摄像机，可以从不同角度观察设备；调整零部件的旋转轴，如用于联接齿轮和轴的键，便于后面的交互式动画制作。最后将模型利用“塌陷”进行处理，可以很大程度上减小文件，以*.C3D 格式导出。

3 交互设计

虚拟现实平台的交互设计［4］着重从用户的角度出发，在设计中突出用户和平台之间如何实现交互的，注重用户的体验。利用交互设计，用户方便借助平台从不同的角度观察、体验产品的多种特性，更好地全面了解产品。因此，对于虚拟现实平台，交互设计是非常关键的。在挤出机挤塑成型的虚拟现实平台中采用服务器/浏览器（B/S）两层模式，服务器端存放由Cult3D 设计的交互运动仿真，客户端下载并安装相应插件，用户使用鼠标、键盘和相关控件在虚拟场景中实现漫游、交互操作虚拟对象和工作原理演示等。

Cult3D 是一款由Cycore 公司开发的完全拖放式软件，非常简单实用。该软件应用内部和外部产生的事件，引发相应的动作和材质的变化，从而实现三维虚拟场景的交互。用户应用软件中的平移、旋转和缩放功能，可以轻松实现相应模型的动作；使用粒子系统功能，实现某种特殊的效果。确认完成交互式设计程序后，发布Internet文件，输出.co 类型的网络文件。

3.1 初级交互

Cult3D 基本的交互性功能［5］可以通过软件自身的事件和行为来实现。在此设计中包括三部分，如图3 所示。第一部分是设置背景和观察角度，是指事件、设置背景和摄像机的联接。第二部分是对象的自动旋转，主要是事件、旋转和模型整体的简单交互，便于用户开始对模型进行整体了解。第三部分是辅助功能，如操作提示、背景音乐等，指导用户在轻松的氛围下快速熟悉虚拟平台的操作。

图3 Cult3D 中初级交互

3.2 高级交互

对于一个交互式的虚拟现实平台来说，包含的交互功能越多，预设的基本行为就越复杂，从而事件、行为和对象构成非常复杂的网状关系。在此虚拟平台中，主要通过鼠标和键盘实现交互功能，程序的主要部分如图4 所示。高级交互功能如按下键盘的空格键，设备开始工作，用户可以非常清楚地看到相应模型的运动与物料的位置和状态变化。

图4 Cult3D 中高级交互

3.3 应用Java 扩展交互

Cult3D 的内核是基于Java 开发的，因此可以借助Java 语言编程，扩展软件的交互功能。为使用户更加清楚地了解物料的运动和状态变化情况，将机壳和螺筒的材质设置为透明。使用Eclipse 编写材质透明程序并编译，生成.class 文件。在Cult3D 中添加.class 文件，并与螺筒和机壳连接，如图5 所示。

图5 Java 扩展交互

4 网络发布

Cult3D 公司专门开发了Cult3D for Dreamweaver［6］插件，Cult3D 中设计的交互式场景在Dreamweaver 中以activeX 控件的形式来显示，它的属性设置如图6 所示。在Dreamweaver 软件中加载以输出的.co 文件，开启抗锯齿命令Antialising 来提高画面显示质量，将模型的3D 部分与设备的介绍信息很好地融合到一起。最后将设计好的网页链接到挤出机挤塑成型的虚拟现实平台中去。

图6 Cult3D 对象的属性设置

5 结 语

通过对挤出机的结构和工作原理的分析，应用VRML、3ds Max 和Cult3D 等软件开发了挤出机挤塑成型的虚拟现实平台，该平台具备良好的漫游和交互功能。用户使用此平台，可以不受时间和空间的约束，全方位多角度地观察虚拟对象，实现很好的人机交互。该平台的不足之处有尚未考虑挤出机挤塑成型的加热、保温和冷却等外部因素，仅是理想状态下的研究，在今后的研究中会对平台做进一步的完善。

［1］ 朱复华.挤出理论及应用［M］.北京：中国轻工业出版社，2001：2-6.

［2］ 高印寒，马增治，李春光，等.虚拟现实技术及其在机械工程中的应用［J］.吉林大学学报：工学版，2003（2）：104-106.

［3］ 杨德宇.机械零件现场测绘方法［J］.贵州化工，2010（6）：44-46，53.

［4］ 牛敏，陈锦昌.Cult3D 在机电产品交互设计中的研究［J］.工程图学报，2010（4）：194-199.

［5］ 陈振虹.Cult3D 产品三维演示时尚创作百例［M］.北京：机械工业出版社，2002：217-220.

［6］ 杨雪，王荣芝，李爽.Cult3D 技术在网络虚拟实验开发中的应用研究［J］.实验技术与管理，2007（1）：83-86.