Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中的應(yīng)用

鄔宗鵬（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)中的應(yīng)用

鄔宗鵬
（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

以減速器拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為例，展示了Virtools軟件在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其開發(fā)步驟，制作出的虛擬實(shí)驗(yàn)仿真文件具有極強(qiáng)的交互性及靈活性，為機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)及學(xué)生自學(xué)提供了幫助。

Virtools；減速器拆裝；虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

由法國(guó)達(dá)索公司發(fā)布的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件Virtools，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，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等，具有功能強(qiáng)大、畫面質(zhì)量高、接口豐富及支持眾多硬件的優(yōu)點(diǎn)［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，減速器作為機(jī)械設(shè)計(jì)課程中典型的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，拆裝過(guò)程十分重要，但由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限、設(shè)備數(shù)量不足等原因，設(shè)備拆裝幾乎省去，這在一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量，造成理論與實(shí)踐脫節(jié)、效果不明顯的現(xiàn)象，因此，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開發(fā)了減速器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，作為豐富教學(xué)手段的一種是途徑。

一、平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

建立一個(gè)能夠演示直齒輪減速器拆裝過(guò)程的虛擬操作平臺(tái)，參閱相關(guān)圖紙和減速器實(shí)物零件測(cè)量，搜集相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)、圖片和音頻信息，使用Pro／E軟件建立減速器的三維實(shí)體模型，相較于3DMAX、Pro／E在尺寸精度控制等方面更加方便，更加適合機(jī)械零部件的建模。

建立的三維模型如圖1所示，為了更加清晰的展示減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)上箱體進(jìn)行了透明處理。模型建立完成之后通過(guò)3DMAX軟件導(dǎo)入到Virtools軟件。在Virtools中進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染、界面設(shè)計(jì)、交互腳本編寫等交互設(shè)置，最后進(jìn)行發(fā)布輸出。工作流程如圖2所示。

圖1 減速器三維模型圖

圖2 工作流程圖

二、平臺(tái)開發(fā)步驟

1.減速器三維模型導(dǎo)入Virtools

將Pro／E軟件制作的減速機(jī)零件及裝配三維模型保存為stl文件格式，然后直接導(dǎo)入到3DMAX中。利用3DMax Eporter插件將max文件轉(zhuǎn)換成nmo格式文件，導(dǎo)入到Virtools中。

2.模型燈光及材質(zhì)設(shè)置

模型打開后是黑色的，因而首先需要設(shè)置模型的燈光和材質(zhì)。Virtools里燈光有三種類型：Point（點(diǎn)光源）、Spot（聚光燈）和Directional（平行光），這三種類型光源需要合理搭配使用，才能建立逼真的現(xiàn)實(shí)光影環(huán)境。燈光的建立主要是設(shè)置合理的位置和強(qiáng)度參數(shù)，注意需要勾選specular（反光）選項(xiàng)，渲染時(shí)模型材質(zhì)才會(huì)呈現(xiàn)高光反射的特性，更加逼真。

燈光建立完成后緊接著就是建立材質(zhì)，在Virtools中材質(zhì)主要包括模型材質(zhì)和圖片材質(zhì)，模型材質(zhì)貼圖主要是通過(guò)拍照和Photoshop來(lái)共同完成。圖片材質(zhì)是虛擬交互時(shí)的一些界面和標(biāo)示的材質(zhì)，其主要是通過(guò)Photoshop制作完成。同時(shí)貼圖時(shí)需注意更改圖片的尺寸大小，用以降低文件的大小，提高讀取速度［2］。

3.平臺(tái)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)

（1）標(biāo)簽和界面。為了更好地輔助學(xué)生們熟悉減速器的結(jié)構(gòu)，編寫了如圖3（a）所示的腳本，效果是當(dāng)鼠標(biāo)指針指向某一部件時(shí)就可以顯示某一部件的名稱，鼠標(biāo)移開時(shí)隱藏名稱。名稱是以2D frame形式顯示的。后面提到的界面、操作說(shuō)明都是以show、hide兩種腳本來(lái)完成的。

圖3 主要腳本

（2）攝像機(jī)的設(shè)置。為了更加全面的虛擬體驗(yàn)，視角的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)必不可少，在Virtools中視角的改變是通過(guò)改變攝像機(jī)的位置和姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，編寫了如圖3（c）、（e）所示的腳本。在圖3（c）中，該BB（Building Block行為模塊）使得攝像機(jī)可以沿著某一軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使視角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。核心思路是當(dāng)按下鼠標(biāo)中鍵后，系統(tǒng)通過(guò)Get Mouse Displacement不斷的獲得鼠標(biāo)移動(dòng)的位移量，將獲得的位移量通過(guò)Multiplication進(jìn)行數(shù)量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)值進(jìn)行輸出，將此值輸出給攝像機(jī)的參考目標(biāo)3D frame，這一點(diǎn)很關(guān)鍵，此時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)能夠跟隨鼠標(biāo)的移動(dòng)而移動(dòng)。

（3）拆卸和裝配。拆裝是平臺(tái)演示核心部分，采用直接在Virtools中驅(qū)動(dòng)物體模型的方法，編寫如圖3（d）的腳本。驅(qū)動(dòng)零部件在拆裝過(guò)程的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，在過(guò)程中加入了Bezier Progression模塊，對(duì)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的變化速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得顯示效果更加真實(shí)自然。

4.操作按鈕

平臺(tái)系統(tǒng)的界面如圖4（a）所示。共有四個(gè)功能按鈕，分別是裝配、拆卸、暫停和關(guān)閉，點(diǎn)擊裝配或拆卸按鈕會(huì)出現(xiàn)如圖4（b）所示的效果。暫停按鈕是對(duì)減速器虛擬裝配過(guò)程作短暫停止，讓操作者清楚拆裝順序，關(guān)閉按鈕則表示退出整個(gè)操作平臺(tái)。

5.系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)制作完成以后，通過(guò)外掛程序 VirtoolsMakeExe.exe和CustomPlayer.exe文件將系統(tǒng)文件打包轉(zhuǎn)換成exe可執(zhí)行文件，這樣可以在Windows平臺(tái)上使用，方便以后查看和移植。此外，可將整個(gè)系統(tǒng)以vmo文件格式保存，再以HTML文件格式保存成另外一份，通過(guò) Virtools Web Player插件發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。

制作的虛擬演示平臺(tái)的界面如圖4（a）、（b）所示，可以進(jìn)行裝配、拆卸和演示等虛擬操作。

圖4 界面圖

三、結(jié)語(yǔ)

本文以Virtools軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)了安全、無(wú)成本的減速器虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，既可打破時(shí)空的限制，又可使學(xué)生們獲得真實(shí)的體驗(yàn)效果。展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)極其強(qiáng)大的功能以及虛擬實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的巨大潛力，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了解決方法和思路。

［1］徐英欣，楊建文，張安鵬.Virtools虛擬互動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)例解析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［2］肖武，吳靜謐，冉慧麗，張永策，李煥，毛金群，賀高紅.基于Virtools的氨合成塔模擬及虛擬系統(tǒng)構(gòu)建［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（32）：68-71.

Application of Virtools Software in the Reducer Assembly and Disassembly in Experiment Teaching

Wu Zong-peng
（Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243002，China）

This paper taking a reducer disassembly experiment teaching platform as an example，shows the application of Virtools software in the field of education and its development steps，the simulation file virtual experiment produced with interactivity and strong flexibility，provides help for teaching of mechanical design course and students＇self-study.

Virtools；reducer assembly and disassembly；virtual reality；experimental teaching

TP391.9；TH132.46

A

1672-0547（2015）02-0109-02

2015-03-02

鄔宗鵬（1980-），男，安徽六安人，安徽工業(yè)大學(xué)工程實(shí)踐與創(chuàng)新教育中心助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：工程實(shí)踐教學(xué)、數(shù)控技術(shù)及快速成型技術(shù)。