基于Pro/E和Virtools的液壓虛擬實驗系統的設計

王記彩+沈斌

摘要：傳統的液壓實驗教學無法滿足現在高職院校的教學需求，而虛擬技術的發展為改變這一現狀提供了一條新的途徑。本課題利用Pro/E和Virtools軟件搭建了虛擬液壓實驗平臺，主要包含液壓泵、液壓缸等液壓元件的虛擬裝配和機械手的動作仿真實驗等。本文以液壓泵的虛擬裝配為例，驗證了利用三維模型技術和虛擬現實技術構建虛擬實驗平臺的可行性。

關鍵詞：虛擬實驗平臺；Pro/E；Virtools

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）34-0277-02

一、引言

液壓與氣動是機電類專業的專業必修課，在工程實際中應用廣泛，然而對于大多高職院校，傳統的液壓實驗教學都存在校內外實訓基地有限、設備陳舊且數量不足、教師隊伍數量和水平不夠等問題，很大程度上限制了實驗教學質量的提高。通過虛擬技術搭建的虛擬平臺，因其高仿真性、強大的人機交互功能、逼真感等優點，且不受時間空間約束，一定程度上彌補了傳統液壓實驗教學的不足，為實驗教學開辟了一條新的途徑。

本文中采用虛擬現實技術Virtools，構建了基于網頁形式的虛擬實驗平臺。

二、基于Virtools虛擬實驗的關鍵性技術

Virtools是一個虛擬現實軟件，利用它開發的虛擬系統，操作簡單、界面美觀、容易實現人機交互。當液壓元件及虛擬場景模型創建完畢并設置材質后，通過導出插件輸出到Virtools中，利用Virtools中的BB模塊和VSL編程，實現交互功能，如液壓泵和液壓缸等液壓元件的虛擬裝配、機械手的動作仿真等。

三、虛擬實驗平臺開發

本文以液壓泵的裝配為例，建立基于Virtools的虛擬實驗平臺。

1.三維模型的制作與優化。Virtools沒有建模功能，所以使用Pro/E創建液壓泵的三維模型并進行預裝配，保證了零件模型結構和位置的準確性。

本虛擬實驗平臺包含許多液壓元件的三維模型和一些虛擬場景模型，大量模型直接影響了系統的交互速度，使實驗效果大打折扣。因此，通過以下幾種方法對模型進行優化：（1）減少模型個數，如將具有相同材質的物體，在設置材質和貼圖后進行合并。（2）刪除一些重疊的面或看不見的面，減少模型面數。（3）采用合理的貼圖方式來共享相同的貼圖和材質，避免大量貼圖占用資源。（4）盡可能采用分辨率低的貼圖。

2.虛擬裝配交互功能的實現。因液壓元件組件較多，裝配時進行分組裝配，將液壓泵的各個組件按組依次提取，并顯示在設置的位置，通過鼠標點選、拖拽，使原對象與處于初始位置的輔助參考對象融合，完成裝配。

虛擬裝配重點解決的問題：液壓各組件的分組提取和定位；原對象與輔助參考對象的碰撞檢測；原對象與輔助參考對象的融合。

（1）虛擬分組裝配的實現。將組件按組進行提取、顯示和定位，一組裝配完后進入下一組，主要采用Counter、Get Row、Set Position等模塊的組合來實現。同時，通過復制每組組件并置于初始位置的方式來設置輔助參考目標，從而實現裝配關系的精確定位，主要采用Object Copy、Set Position等模塊來編譯，并通過Set Material設置不同的材質與原對象進行區分。腳本框圖如圖1。

（2）碰撞檢測。被選對象與輔助參考對象的碰撞檢測主要是距離判斷，通過鼠標點選對象，Get Nearest In Group來獲取距離被選對象最近的輔助參考對象，在Identity和Test模塊對被選對象與參考對象是否相同進行檢測后，進行距離判斷，實現被選對象與參考對象在設定的距離范圍內，參考對象的材質發生改變。腳本框圖如圖2。

（3）對象融合。通過Bezier Progression、Interpolator與Set Position模塊，被選對象以過渡的形式，由當前位置自動移動到向初始位置，完成融合。腳本框圖如圖3。

（4）交互功能的實現。該虛擬裝配中的人機交互主要體現在用鼠標對液壓元件拖拽、移動、旋轉等操作，通過點擊平面按鈕實現信息的發送與接收、主/次界面的切換、虛擬裝配腳本的開啟/關閉等。大多利用BB模塊來實現交互控制，以液壓元件觀察角度的變化為例來說明，腳本框圖如圖4。

Mouse Waiter模塊可按需要對鼠標左/右鍵、滾輪等進行設置，該例中左鍵實現對象的點選和移動，右鍵實現觀察角度的變化，滾輪實現縮放。Parameter Selector中Pin0選項中將Degree設置為30，實現觀察角度的變化。

3.系統的發布。該虛擬液壓實驗平臺使用網頁形式進行發布，學生們只需要安裝插件，即可在電腦上進行虛擬實驗，有利于虛擬實驗的推廣和遠程教學的應用。

四、結論

本文提供了一條借助于虛擬技術Virtools開發虛擬液壓實驗平臺的途徑，該平臺一定程度上彌補了現有實驗教學的不足，對真實的液壓實驗實訓起到了一定的補充作用，學生在課余時間也可以自由使用該平臺進行實驗和技能練習，有助于學生技術技能的培養。

由于個人精力有限，該平臺尚有不足之處：

（1）虛擬實驗要與真實實驗結合起來，相輔相成，才能真正發揮虛擬實驗平臺的優勢；

（2）液壓元件模型太多，影響了平臺的運行速度，影響了實驗效果；

（3）虛擬平臺中的實驗內容少，需要補充和更新，以滿足教學需求。

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