基于Pro/E和Virtools的液壓虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計

王記彩+沈斌

摘要：傳統(tǒng)的液壓實驗教學(xué)無法滿足現(xiàn)在高職院校的教學(xué)需求，而虛擬技術(shù)的發(fā)展為改變這一現(xiàn)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(jī)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(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗平臺的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗平臺；Pro/E；Virtools

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

一、引言

液壓與氣動是機(jī)電類專業(yè)的專業(yè)必修課，在工程實際中應(yīng)用廣泛，然而對于大多高職院校，傳統(tǒng)的液壓實驗教學(xué)都存在校內(nèi)外實訓(xùn)基地有限、設(shè)備陳舊且數(shù)量不足、教師隊伍數(shù)量和水平不夠等問題，很大程度上限制了實驗教學(xué)質(zhì)量的提高。通過虛擬技術(shù)搭建的虛擬平臺，因其高仿真性、強(qiáng)大的人機(jī)交互功能、逼真感等優(yōu)點，且不受時間空間約束，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液壓實驗教學(xué)的不足，為實驗教學(xué)開辟了一條新的途徑。

本文中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)Virtools，構(gòu)建了基于網(wǎng)頁形式的虛擬實驗平臺。

二、基于Virtools虛擬實驗的關(guān)鍵性技術(shù)

Virtools是一個虛擬現(xiàn)實軟件，利用它開發(fā)的虛擬系統(tǒng)，操作簡單、界面美觀、容易實現(xiàn)人機(jī)交互。當(dāng)液壓元件及虛擬場景模型創(chuàng)建完畢并設(shè)置材質(zhì)后，通過導(dǎo)出插件輸出到Virtools中，利用Virtools中的BB模塊和VSL編程，實現(xiàn)交互功能，如液壓泵和液壓缸等液壓元件的虛擬裝配、機(jī)械手的動作仿真等。

三、虛擬實驗平臺開發(fā)

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(yōu)化。Virtools沒有建模功能，所以使用Pro/E創(chuàng)建液壓泵的三維模型并進(jìn)行預(yù)裝配，保證了零件模型結(jié)構(gòu)和位置的準(zhǔn)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(tǒng)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(jìn)行優(yōu)化：（1）減少模型個數(shù)，如將具有相同材質(zhì)的物體，在設(shè)置材質(zhì)和貼圖后進(jìn)行合并。（2）刪除一些重疊的面或看不見的面，減少模型面數(shù)。（3）采用合理的貼圖方式來共享相同的貼圖和材質(zhì)，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(xiàn)。因液壓元件組件較多，裝配時進(jìn)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(shè)置的位置，通過鼠標(biāo)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(xiàn)。將組件按組進(jìn)行提取、顯示和定位，一組裝配完后進(jìn)入下一組，主要采用Counter、Get Row、Set Position等模塊的組合來實現(xiàn)。同時，通過復(fù)制每組組件并置于初始位置的方式來設(shè)置輔助參考目標(biāo)，從而實現(xiàn)裝配關(guān)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(shè)置不同的材質(zhì)與原對象進(jìn)行區(qū)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(biāo)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(jìn)行檢測后，進(jìn)行距離判斷，實現(xiàn)被選對象與參考對象在設(shè)定的距離范圍內(nèi)，參考對象的材質(zhì)發(fā)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(dāng)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(xiàn)。該虛擬裝配中的人機(jī)交互主要體現(xiàn)在用鼠標(biāo)對液壓元件拖拽、移動、旋轉(zhuǎn)等操作，通過點擊平面按鈕實現(xiàn)信息的發(fā)送與接收、主/次界面的切換、虛擬裝配腳本的開啟/關(guān)閉等。大多利用BB模塊來實現(xiàn)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(biāo)左/右鍵、滾輪等進(jìn)行設(shè)置，該例中左鍵實現(xiàn)對象的點選和移動，右鍵實現(xiàn)觀察角度的變化，滾輪實現(xiàn)縮放。Parameter Selector中Pin0選項中將Degree設(shè)置為30，實現(xiàn)觀察角度的變化。

3.系統(tǒng)的發(fā)布。該虛擬液壓實驗平臺使用網(wǎng)頁形式進(jìn)行發(fā)布，學(xué)生們只需要安裝插件，即可在電腦上進(jìn)行虛擬實驗，有利于虛擬實驗的推廣和遠(yuǎn)程教學(xué)的應(yīng)用。

四、結(jié)論

本文提供了一條借助于虛擬技術(shù)Virtools開發(fā)虛擬液壓實驗平臺的途徑，該平臺一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有實驗教學(xué)的不足，對真實的液壓實驗實訓(xùn)起到了一定的補(bǔ)充作用，學(xué)生在課余時間也可以自由使用該平臺進(jìn)行實驗和技能練習(xí)，有助于學(xué)生技術(shù)技能的培養(yǎng)。

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(jié)合起來，相輔相成，才能真正發(fā)揮虛擬實驗平臺的優(yōu)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(nèi)容少，需要補(bǔ)充和更新，以滿足教學(xué)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]羊玢等.液壓挖掘機(jī)三維虛擬實驗設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)[J].機(jī)械制造與自動化，2014，（2）：32-35.

[2]張梅.基于3D和Virtools的虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安科技大學(xué)，2014.

[3]蔡龍輝.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職教實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究——以“機(jī)械加工”實訓(xùn)教學(xué)為例[D].廣東技術(shù)師范學(xué)院，2014.

[4]徐英欣等.三維游戲設(shè)計師寶典——Virtools虛擬裝配制作實例[M].電腦報電子音像出版社，2009年.

[5]基于桌面級虛擬三維虛擬現(xiàn)害的教學(xué)設(shè)計策略研究——以“汽車構(gòu)造”虛擬學(xué)習(xí)情境為例[D].上海師范大學(xué)，2008.