基于“萬維引擎”的電動(dòng)刀架VR拆裝系統(tǒng)開發(fā)

黃琳莉

摘 要：為了解決電動(dòng)刀架機(jī)械拆裝時(shí)設(shè)備數(shù)量少和設(shè)備磨損的問題，基于“萬維引擎”VR軟件平臺(tái)，開發(fā)了一款集結(jié)構(gòu)認(rèn)知和拆裝仿真為一體的VR系統(tǒng)。文章詳細(xì)介紹了基于萬維引擎的電動(dòng)刀架VR拆裝系統(tǒng)的開發(fā)流程，對其他“機(jī)電設(shè)備拆裝”類課程有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：萬維引擎；虛擬現(xiàn)實(shí)；電動(dòng)刀架；機(jī)械拆裝

中圖分類號：TG519.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0039-02

Abstract： In order to solve the problems of small number of equipment and wear and tear of equipment in the mechanical disassembly and assembly of electric tool holder， based on the VR software platform of "VeryEngine"， a kind of VR system is developed， which integrates the structure cognition and disassembly and assembly simulation. This paper introduces in detail the development process of VR disassembly and assembly system for electric tool holder based on VeryEngine， which can be used for reference to other courses of "Disassembly and Assembly of Electromechanical Equipment".

Keywords： VeryEngine； virtual reality； electric tool holder； mechanical disassembly and assembly

1 概述

電動(dòng)刀架是數(shù)控車床的輔助裝置之一，它可使數(shù)控車床在工件一次裝夾中完成多種加工工序，縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度。典型數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀架一般由動(dòng)力源、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)分度機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺(tái)等組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)控車床刀架故障占整個(gè)數(shù)控車床故障的40%左右，故數(shù)控車床電動(dòng)刀架拆裝實(shí)訓(xùn)是《數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝調(diào)與維修》課程中重要內(nèi)容。

電動(dòng)刀架拆裝實(shí)訓(xùn)的主要目的在于：了解刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)；掌握刀架拆裝的工藝；通過實(shí)際拆裝，學(xué)會(huì)分析刀架不能正常換刀的可能機(jī)械原因。可是，在實(shí)際的教學(xué)過程中，由于以下一些原因，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，僅有少部分學(xué)生能夠較好的掌握技能點(diǎn)。（1）刀架的臺(tái)套數(shù)較少，不能滿足學(xué)生反復(fù)拆裝的需要；（2）刀架中的一些機(jī)械傳動(dòng)

部件比較精密，在工藝不熟的情況拆裝，容易損壞部件；（3）螺絲等緊固元件，反復(fù)拆裝后容易失效。

這些實(shí)際的教學(xué)困難，需要一款虛擬刀架拆裝軟件，來配合實(shí)際的刀架拆裝使用，以達(dá)到提升教學(xué)效果和延長刀架壽命的雙重效果。

2 虛擬仿真和萬維引擎簡介

虛擬仿真（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)，就是用一個(gè)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。VR技術(shù)具有“3I特性”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interactive）和構(gòu)想性（Imagination），被廣泛的應(yīng)用于影視、游戲、軍事和教育等領(lǐng)域。目前主流的VR開發(fā)軟件Unity 3D，通過C#、Java和C++等語言編程，門檻較高。

而由浙江大學(xué)的單巖教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的萬維引擎，是基于Unity 3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)而來的，它最顯著的特點(diǎn)是零門檻學(xué)編程——采用Excel表格來編程。萬維引擎的易學(xué)易用特性，使得師師、師生或生生團(tuán)隊(duì)開發(fā)VR教學(xué)作品成為可能。

3 基于萬維引擎的電動(dòng)刀架VR拆裝系統(tǒng)開發(fā)流程

3.1 模型準(zhǔn)備

根據(jù)常用的三和LD4B CK6125型刀架采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行1：1等比建模，確保仿真對象的真實(shí)性。建模工具最好使用3D MAX，因?yàn)槠淠Ｐ洼^小，導(dǎo)出的*.FBX模型文件可以直接導(dǎo)入萬維引擎中。本例采用的是solidworks建模，其生成的模型文件需要先通過3D MAX軟件轉(zhuǎn)換成*.FBX文件，才可導(dǎo)入萬維引擎。

3.2 模型、引擎包的導(dǎo)入及開發(fā)環(huán)境的搭建

通過“工程板塊”中的“Assets”下的“Import Package”導(dǎo)入萬維引擎包，搭建萬維引擎的開發(fā)環(huán)境；通過“Assets”下的“Import New Assets”導(dǎo)入準(zhǔn)備好的*.FBX模型，然后拖曳至結(jié)構(gòu)樹板塊即可。

為了使場景更具有真實(shí)感，需要添加光源，添加完光源的物體會(huì)出現(xiàn)陰影、反射等真實(shí)世界中的現(xiàn)象。本VR系統(tǒng)使用平行光“Directional Light”照亮場景中的刀架等物體。

相機(jī)是仿真過程中很重要的一個(gè)組成部分，發(fā)布的軟件看到的界面其實(shí)都是預(yù)先設(shè)置好的相機(jī)所產(chǎn)生的效果。之前導(dǎo)入的萬維引擎包，已經(jīng)將所有相機(jī)全部做成了一個(gè)預(yù)制體“_Sketch”。把該預(yù)制體拖曳到結(jié)構(gòu)樹板塊，就可以依次調(diào)整主相機(jī)、焦點(diǎn)相機(jī)和漫游相機(jī)的屬性，使其視角達(dá)到最佳。

3.3 任務(wù)創(chuàng)建與任務(wù)名匹配

在運(yùn)行界面，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目名稱如“電動(dòng)刀架拆裝”；關(guān)閉運(yùn)行，在_Sketch的子物體中找到Main Script，選中后在它的屬性板塊的“Task Name”輸入框中輸入剛剛創(chuàng)建的任務(wù)名“電動(dòng)刀架拆裝”，即完成了任務(wù)名匹配。保存布置好的場景，開發(fā)前的準(zhǔn)備工作完畢。

3.4 基于Excel的VR軟件開發(fā)

3.4.1 認(rèn)識(shí)刀架的結(jié)構(gòu)

在萬維引擎平臺(tái)上，可以有多種方式生動(dòng)的介紹物體的結(jié)構(gòu)。如通過物體各零部件的“旋轉(zhuǎn)”來全方位的全方位觀察零部件；通過“文本語音”朗讀文本介紹零部件的特點(diǎn)；通過“引出線”或“部件提示”來明確的標(biāo)識(shí)零部件；還可以在“結(jié)構(gòu)認(rèn)知”菜單，通過填表把重要的零部件一次性全部標(biāo)識(shí)出來（如圖1所示）。

3.4.2 刀架裝配動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

以下刀體 “左側(cè)深溝球軸承及端蓋”的安裝為例，通過Excel表格的填寫（如圖2），可以實(shí)現(xiàn)“相機(jī)機(jī)位旋轉(zhuǎn)、語音提示、高亮部件和部件直線運(yùn)動(dòng)”等安裝動(dòng)作。

3.4.3 “教練考”設(shè)置

萬維引擎軟件主體功能包括“教、練、考”三部分。軟件的基本功能即是“教”，是整個(gè)軟件的流程性動(dòng)畫，在基本功能開發(fā)完成后即完成了“教”。“練”是在“教”的基礎(chǔ)上增加了人機(jī)互動(dòng)，在“教”的基礎(chǔ)上添加鼠標(biāo)、鍵盤、選擇題、工具選擇等多種觸發(fā)功能，即可完成“練”的功能。“考”是在“練”的基礎(chǔ)上增加了得分情況，添加時(shí)只需要填寫“exam.xls”表格即可完成“考”的功能。

完成教練考和菜單等設(shè)置后，反復(fù)調(diào)試無誤，就可發(fā)布成可以獨(dú)立運(yùn)行的EXE文件了。

4 本軟件的應(yīng)用效果及局限性

“電動(dòng)刀架VR拆裝系統(tǒng)”開發(fā)完成后，首先在所任課班級進(jìn)行了試用。實(shí)踐證明，該VR拆裝系統(tǒng)極大的提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在類似于“游戲”的體驗(yàn)中，學(xué)生很快認(rèn)清了電動(dòng)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)，記住了零部件名稱和裝配流程。在多次的VR游戲體驗(yàn)后，學(xué)生在實(shí)際的刀架拆裝過程中，有似曾相識(shí)的感覺，拆裝過程更加流暢。

本VR拆裝軟件融趣味性和知識(shí)性于一體，大大提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率，一定程度上緩解了設(shè)備不足的問題。但在中高職教育中，VR體驗(yàn)只是一種輔助的工具，是無法提供實(shí)際機(jī)械拆裝過程中逐步培養(yǎng)的手感和力度等實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷文，陳清奎，朱肖龍，等.基于VR的“農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)”仿真教學(xué)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2018（4）：76-81.

[2]彭建飛.數(shù)控車床四方回轉(zhuǎn)刀架拆裝及維護(hù)研究[J].現(xiàn)代信息科技，2018（5）：173-175.