基于“萬維引擎”的電動刀架VR拆裝系統開發

黃琳莉

摘 要：為了解決電動刀架機械拆裝時設備數量少和設備磨損的問題，基于“萬維引擎”VR軟件平臺，開發了一款集結構認知和拆裝仿真為一體的VR系統。文章詳細介紹了基于萬維引擎的電動刀架VR拆裝系統的開發流程，對其他“機電設備拆裝”類課程有一定借鑒意義。

關鍵詞：萬維引擎；虛擬現實；電動刀架；機械拆裝

中圖分類號：TG519.1 文獻標志碼：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

電動刀架是數控車床的輔助裝置之一，它可使數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，從而提高機床的加工效率和加工精度。典型數控轉塔刀架一般由動力源、機械傳動機構、預分度機構、定位機構、鎖緊機構、檢測裝置、接口電路、刀具安裝臺等組成，結構較為復雜。據統計，數控車床刀架故障占整個數控車床故障的40%左右，故數控車床電動刀架拆裝實訓是《數控機床機械裝調與維修》課程中重要內容。

電動刀架拆裝實訓的主要目的在于：了解刀架的機械結構；掌握刀架拆裝的工藝；通過實際拆裝，學會分析刀架不能正常換刀的可能機械原因。可是，在實際的教學過程中，由于以下一些原因，導致學生動手機會較少，僅有少部分學生能夠較好的掌握技能點。（1）刀架的臺套數較少，不能滿足學生反復拆裝的需要；（2）刀架中的一些機械傳動

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，反復拆裝后容易失效。

這些實際的教學困難，需要一款虛擬刀架拆裝軟件，來配合實際的刀架拆裝使用，以達到提升教學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，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。VR技術具有“3I特性”，即沉浸感（Immersion）、交互性（Interactive）和構想性（Imagination），被廣泛的應用于影視、游戲、軍事和教育等領域。目前主流的VR開發軟件Unity 3D，通過C#、Java和C++等語言編程，門檻較高。

而由浙江大學的單巖教授團隊開發的萬維引擎，是基于Unity 3D軟件進行二次開發而來的，它最顯著的特點是零門檻學編程——采用Excel表格來編程。萬維引擎的易學易用特性，使得師師、師生或生生團隊開發VR教學作品成為可能。

3 基于萬維引擎的電動刀架VR拆裝系統開發流程

3.1 模型準備

根據常用的三和LD4B CK6125型刀架采集的數據，進行1：1等比建模，確保仿真對象的真實性。建模工具最好使用3D MAX，因為其模型較小，導出的*.FBX模型文件可以直接導入萬維引擎中。本例采用的是solidworks建模，其生成的模型文件需要先通過3D MAX軟件轉換成*.FBX文件，才可導入萬維引擎。

3.2 模型、引擎包的導入及開發環境的搭建

通過“工程板塊”中的“Assets”下的“Import Package”導入萬維引擎包，搭建萬維引擎的開發環境；通過“Assets”下的“Import New Assets”導入準備好的*.FBX模型，然后拖曳至結構樹板塊即可。

為了使場景更具有真實感，需要添加光源，添加完光源的物體會出現陰影、反射等真實世界中的現象。本VR系統使用平行光“Directional Light”照亮場景中的刀架等物體。

相機是仿真過程中很重要的一個組成部分，發布的軟件看到的界面其實都是預先設置好的相機所產生的效果。之前導入的萬維引擎包，已經將所有相機全部做成了一個預制體“_Sketch”。把該預制體拖曳到結構樹板塊，就可以依次調整主相機、焦點相機和漫游相機的屬性，使其視角達到最佳。

3.3 任務創建與任務名匹配

在運行界面，創建一個新項目名稱如“電動刀架拆裝”；關閉運行，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建的任務名“電動刀架拆裝”，即完成了任務名匹配。保存布置好的場景，開發前的準備工作完畢。

3.4 基于Excel的VR軟件開發

3.4.1 認識刀架的結構

在萬維引擎平臺上，可以有多種方式生動的介紹物體的結構。如通過物體各零部件的“旋轉”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；通過“引出線”或“部件提示”來明確的標識零部件；還可以在“結構認知”菜單，通過填表把重要的零部件一次性全部標識出來（如圖1所示）。

3.4.2 刀架裝配動畫的實現

以下刀體 “左側深溝球軸承及端蓋”的安裝為例，通過Excel表格的填寫（如圖2），可以實現“相機機位旋轉、語音提示、高亮部件和部件直線運動”等安裝動作。

3.4.3 “教練考”設置

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”，是整個軟件的流程性動畫，在基本功能開發完成后即完成了“教”?！熬殹笔窃凇敖獭钡幕A上增加了人機互動，在“教”的基礎上添加鼠標、鍵盤、選擇題、工具選擇等多種觸發功能，即可完成“練”的功能。“考”是在“練”的基礎上增加了得分情況，添加時只需要填寫“exam.xls”表格即可完成“考”的功能。

完成教練考和菜單等設置后，反復調試無誤，就可發布成可以獨立運行的EXE文件了。

4 本軟件的應用效果及局限性

“電動刀架VR拆裝系統”開發完成后，首先在所任課班級進行了試用。實踐證明，該VR拆裝系統極大的提升了學生的學習興趣，在類似于“游戲”的體驗中，學生很快認清了電動刀架的機械結構，記住了零部件名稱和裝配流程。在多次的VR游戲體驗后，學生在實際的刀架拆裝過程中，有似曾相識的感覺，拆裝過程更加流暢。

本VR拆裝軟件融趣味性和知識性于一體，大大提高了實訓教學的效率，一定程度上緩解了設備不足的問題。但在中高職教育中，VR體驗只是一種輔助的工具，是無法提供實際機械拆裝過程中逐步培養的手感和力度等實操經驗的。

參考文獻：

[1]雷文，陳清奎，朱肖龍，等.基于VR的“農業機械學”仿真教學系統[J].計算機系統應用，2018（4）：76-81.

[2]彭建飛.數控車床四方回轉刀架拆裝及維護研究[J].現代信息科技，2018（5）：173-175.