基于全息臺的虛擬機(jī)械裝配VR內(nèi)容制作研究*

江方記，孫宗恒

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 深圳中視典數(shù)字科技有限公司，廣東 深圳 518053）

基于VR技術(shù)的虛擬裝配是近年來比較熱門的虛擬設(shè)計(jì)和制造研究的方向之一，它以機(jī)械產(chǎn)品的裝配技術(shù)為研究方向，以提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程的質(zhì)量為根本，同時(shí)綜合運(yùn)用CAD技術(shù)、VR技術(shù)、計(jì)算機(jī)三維建模技術(shù)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等，創(chuàng)建一個(gè)接近真實(shí)情境的虛擬操作平臺[1]．機(jī)械工程師可以在VR環(huán)境中完成機(jī)械產(chǎn)品的裝配操作，同時(shí)檢驗(yàn)和規(guī)劃機(jī)械產(chǎn)品的裝配工藝，完成最合理的機(jī)械產(chǎn)品的裝配解決方案．基于VR技術(shù)的虛擬裝配的研究和實(shí)際應(yīng)用是與VR技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、AI技術(shù)、信息技術(shù)和CAD設(shè)計(jì)等諸多學(xué)科的技術(shù)發(fā)展相關(guān)的[2]．目前研究主要包括虛擬裝配的關(guān)鍵性技術(shù)、虛擬裝配的軟硬件環(huán)境和虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用等方面[3]．

高職院校的機(jī)械類課程教學(xué)過程與 VR虛擬裝配的發(fā)展密切相關(guān)，例如高職院校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)了機(jī)械制圖專業(yè)基礎(chǔ)課程以后，還會安排一定的實(shí)訓(xùn)課時(shí)，讓學(xué)生熟讀裝配圖，并根據(jù)裝配圖完成其裝配體的拆裝實(shí)訓(xùn)，從而達(dá)到提高學(xué)生讀機(jī)械裝配圖的工程能力和素養(yǎng)[4]．但是這種傳統(tǒng)的機(jī)械裝配教學(xué)存在很明顯的弊端，如教學(xué)用的裝配體的數(shù)量有限、裝配體實(shí)體模型的定期更新比較慢、裝配體的定制加工周期比較長、裝配體拆裝場地有限、裝配體的零件容易丟失和課程需要配置大量的裝配工具等．隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將VR虛擬機(jī)械裝配技術(shù)應(yīng)用到高職院校的教學(xué)實(shí)踐中，這無疑是解決這些弊端比較理想的辦法之一[5]．

1 虛擬機(jī)械裝配VR內(nèi)容制作的框架設(shè)計(jì)

基于 VR技術(shù)的虛擬機(jī)械裝配是以機(jī)械產(chǎn)品的3D模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用VR技術(shù)，在VR環(huán)境中完成虛擬機(jī)械裝配操作的全過程，同時(shí)還可以在VR環(huán)境中完成機(jī)械產(chǎn)品的裝配順序設(shè)計(jì)、裝配路徑設(shè)計(jì)、裝配干涉檢查等裝配工藝設(shè)計(jì)過程，最終制定合理的產(chǎn)品裝配方案．圖 1為虛擬機(jī)械裝配過程框圖．

虛擬裝配技術(shù)源于 VADE（Virtual Assembly Design Environment），1995 年華盛頓州立大學(xué)和NIST 聯(lián)合進(jìn)行了虛擬裝配方面的技術(shù)和實(shí)驗(yàn)，并且研究開發(fā)出虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境VADE．VADE原型系統(tǒng)的面世和廣泛應(yīng)用，標(biāo)志著 VR技術(shù)在機(jī)械裝配領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用．圖2為VADE系統(tǒng)應(yīng)用示意圖．VADE試圖建立用于裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)等功能模塊的虛擬環(huán)境，然后運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的裝配過程．如果 VADE在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得以運(yùn)用和實(shí)現(xiàn)，那么機(jī)械工程師在機(jī)械產(chǎn)品的初級設(shè)計(jì)階段就可以將產(chǎn)品的拆裝工藝因素考慮進(jìn)來，從而避免產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造缺陷．VADE可以在機(jī)械產(chǎn)品CAD的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和裝配工藝分析之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通過分析和提取CAD設(shè)計(jì)環(huán)境中的產(chǎn)品裝配約束等信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品零部件的裝配工藝規(guī)劃，反過來也為機(jī)械產(chǎn)品零部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有用的反饋數(shù)據(jù)．

圖1 虛擬機(jī)械裝配過程框圖

圖2 VADE系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

2 虛擬機(jī)械裝配 VR內(nèi)容制作的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于 VR技術(shù)的中視典全息臺實(shí)時(shí)依賴于一定的虛擬情景，同時(shí)基于虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，可以開發(fā)出虛擬教室情景的軟硬件環(huán)境和輔助操作工具（如VR立體眼鏡或 3D操作手柄等）．如果充分利用VR軟硬件環(huán)境和輔助設(shè)備，同時(shí)運(yùn)用Solidworks等三維建模軟件，就可以快速開發(fā)出適合高職教學(xué)需求的VR教學(xué)環(huán)境．圖3為基于中視典VR全息臺的虛擬機(jī)械裝配解決方案框圖．

基于VR技術(shù)的中視典全息臺，它應(yīng)用適合教學(xué)體驗(yàn)的設(shè)備進(jìn)行教學(xué)模擬，同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)引擎表現(xiàn)出機(jī)械產(chǎn)品的“真實(shí)”結(jié)構(gòu)，為學(xué)生提供一種可操作和互動(dòng)性極強(qiáng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，改變了目前傳統(tǒng)機(jī)械課程生硬、枯燥和被動(dòng)的教學(xué)現(xiàn)狀，同時(shí)也使得多媒體課程教學(xué)從二維變成三維立體交互，最終構(gòu)建一個(gè)虛擬的、境界逼真的VR教學(xué)環(huán)境．基于VR技術(shù)的全息臺在高職機(jī)械課程教學(xué)上的應(yīng)用，必將開創(chuàng)“虛擬教學(xué)”的嶄新局面，它當(dāng)然也是教育高科技化的展現(xiàn)和應(yīng)用，也是未來教育途徑走向深層次現(xiàn)代化和信息化的標(biāo)志性成果之一．圖 4為基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)械裝配教學(xué)系統(tǒng)流程圖．

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的理論分析，同時(shí)結(jié)合中視典VR全息臺虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，本研究完成了多套典型機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配的VR內(nèi)容制作任務(wù)，包括帶輪傳動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝴蝶閥、手壓閥、雙向開關(guān)、轉(zhuǎn)子泵、調(diào)壓閥、自動(dòng)閉鎖式塞閥、齒輪油泵和虎鉗等．

圖3 基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)械裝配解決方案框圖

圖4 基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)械裝配教學(xué)系統(tǒng)流程圖

3 虛擬機(jī)械裝配 VR內(nèi)容制作的關(guān)鍵步驟分析

基于VR技術(shù)的虛擬機(jī)械裝配的內(nèi)容制作過程比較復(fù)雜，研制過程用到的軟件就至少包括AutoCAD、Solidworks、3dsmax和 VRP Builder等，研制過程主要包括如下幾個(gè)步驟：

1）使用AutoCAD等軟件，將機(jī)械產(chǎn)品的裝配圖拆畫成零件圖，圖5所示為帶輪傳動(dòng)裝置裝配圖中的帶輪零件圖．

2）使用 Solidworks三維繪圖軟件，完成零件和裝配體的三維建模．圖6所示為帶輪和帶輪裝置裝配體的三維模型圖．

3）將第二步創(chuàng)建的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到3dsmax軟件中，然后使用預(yù)裝的VRPlatform插件，將編輯好的 3dsmax模型導(dǎo)出為 VRP文件．

4）最后將VRP文件導(dǎo)入到VRP Builder編輯器中，完成VR內(nèi)容的后期制作任務(wù)，即可在中視典全息臺設(shè)備中運(yùn)行VR內(nèi)容，圖7所示為帶輪傳動(dòng)裝置VR虛擬裝配運(yùn)行效果圖．

圖5 帶輪零件圖

圖6 帶輪和帶輪傳動(dòng)裝置的三維模型圖

圖7 帶輪傳動(dòng)裝置VR虛擬裝配運(yùn)行效果圖

4 結(jié) 論

1）本研究是以目前高職院校機(jī)械制圖等課程的實(shí)際教學(xué)需求作為為研究的核心點(diǎn)，利用企業(yè)成熟的VR技術(shù)和設(shè)備，同時(shí)基于機(jī)械專業(yè)類虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)課件需求，對機(jī)械制圖等課程的教學(xué)過程、實(shí)訓(xùn)環(huán)境和技能訓(xùn)練等方面進(jìn)行了全過程的虛擬現(xiàn)實(shí)重構(gòu)．

2）利用虛擬現(xiàn)實(shí)場景的交互性、多感知性和可操作性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有高職課程的全部教學(xué)內(nèi)容和場景，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械制圖等專業(yè)課程的主動(dòng)性和積極性，解決教學(xué)中存在多年的難點(diǎn)．

3）促進(jìn)教師積極建構(gòu)新一代基于虛擬現(xiàn)實(shí)的未來教學(xué)課件，優(yōu)化自己的教學(xué)過程，提高專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，讓“教”與“學(xué)”結(jié)合得更加緊密和精彩．

[1] 黃靜．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其實(shí)踐教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：35-65．

[2] 李建廣，夏平均．虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]．航空制造技術(shù)，2010（3）：23-25．

[3] 冀盼．VR開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2017：21-83．

[4] 周曉成．虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)計(jì)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：15-83．

[5] 張承霖，曾飛國，劉韜，等．VR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用實(shí)踐[J]．高等繼續(xù)教育學(xué)報(bào)，2017（3）：46-49．