基于VR技術(shù)的機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)例

江本赤 梁利東 賈文友 王建彬 劉有余

摘 ?要 鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益廣泛的工程應(yīng)用現(xiàn)狀，為增強(qiáng)機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施方法進(jìn)行探討。為驗(yàn)證所提方法的有效性和實(shí)用性，以CA6140車床為例，開發(fā)一套VR模塊化裝調(diào)系統(tǒng)，以期為機(jī)械專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);機(jī)械類課程;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì);仿真實(shí)驗(yàn);Unity3D;CA6140車床

中圖分類號(hào)：G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）02-0036-03

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)及傳感技術(shù)于一體的綜合性多學(xué)科交叉技術(shù)[1-2]。2016年被認(rèn)為是中國虛擬現(xiàn)實(shí)元年，硬件市場(chǎng)規(guī)模近21億元[3]。VR技術(shù)由于可交互的臨場(chǎng)感，其工程應(yīng)用正在向諸多領(lǐng)域滲透，在機(jī)械工程中亦得到日益廣泛的應(yīng)用[4]。用戶首先需進(jìn)行模型創(chuàng)建，明確虛擬場(chǎng)景中各物理要素的幾何信息，并進(jìn)行三維建模;然后搭建虛擬環(huán)境，將模型以一定的格式導(dǎo)入可視化軟件開發(fā)環(huán)境，并確定各要素間的位置拓?fù)潢P(guān)系;最后通過專用設(shè)備“進(jìn)入”虛擬環(huán)境，可根據(jù)需要與場(chǎng)景中的要素進(jìn)行交互，同時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)場(chǎng)景的狀態(tài)拓?fù)洹Ｈ鐖D1所示，相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，VR技術(shù)的沉浸感在交互性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[5]。

基于上述原理開發(fā)的虛擬機(jī)械實(shí)驗(yàn)，無須直接接觸機(jī)械設(shè)備，而是借助VR技術(shù)的沉浸感達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。鑒于機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較高，復(fù)雜機(jī)械裝備的工作原理枯燥難懂的特點(diǎn)，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。

本文在分析機(jī)械類課程中典型實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法，旨在降低實(shí)驗(yàn)成本，幫助學(xué)生了解新技術(shù);通過運(yùn)用對(duì)CA6140車床的虛擬拆裝系統(tǒng)，驗(yàn)證可視化交互仿真實(shí)驗(yàn)的可行性。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境搭建

機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)中常涉及復(fù)雜機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)傳遞和工作原理等問題。在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)任務(wù)特點(diǎn)，選擇合適的應(yīng)用軟件，配置好VR硬件參數(shù)，搭建出經(jīng)濟(jì)適用的沉浸式可視化可交互實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

軟件選擇與場(chǎng)景建模 ?首先對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)各物理要素進(jìn)行三維建模。三維模型的獲取方法有很多，在此不再贅述。對(duì)于機(jī)械類專業(yè)的VR仿真實(shí)驗(yàn)，本專業(yè)學(xué)生所熟悉的三維造型軟件即可滿足要求，如UG、Pro/E、SolidWorks等。

然后選擇實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支撐軟件。完成場(chǎng)景的三維建模之后，還需要選擇VR實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)環(huán)境。目前市場(chǎng)上有多款功能相似的VR應(yīng)用程序開發(fā)引擎，如Unity3D、Quest3D、Virtools等。其中，Unity Techno-logies公司推出的Unity3D是一種可創(chuàng)建實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、建筑可視化、三維視頻游戲等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型開發(fā)工具，其編輯器可運(yùn)行在Windows和Mac OS X下，并可發(fā)布Windows和Android等平臺(tái)支持的可執(zhí)行文件。Unity3D

是當(dāng)今在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的跨平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)引擎，本文將選用該軟件進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)案例開發(fā)。

在完成三維建模之后，通常得到的是prt或stl等格式的模型數(shù)據(jù)，一般需要將其轉(zhuǎn)換成開發(fā)環(huán)境所接受的中間文件格式。如Unity3D需要格式轉(zhuǎn)換成fbx格式，該格式文件占據(jù)的存儲(chǔ)空間相對(duì)較小，有利于提高程序處理速度。目前有多款軟件支持這種格式轉(zhuǎn)化。

硬件配置與通信測(cè)試 ?虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件一般包括雙通道投影系統(tǒng)、3D眼鏡、頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套/手柄以及位置跟蹤器等。借助頭盔顯示器或投影系統(tǒng)與3D眼鏡可體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景的沉浸感，可用于被動(dòng)觀測(cè);在此基礎(chǔ)上，借助數(shù)據(jù)手套/手柄及位置跟蹤器，可用于可視化交互，操作者可在虛擬場(chǎng)景中干預(yù)各三維模型要素的狀態(tài)，如移動(dòng)某零部件的位置。完成軟件部分的準(zhǔn)備工作之后，進(jìn)行硬件連接并調(diào)試硬件與軟件的通信，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性以及硬軟件的兼容情況。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)例

機(jī)械類VR實(shí)驗(yàn)包括裝備的靜態(tài)觀測(cè)、虛擬拆卸及裝配、工作原理演示和機(jī)械仿真加工等內(nèi)容。針對(duì)具體的交互性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，需編寫腳本程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件按照既定的軌跡運(yùn)動(dòng)，通過VR硬件完成可視化臨場(chǎng)感交互。下面以圖2所示的CA6140車床為例，選擇Unity3D軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)行模塊化虛擬裝調(diào)試驗(yàn)。

面向?qū)嶒?yàn)任務(wù)的程序設(shè)計(jì) ?CA6140車床是一款典型的傳統(tǒng)機(jī)床，許多現(xiàn)行教材仍以其為例進(jìn)行傳動(dòng)鏈等機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)的講解，大多數(shù)高校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的金工實(shí)習(xí)也直接操作過該設(shè)備。為便于學(xué)生從功能的角度認(rèn)識(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)，此處將整個(gè)車床結(jié)構(gòu)分為主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、床體和尾座六大組件。依據(jù)教學(xué)需要所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，將驅(qū)動(dòng)程序劃分為拆卸裝配、運(yùn)動(dòng)傳遞、漫游和交互四大功能模塊，所設(shè)計(jì)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CA6140車床模塊化虛擬裝調(diào)實(shí)例 ?對(duì)車床的主要功能部件進(jìn)行建模，轉(zhuǎn)換成fbx格式之后，導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D環(huán)境，機(jī)床整體外觀效果見圖4。整個(gè)虛擬裝調(diào)系統(tǒng)包括整機(jī)和組件的整體場(chǎng)景漫游，以及分步和連續(xù)裝調(diào)的過程演示，其模塊化拆卸效果如圖5所示，移除車床表層覆蓋件可顯示內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。圖7是主軸箱內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步顯示主軸子模塊和換向裝置的三維結(jié)構(gòu)，可分別顯示變速機(jī)構(gòu)和制動(dòng)裝置。

上述四個(gè)子模塊界面中可進(jìn)一步進(jìn)行交互式拆卸和裝配。進(jìn)給箱外形和溜板箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示。刀架和尾座部分的結(jié)構(gòu)分別如圖10和圖11所示。床身模塊如圖12所示。

4 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)，具有成本低、靈活性強(qiáng)、效果直觀及安全性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，合理設(shè)計(jì)VR實(shí)驗(yàn)，可幫助學(xué)生快速理解復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與操作方法，有助于激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，并可為其他實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革提供參考。

參考文獻(xiàn)

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