基于VR技術的船體分段虛擬裝焊教學研究

高霆 朱安慶 胡安超

摘要：介紹了使用三維建模軟件和虛擬現實開發軟件制作分段制造虛擬車間，將專業船舶設計軟件Tribon構建的數字樣船模型進行輕量化處理后導入3D Max進行細節優化和材質添加，然后導入Unity 3D中進行交互式裝配動作設計，最終借助VR集成硬件實現分段虛擬裝焊效果，從而構成一個完整的虛擬現實系統。將前沿的虛擬現實技術應用到分段裝配仿真中，在教學、培訓等領域具有積極的意義。

關鍵詞：分段裝配;虛擬裝配;虛擬現實;VR硬件

中圖分類號：U673? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）39-0188-04

船舶類高校在進行船舶制造技術教學時一直以來在教學手段上都受到限制，在介紹船舶建造總體流程時出于安全考慮不能讓學生和加工設備近距離接觸，在講授船舶搭載過程時無法展現搭載的真實過程，在驗證分段不同建造方案的優劣時學生由于無法參與驗證過程因而對結論很難理解透徹……近些年VR（Virtual Reality虛擬現實）技術快速發展，與各領域的融合越來越多，在游戲、軍事訓練、房地產、工程制造、購物等領域都掀起了開發熱潮[1]，在汽車裝配仿真、發動機虛擬拆裝等領域都已實現了VR技術的應用。高校作為新技術的應用前沿，VR技術在教學環節中的運用也將是教學手段改革的必然趨勢。本文研究了VR技術在船體分段虛擬裝配教學中的應用的實現手段。

一、VR技術在船體分段虛擬裝配教學中的優勢

教師在講解船體分段建造方式時一般采取的方式是先介紹分段裝焊的幾種方法，分別講解其優缺點，再舉一個結構分段的裝焊實例，最后選擇一個分段讓同學們進行實踐。由于學生對船體分段的認知僅停留在書本和教學視頻上，對簡單的平面分段還能理解，復雜一些的曲面段就無從下手了。實踐環節本意是讓學生發揮主觀能動性，通過課堂講授的知識對一個全新的分段進行不同裝焊方案的研究，并比較方案之間的優劣，但一來教師沒有實物模型可供全體學生實踐，僅提供兩維圖紙對學生的識圖和空間想象能力要求較高;二來全靜態的研究對于裝焊過程中的動態干涉是體現不了的，提交的方案可行性上可能存在問題，再者，焊接物量作為對比方案優劣的重要統計數據只能手工統計，準確性不高，效率也低。而VR技術可以較好地解決這個問題，VR技術和虛擬放樣的結合可以幾乎零成本地為每位學生提供實踐分段，以直觀的方式供學生研究船體分段的裝焊過程，并結合計算機輔助設計功能給出相應方案的準確裝焊物量數據，在提高學生學習興趣的同時大大提高教學效果。

二、系統構建方案

利用VR技術實現船體分段虛擬裝配，其開發思想與機械設備拆裝仿真和機器人作業仿真類似，都是零部件的裝配順序模擬和機械設備的動作模擬，但船體分段零件的數量多，為提高仿真效率，需要對零件進行輕量化處理，去除坡口、倒角等次要信息，此外同一個船體分段的裝配會有多種方案，零件間拓撲關系比較復雜，因此本系統的開發軟件分別選取3D Max和Unity 3D，系統構建的過程如圖1所示。

三、模型準備

（一）構建分段制造虛擬車間

依據某造船廠分段加工內場的實際情況，廠房尺寸可以查看廠區規劃CAD圖紙，廠房內設備的布局可以參考車間布局圖，在綜合考慮仿真效果和仿真數據量后，對車間設備進行了取舍，最終仿真系統中模擬的設備有：廠房、鋼結構、支柱式胎架、固定式胎架、橋式起重機、托盤等。三維模型制作完畢后，導入到Unity 3D中，并添加燈光、天空球，再對場景使用實時光照技術Enlighten模擬，雖然渲染效果沒有全局光照的真實，但消耗的硬件資源少，仿真效果更加流暢。搭建完成的分段制造虛擬車間如圖2所示。

（二）分段裝配技術分析

船體分段裝配是將船體零件經過切割加工后，根據分段的裝配方案進行拼板、部件、組件等制造級的集配和預制，最后在船體分段胎架上進行組合的過程，此過程又稱大組立[3]。根據裝配的相似性，分段可分為：（1）平面分段，如貨艙底部分段和舷側分段;（2）簡單曲面分段，如貨艙舭部分段;（3）復雜曲面分段，如艏艉分段;（4）特殊分段，如槽型艙壁分段等。不同類型的分段的裝配方案自然不同，同一類型的分段根據不同船廠的建造能力和作業習慣也會產生不同的裝配方案，這不僅僅是正造、反造這兩種建造法的分別，更主要的是由于分段內部縱橫構件的不同裝配順序的區別。以下為底部平面分段幾種常見的內部構件裝配方法的簡單介紹：

1.分離裝配法，將分段內部縱橫構件分離，在基準面板列上胎架后，先安裝縱向結構，如中縱桁、旁縱桁等，再安裝橫向構件，如肋板，組成網格狀后再進行統一焊接[4]。

2.放射裝配法，在基準面板列上胎架后，先安裝中縱桁材，再從分段中部向四周依次交替裝焊其他肋板和縱桁構件，邊裝邊焊[5]。

3.縱桁法，在基準面板列上胎架后，先從中向兩側交替安裝縱桁和縱骨，然后焊接全縱向構件桁，再從中向兩側對稱安裝橫向肋板，最后焊接橫向構件[6]。

4.框架法，框架法是先把分段內部縱向構件和橫向構件在組件場地裝配成框架組件，再在分段制作場地將框架放到基準面板列上進行焊接的一種裝配方法。根據不同船廠的精度控制能力，框架大小有區別，可以分成蛋箱形框架和π形框架。

（三）船體分段三維模型創建

船舶設計目前的主流軟件還是Tribon，它集CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）和MIS（管理信息系統）于一體，是一款可以實現船體、舾裝、涂裝各個專業在同一平臺下進行并行設計的專家系統[2]。通過這個系統可以對船體結構進行外表面線型光順，并進行內部結構的準確建模，并能根據不同的分段建造方案進行零部件的裝配收集，這就可以為仿真系統中需要的不同的裝配方案提供必要的模型素材，考慮到目前國內各船舶設計公司已經積累了大量的船型數據，這就可以為仿真系統提供足夠的船型數據。但是，Tribon的渲染能力不足，不能對模型進行賦予材質貼圖，視覺效果較差，為此，需要對模型數據采用3D Max進行優化處理。

將用Tribon建立的結構零件模型以dxf的格式導出后輸入3D Max，由于數據在傳遞中可能會發生失真，因此需要對導入的模型進行必要的修補，再將不影響仿真效果的次要信息刪除，次要信息主要是焊縫邊緣的坡口、型材構件端部的切角、標記線等。然后對零件進行模型面數調整以降低零件數據數量級，實現數據輕量化，再對零件進行鋼板材質貼圖，最后以部件為單位將模型導入Unity 3D中進行交互式開發。

如圖3所示為最終導入Unity 3D后的雙層底分段虛擬模型。

四、GUI開發

圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱GUI），GUI是在電子屏幕上使用圖形圖像方式顯示的系統與用戶的操作界面[7]，GUI的開發使用Unity 3D自帶的圖形界面開發模塊——UGUI進行開發，并結合C#編程技術實現其功能，如關閉按鈕、返回上一界面按鈕、零部件選擇列表、操作幫助文檔、分段裝配工藝流程圖彈出按鈕等，用戶界面的效果如圖4所示。

（一）自由視角的實現

為了在教學環境中全方位觀察虛擬場景中的任何對象，需要開發自由視角功能。借助Unity 3D對鼠標硬件的支持，通過腳本編程實現用鼠標左鍵控制相機旋轉、用鼠標中鍵滾動實現遠近視角漸變、用鼠標中鍵點擊可以實現視角平移。為減少用戶對自由視角的誤操作，系統開發了視角復位功能。

（二）虛擬裝配功能的實現

為了能表達分段裝配的流程，綜合虛擬現實技術沉浸性、交互性的特性，分段模型虛擬裝配的交互方式為：使用鼠標拖拽模結構部件模型，模型邊緣匹配到已有結構面時即可確定定位位置，然后用戶選擇安裝方向，系統模擬該部件的安裝動作并記錄裝配順序。在編程實現時應注意代碼的移植性，能較快地實現將一個分段的代碼拓展到其他的分段。最終實現的分段虛擬裝配能充分體現用戶的設計意圖，并能直觀展示，這種全新的實驗教學方式對教學有積極意義。

（三）裝配干涉檢測的實現

為了驗證裝配方案的合理性，在模擬零件裝配過程時定義了零件的運動軌跡，并借助了Unity 3D的實時空間干涉檢查功能，實現了裝配過程的動態干涉檢查，當干涉一旦發生時就可以高亮提示，這在教學時具備更好的直觀效果。

（四）焊接數據的統計

船體結構的裝焊除了體現零件間的裝配順序外，焊接的順序也很重要，當通過Unity 3D實現了各零件的裝配順序后可以由用戶來定義焊接的時機和焊接方式，學生可以更好地體會自動焊和手工焊、平角焊和立角焊、俯焊和仰焊的各自特點，并通過定義焊接信息來統計不同焊接方式的長度，形成報表。

（五）教學評價體系的實現

本系統的開發是面向船舶專業的學生，除了用于演示的教學模式外，為檢驗教學效果，系統開發了學生模型，讓學生自己動手制訂分段的裝焊方案，并定義了題庫，學生在制訂分段裝焊方案時完成相應的題目，最終由教師進行評價。這種教學方式增加了學生的參與度，既提高了學生的學習積極性，又達到了較好的教學效果。

五、船舶分段裝配在虛擬仿真裝備中的實現

分段虛擬裝焊在Unity 3D中完成后還需要實現用戶的交互性和沉浸性的體驗，這需要借助必要的硬件設備來組成一個完整的虛擬現實系統[8]，硬件設備的選擇直接影響用戶體驗效果。

（一）虛擬現實硬件

虛擬現實世界硬件設備由虛擬現實生成設備、虛擬現實輸出設備和虛擬現實輸入設備組成[9]。本文介紹的分段虛擬裝焊實驗系統根據實際實驗環境空間和實驗人員數量，借助立體投影儀和光學追蹤器等設備構成一套完整的虛擬現實系統，如圖5所示為一套虛擬現實硬件設備的構成：

1.虛擬現實世界生成設備。主機系統為惠普Z820工作站，24核48線程，采用了2顆Intel至強E5-2650V4，主頻為2.2GHz，顯卡為NVIDIA Quadro M5000 8GB專業顯卡，具有有效增強處理3D效果的能力。

2.虛擬現實輸入設備。交互設備使用的是ART公司的Flystick交互手柄，該手柄是用于虛擬現實應用領域的無線式交互設備，全面模擬鼠標交互操作，實現對分段零部件的移動操作。還有三維定位追蹤設備，追蹤設備為ART公司出品的ART Track設備，是一種經典的光學追蹤解決設備，配備多個追蹤攝像頭，該追蹤攝像頭采用6自由度測量目標物體，可以快速精準地捕捉用戶主動立體眼鏡反饋的動作，實現沉浸式效果仿真。

3.虛擬現實輸出設備。輸出設備使用的是3D投影機和投影幕布，投影機采用DLP技術（Digital Light Procession數字光處理），支持主動立體。投影幕布使用具有波珠涂層的投影幕面，幕面平整，顯示效果較好。同時還配備主動立體眼鏡，它與3D投影機配合形成立體視感。

Unity 3D開發的分段虛擬裝配程序與VR硬件還不能直接實現信息傳遞，而使用“MiddleVR”就可以簡化這個過程[10]，“MiddleVR”作為一種中間工具軟件囊括了VR應用的各個方面：輸入、輸出設備、立體顯示、交互，它以可視化界面實現系統的配置。

（二）設置MiddleVR關鍵參數

1.使用MiddleVR軟件創建針對VR硬件系統支持的配置文件，該配置文件應該包含：VR硬件交互設備定義、投影幕布在現實世界中的空間定位、光學追蹤器的定位、反光球的反饋通道等虛擬設備與現實世界的交互定義。

2.設置VRManager參數。將MiddleVR插件添加到Unity后，還需要設置“VRManager”屬性，“VRManager”屬性可以管理與硬件交互的各個方面，例如指定配置文件、是否顯示Flystick三維圖標、VR系統的中心節點等。

3.統一坐標系。MiddleVR使用的是右手坐標系，但Unity 3D使用的是左手坐標系，Unity腳本直接從MiddleVR中讀取3D節點或3D跟蹤器的信息時，該信息記錄的是MiddleVR中的坐標系，因此必須將此3D信息轉換為Unity的坐標系，左手坐標系轉換成右手坐標系。

4.傳遞數據。基于Unity開發的交互程序是以鼠標鍵盤作為輸入設備，而當3D交互程序集成到VR硬件設備上之后，要使用Flystick代替鼠標進行操作（按鈕點擊、模擬桿操作），Flystick的交互信息最終要反映到3D交互程序中，因此需要通過腳本訪問Flystick數據并傳遞到3D交互程序中。

5.發布程序。Unity 3D支持將開發的程序一鍵發布到主流操作系統平臺，設置完成后，使用Unity 3D的“Build Settings”功能，將程序發布成.exe格式的可執行文件，通過MiddleVR中間軟件打開，完成與硬件設備的連接。完成后的效果如圖6所示。

六、總結與展望

本文使用建模軟件構建了分段制造內場三維模型，并將三維模型導入Unity 3D，完成虛擬車間的構建。將Tribon構建的數字樣船模型導入3D Max，并在3D Max中對模型優化處理，最終將分段模型導入Unity 3D，完成分段虛擬模型的構建。使用C#編程實現了分段裝配交互式虛擬仿真程序，分段裝配腳本具有可拓展性，將該腳本應用于不同船舶類似分段上，能快速實現新分段的裝配仿真。最后通過中間軟件MiddleVR實現虛擬場景和硬件設備的信息交互，將基于Unity 3D開發分段虛擬裝配交互程序集成到一套完整的虛擬現實硬件設備上。

通過以上的虛擬現實手段實現了船舶分段裝焊方案的沉浸式教學，在不消耗試驗材料的前提下完成了分段不同裝焊方案的比較，并讓學生在安全的環境下實踐了裝焊過程，在實際教學中取得的不錯的效果。

由于受硬件條件和開發時間的限制，系統內的分段種類和數量還不是很多，讓學生在實踐環節同時參與的數量有限制，這在未來的系統開發中還需要進一步完善。

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Research on Hull Block Virtual Assembly Teaching Based on VR Technology

GAO Ting 1，ZHU An-qing1，HU An-chao2

（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，Jiangsu 212003，China;2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu 212003，China）

Abstract：This paper introduces the use of three-dimensional modeling software and virtual reality software to build a block manufacturing virtual workshop，in which the digital sample ship model，created by Tribon，a professional ship design software，is light weight treated，import them into 3D Max，where the models are optimized and material details added，and then import the models into Unity 3D，where the interactive assembly actions are designed，and finally by means of VR integrated hardware to achieve block virtual assembly effect，consequently a comprehensive virtual reality system is developed.The application of forefront virtual reality technology into the block assembly simulation has positive significance in fields like teaching，training and so on.

Key words：block assembly;virtual assembly;virtual reality;VR hardware