基于虛擬現實技術的減速器拆裝實訓平臺開發

王師偉, 劉雪霞, 李杰, 陳昱霖

（大連交通大學a.機械工程學院；b.創新創業教育學院，遼寧 大連116000）

0 引 言

工程訓練是大學里面具有實踐意義的一門技術基礎課，能讓大學生了解和掌握工程基礎知識及實際制造經驗，是在本科階段的一門必修課，能夠培養大學生的創新意識、動手操作能力和工程實踐意識[1]。傳統的工程訓練主要存在設備資源和場地有限、教學模式單一、師資水平不高及實訓環節安全隱患較大等問題，導致學生在實訓過程中存在時間浪費、缺少主動性、受益較淺等不良現象。

隨著計算機和網絡技術的蓬勃發展，虛擬計算機技術成為時代主流，通過利用三維建模軟件制作模型后，再利用虛擬現實軟件進行交互功能設計，該技術為教育行業帶來了全新的教育理念和教育方法。目前虛擬現實技術在現代的實踐教學環節得到廣泛應用，國內許多高校根據自身需要開發了個性化虛擬實訓系統、平臺或APP應用，如馮桂珍等[2-3]采用Unity3D和Cult3D分別構建了RV減速器虛擬仿真實踐教學系統和土木工程實驗平臺；黃海龍等[4]率先在工程訓練中引入數字化教學資源，建設車床關鍵部件拆裝虛擬仿真實訓平臺；何福本[5]將虛擬仿真技術應用于工程訓練教學，開發了適用于主流移動終端操作系統的增強現實（AR）技術的應用APP，用于普通車床加工工藝實訓環節。

本文將虛擬現實技術應用于工程訓練教學，針對機械拆裝實訓環節，以減速器拆裝項目為例，基于Cult3D技術，并結合使用SolidWorks、3DMAX8.0等軟件構建了一個具有動態和交互功能的減速器拆裝虛擬實訓平臺，學生可以登錄工程訓練中心網站自主進行減速器拆裝項目的虛擬實訓，取得了良好的教學效果。

1 Cult3D軟件介紹

Cult3D軟件是由Cycore公司開發的一種新型3D交互設計和動畫仿真軟件，利用它可以在網頁基礎上建立可交互的3D對象，是一種跨平臺的3D開發引擎，能夠在網頁上操控3D實體對象，并以視覺的方式顯示不同的事件和功能。在控制事件模塊中，可以設置多種運動，例如移動、縮放、旋轉等一系列的動作，也可通過事件窗口設置鼠標和鍵盤命令設計更加豐富的動作。

Cult3D軟件的最大優點就是它所開發的程序文件非常小，并且先進的壓縮技術支持貼圖、多重陰影效果和雙線性濾鏡，可以呈現給用戶更加清晰、高質量的3D仿真實體模型，另外該軟件還支持使用JAVA語言編程優化，增強交互性，以達到更加完美的效果[6]。

2 減速器拆裝虛擬實訓平臺

2.1 虛擬實訓平臺功能

減速器的基本組成部件有齒輪、箱體、軸、軸承、緊固件、潤滑裝置等。工程訓練課程中減速器拆裝實訓的目的主要有：

圖1 Cult3D開發流程

1)了解減速器的組成、功能及其工作原理。

2)掌握減速器中齒輪及軸承的潤滑方式、軸上零件的安裝固定方式。

3)掌握減速器的拆卸和裝配的過程。虛擬實訓平臺的設計是基于模擬真實的現場實訓過程，將成果上傳到學校的互聯網網站，學生們可以隨時通過互聯網來訪問該網站，可以隨時隨地進行虛擬拆裝的模擬實驗。

2.2 開發流程

基于Cult3D技術的虛擬實訓平臺的開發主要分為兩個階段：第一個階段是素材準備，利用SolidWorks、3DMAX和PhotoShop等軟件制作三維模型、二維圖片等素材；第二階段是利用Cult3D 工具進行交互功能設計，基本開發流程如圖1所示。

2.3 建模工作

由于Cult3D沒有自主建立三維模型的功能，所以我們可以通過市面上主流的三維軟件進行建模，比如Pro/E、SolidWorks、UG 等，再通過格式的轉換，導入到三維動畫軟件中。目前，3DAMX和MAYA等三維模型建模軟件可以支持Cult3D，通過安裝Cult3D Export Plugin輸出插件后，就能夠將三維動畫軟件中的模型導出c3d格式文件。

本項目使用的是SolidWorks2018作為三維建模工具，完成所需要的三維零部件制作，然后將三維模型導入3DMAX8.0中進行燈光、材質、外觀顏色等渲染工作，提高視覺可視效果，使模型更加逼真。同時也是將3DMAX8.0作為模型格式轉化中間工具，需要注意SolidWorks軟件與3DMAX8.0軟件之間是通過wrl格式進行傳遞。

詳細的傳遞的過程是：第一步，在SolidWorks中建立好三維實體模型之后，輸出為3DMAX8.0支持的wrl格式文 件 ； 第 二 步 ，3DMAX8.0導入wrl格式文件進行進一步的編輯之后，輸出為Cult3D Designer所支持的c3d格式文件，完成建模工作，一級減速器的模型如圖2所示。

2.4 動態和交互功能設計

Cult3D Designer是Cult3D的設計交互制作軟件，它可以對3DAMX導出的c3d格式文件進行編輯，可以在事件窗口加上很多的交互性動作，例如聲音、粒子效果、移動、旋轉等，而且該軟件的界面簡潔、易懂，便于制作一般的交互效果，還可以使用Java語言編寫腳本進行高級交互設計。

圖2 一級減速器

Cult3D Designer的主工作區由6個不同的子窗口組成：事件規劃圖、場景圖表、預覽、動作、事件、對象屬性。其操作完全采用拖放方式，從場景圖表窗口中拖出要進行設置的對象實體，將實體拖到事件規劃窗中，然后在動作窗口選擇需要的動作，也拖入到事件規劃窗中并且將其疊加在觸發該事件的命令上，即可完成交互功能設計[6-7]。

減速器拆裝虛擬實訓平臺開發的主要交互功能設計有：

1）視角的微調。為了微調三維的位置，可以建立用鍵盤的上下左右來控制三維模型的視角，在動作中選擇旋轉，將旋轉的動作設為上下方向鍵，如圖3所示。

2）拆裝動作的 實 現。 在Cult3D Designer的動作窗口中選擇需要的動作模式，并進行相應的設置，將鍵盤上對應的字母做成控制零件的一個動作，鼠標的左、中、右鍵也可以設置動作，但是在操控的時候鼠標必須點擊對應的零部件才能激發其動作，如圖4所示。在將減速器的每一個零件的動作制作完成之后，我們可以在演示窗口中進行預演，來找出這些動作的設置是否有問題。另外，我們也可以在交互動作中選擇添加隱藏某個零件這個功能，在動作模塊的渲染菜單欄中，選擇隱藏，選擇對應的零件和激活鍵，然后必須設定一個對應的顯現動作，因為模型的復位不能顯示隱藏零件。

圖3 視角微調控制

圖4 減速器拆裝動作事件規劃圖

3）模型的復位。在進行拆裝動作之后，需要將一級減速器進行復位。在動作窗口的對象運動中，選擇復位動作，并將減速器的Vsep01拖入到復位的標識圖片上，然后設置按下鍵盤的R鍵為復位鍵，將復位動作拖入到小R鍵上完成復位指令，如圖5所示。

4）模型的放大與縮小。為了清晰地看到三維模型的詳細結構，設置了模型放大和縮小的指令。具體實現方法：在動作窗口中，選擇放大、縮小動作將一級減速器的Vsep01拖入此動作并設置其激活鍵，如圖6所示。

圖5 復位動作設置

圖6 縮放動作設置

5）背景顏色的設定。在動作模塊的渲染中，可以看到設置背景動作，在WorldStart命令中加入設置背景，調成需要的顏色，如圖7所示。

2.5 平臺發布

在Cult3D Designer中完成了交互設計之后，通過運行、測試后，導出co格式文件，該格式的文件占用空間極小，非常適合于網絡傳輸，還能保持良好的材料質感表現。在Cult3D軟件的菜單欄中，選擇發布Internet文件，即可導出網頁文件。

3 結 論

將虛擬現實技術應用到工程訓練教學，采用Cult3D技術，開發了基于網頁的減速器拆裝虛擬實訓平臺。利用該平臺，學生可以自主隨時隨地完成減速器拆裝訓練，不僅充分調動了學生的積極主動性，還可以提升學生們的學習效果，還有效緩解了高校工程訓練中心實訓設備緊缺、時間和場地有限等問題，為工程實踐教學提供了新型且有效的教學手段，值得進一步研究和應用。

圖7 背景顏色設置