基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

季 娟，陳清奎，王 利，胡彥超

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

鑄造是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可代替的產(chǎn)業(yè)，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)入車(chē)間學(xué)習(xí)是必不可少的過(guò)程，目前高校的學(xué)習(xí)仍是課堂理論知識(shí)與鑄造車(chē)間實(shí)習(xí)相結(jié)合的方式以加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造的理解，實(shí)際的鑄造車(chē)間對(duì)初學(xué)者是陌生龐大，易導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。在鑄造課程中，鑄造方式繁多，知識(shí)點(diǎn)較為瑣碎，學(xué)習(xí)者難以理解消化，而鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將知識(shí)點(diǎn)分條細(xì)化，有邏輯性地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前；鑄造車(chē)間環(huán)境復(fù)雜，鑄造過(guò)程危險(xiǎn)系數(shù)較大，在系統(tǒng)中模擬鑄造過(guò)程可降低實(shí)際的危險(xiǎn)系數(shù)。

3D鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)展示鑄造車(chē)間，讓學(xué)習(xí)者置身于沉浸、交互和想象于一體的虛擬車(chē)間中。系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等模擬感受的人機(jī)交互，既防止學(xué)習(xí)者在實(shí)習(xí)過(guò)程中發(fā)生意外又可以加強(qiáng)其對(duì)鑄造知識(shí)的理解。

1 鑄造車(chē)間的開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)目的

教學(xué)系統(tǒng)依據(jù)鑄造的理論知識(shí)，還原了鑄造車(chē)間、加工設(shè)備以及造型工具。學(xué)習(xí)者通過(guò)鼠標(biāo)與鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)漫游行走、了解鑄造的整體過(guò)程、對(duì)鑄件進(jìn)行加工改造，真實(shí)還原鑄造流程。為幫助學(xué)習(xí)者循序漸進(jìn)地接納新知識(shí)，鑄造仿真系統(tǒng)分為基本知識(shí)、基本操作、知識(shí)拓展、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)題五大模塊，知識(shí)層面逐級(jí)遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)鑄造知識(shí)的自主獲取與學(xué)習(xí)。

1.2 功能介紹

（1）基礎(chǔ)知識(shí)模塊。系統(tǒng)通過(guò)文字、視頻與動(dòng)畫(huà)的形式，對(duì)鑄造的基本概念、技術(shù)要求、工藝過(guò)程、常用設(shè)備工具以及造型工具進(jìn)行了詳細(xì)講解。學(xué)習(xí)者將鼠標(biāo)放置在想要了解的造型工具上，工具會(huì)出現(xiàn)高亮效果，點(diǎn)擊可進(jìn)入知識(shí)講解。圖文結(jié)合的介紹能加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的理解。

（2）基本操作模塊。系統(tǒng)給出了5種造型的詳細(xì)講解，通過(guò)動(dòng)畫(huà)真實(shí)地還原了鑄造的操作步驟。鑄造車(chē)間內(nèi)的漫游方式由鍵盤(pán)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景內(nèi)的前后左右及升降動(dòng)作[1]。

（3）知識(shí)拓展模塊。系統(tǒng)展示了特種鑄造方法與鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)，4種鑄造方法均以動(dòng)畫(huà)視頻的方式展現(xiàn)，鑄造質(zhì)量檢驗(yàn)中利用3D建模技術(shù)展示了3種檢測(cè)器與6種缺陷鑄件，簡(jiǎn)潔明了，給學(xué)習(xí)者帶來(lái)直觀(guān)的視覺(jué)體驗(yàn)。

（4）仿真實(shí)訓(xùn)模塊。系統(tǒng)展示了鑄造需要的基本工具，學(xué)習(xí)者根據(jù)系統(tǒng)提示選擇當(dāng)前步驟所需工具，并用鼠標(biāo)拖拽的方式放置到正確的位置。此模塊帶有一定的娛樂(lè)性與趣味性，能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

（5）實(shí)訓(xùn)自測(cè)題模塊。系統(tǒng)收集了鑄造的易錯(cuò)知識(shí)，以判斷題的形式對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行檢測(cè)，目的是對(duì)鑄造知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

以上每個(gè)模塊均可滿(mǎn)足學(xué)習(xí)者針對(duì)鑄造知識(shí)的不同需求。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是以鑄造實(shí)訓(xùn)的基本知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合三維建模平臺(tái)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以“VR+教育”模式打造一套完整的鑄造仿真教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含基本知識(shí)、基本操作、知識(shí)拓展、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)題五大模塊[2]，如圖1所示，基本知識(shí)包括鑄造概念、砂型鑄造工藝過(guò)程、澆注系統(tǒng)與冒口、常用設(shè)備工具；知識(shí)拓展主要展示特種鑄造方法與鑄件質(zhì)量檢驗(yàn)；基本操作是以分步驟的形式分別展示整模造型、分模造型、挖沙造型、活塊造型及三箱造型，而仿真實(shí)訓(xùn)以人機(jī)交互的形式進(jìn)行鑄造仿真實(shí)訓(xùn)操作。

圖1 鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

1.4 開(kāi)發(fā)流程

鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)依據(jù)真實(shí)比例還原模型，Solidworks與3Ds Max三維建模平臺(tái)完成鑄造實(shí)訓(xùn)車(chē)間及機(jī)床建模，構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中模型的優(yōu)化與坐標(biāo)軸調(diào)整應(yīng)用3Ds Max，可在保持模型精度的條件下對(duì)模型無(wú)法直接展示的部分進(jìn)行畫(huà)面刪減，減小存儲(chǔ)體積[3]。

借助Photoshop軟件完成貼圖制作及界面設(shè)計(jì)，在Flash插件與3Ds Max中實(shí)現(xiàn)視頻渲染與動(dòng)畫(huà)制作，并將繪制完成的模型及動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，選擇程序編寫(xiě)工具Visual Studio，選擇C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)交互功能[4]，經(jīng)過(guò)調(diào)試、測(cè)試，最終打包發(fā)布。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 界面設(shè)計(jì)

為方便學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用與了解，系統(tǒng)界面通過(guò)UI設(shè)計(jì)，利用Photoshop軟件對(duì)界面進(jìn)行整體美工與優(yōu)化。由于知識(shí)點(diǎn)繁多，系統(tǒng)設(shè)置了一級(jí)、二級(jí)與三級(jí)菜單，鼠標(biāo)點(diǎn)擊相對(duì)應(yīng)按鈕即可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模塊。菜單以列表的形式進(jìn)行有邏輯性的展示，交互界面友好，使整個(gè)系統(tǒng)清晰明了，學(xué)習(xí)者操作體驗(yàn)感良好。

2.2 模型建立及優(yōu)化

在鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中，借助Solidworks軟件繪制車(chē)間的總體模型，根據(jù)在鑄造車(chē)間的考察，調(diào)整機(jī)床、機(jī)器、模具及各種工具的擺放位置。由于Solidworks建立的模型為實(shí)體模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中需要處理的數(shù)據(jù)量較大，因此，將三維模型以STL格式輸出，并導(dǎo)入3Ds Max中，實(shí)體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三角面模型，降低Unity平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理量，完成模型優(yōu)化[5-7]。

為了讓學(xué)習(xí)者在鑄造車(chē)間中有身臨其境的感覺(jué)，對(duì)優(yōu)化后的模型附著貼圖，圖庫(kù)如圖3所示。繪制完成的鑄造仿真車(chē)間以FBX格式導(dǎo)出，鑄造仿真車(chē)間如圖4所示。將導(dǎo)出的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中，并在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中附著材質(zhì)。

圖3 貼圖圖庫(kù)

圖4 鑄造仿真車(chē)間

2.3 交互技術(shù)

Unity 3D平臺(tái)選擇C#語(yǔ)言進(jìn)行程序的開(kāi)發(fā)與發(fā)布。鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的交互功能由程序腳本與按鈕、交互部件相互關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)[8]。為了避免穿墻現(xiàn)象在漫游時(shí)發(fā)生，破壞學(xué)習(xí)者在鑄造車(chē)間的沉浸感，系統(tǒng)內(nèi)也采用了碰撞檢測(cè)技術(shù)[1]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試是為了檢測(cè)系統(tǒng)是否具有合理性與可操作性，若三級(jí)菜單所在界面不存在失誤與紊亂，則說(shuō)明系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功且運(yùn)作正常，該仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于PC端進(jìn)行教學(xué)[1]，圖5所示為測(cè)試的界面。

圖5 測(cè)試界面

（1）進(jìn)入一級(jí)菜單選擇界面，鼠標(biāo)點(diǎn)擊任意模塊進(jìn)入。

（2）鼠標(biāo)隨意放置在鑄造常用工具上會(huì)出現(xiàn)高亮效果，點(diǎn)擊工具會(huì)出現(xiàn)其模型與介紹。

（3）“基本操作”模塊中選擇“整模造型”，系統(tǒng)自動(dòng)演示鑄造過(guò)程，且每一個(gè)步驟配合文字詳解，此模塊通過(guò)鍵盤(pán)控制可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)的漫游。

（4）選擇“鑄件缺陷分析”三級(jí)菜單，系統(tǒng)給出相應(yīng)帶有缺陷模型并在右上角給出缺陷原因。

（5）“仿真實(shí)訓(xùn)”模塊中，界面下方給出了鑄造的常用工具，學(xué)習(xí)者可以按照鑄造順序選擇工具進(jìn)行操作。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造知識(shí)的需求，且與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合是該系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)，能通過(guò)直觀(guān)感受加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的理解。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑄造仿真系統(tǒng)參考實(shí)體鑄造車(chē)間，結(jié)合鑄造課程培訓(xùn)大綱，借助三維建模軟件，虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)涵蓋了鑄造概念、工藝過(guò)程、常用工具、各種鑄造方法、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)等。這種“VR+教育”的教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式，不僅提高了教師的教學(xué)效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)者不受時(shí)間和地點(diǎn)限制的自主與反復(fù)學(xué)習(xí)，為當(dāng)代學(xué)習(xí)者提供了實(shí)質(zhì)性的平臺(tái)資源與學(xué)習(xí)保障[9]。