基于虛擬現實的3D鑄造仿真實訓系統

季 娟，陳清奎，王 利，胡彥超

（山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101）

0 引言

鑄造是國民經濟中不可代替的產業，讓學習者進入車間學習是必不可少的過程，目前高校的學習仍是課堂理論知識與鑄造車間實習相結合的方式以加強學習者對鑄造的理解，實際的鑄造車間對初學者是陌生龐大，易導致意外事故的發生。在鑄造課程中，鑄造方式繁多，知識點較為瑣碎，學習者難以理解消化，而鑄造仿真實訓系統將知識點分條細化，有邏輯性地呈現在學習者面前；鑄造車間環境復雜，鑄造過程危險系數較大，在系統中模擬鑄造過程可降低實際的危險系數。

3D鑄造仿真實訓系統借助虛擬現實平臺展示鑄造車間，讓學習者置身于沉浸、交互和想象于一體的虛擬車間中。系統為學習者提供視覺、聽覺等模擬感受的人機交互，既防止學習者在實習過程中發生意外又可以加強其對鑄造知識的理解。

1 鑄造車間的開發

1.1 開發目的

教學系統依據鑄造的理論知識，還原了鑄造車間、加工設備以及造型工具。學習者通過鼠標與鍵盤對系統進行控制，可實現實訓室內漫游行走、了解鑄造的整體過程、對鑄件進行加工改造，真實還原鑄造流程。為幫助學習者循序漸進地接納新知識，鑄造仿真系統分為基本知識、基本操作、知識拓展、仿真實訓及實訓自測題五大模塊，知識層面逐級遞進，實現鑄造知識的自主獲取與學習。

1.2 功能介紹

（1）基礎知識模塊。系統通過文字、視頻與動畫的形式，對鑄造的基本概念、技術要求、工藝過程、常用設備工具以及造型工具進行了詳細講解。學習者將鼠標放置在想要了解的造型工具上，工具會出現高亮效果，點擊可進入知識講解。圖文結合的介紹能加強學習者的理解。

（2）基本操作模塊。系統給出了5種造型的詳細講解，通過動畫真實地還原了鑄造的操作步驟。鑄造車間內的漫游方式由鍵盤進行控制，可實現在場景內的前后左右及升降動作[1]。

（3）知識拓展模塊。系統展示了特種鑄造方法與鑄件質量檢驗，4種鑄造方法均以動畫視頻的方式展現，鑄造質量檢驗中利用3D建模技術展示了3種檢測器與6種缺陷鑄件，簡潔明了，給學習者帶來直觀的視覺體驗。

（4）仿真實訓模塊。系統展示了鑄造需要的基本工具，學習者根據系統提示選擇當前步驟所需工具，并用鼠標拖拽的方式放置到正確的位置。此模塊帶有一定的娛樂性與趣味性，能激發學習者的學習興趣。

（5）實訓自測題模塊。系統收集了鑄造的易錯知識，以判斷題的形式對學習者進行檢測，目的是對鑄造知識點進行查缺補漏。

以上每個模塊均可滿足學習者針對鑄造知識的不同需求。

1.3 結構分析

鑄造仿真實訓系統的設計目的是以鑄造實訓的基本知識為基礎，結合三維建模平臺及虛擬現實技術，以“VR+教育”模式打造一套完整的鑄造仿真教學系統。系統包含基本知識、基本操作、知識拓展、仿真實訓及實訓自測題五大模塊[2]，如圖1所示，基本知識包括鑄造概念、砂型鑄造工藝過程、澆注系統與冒口、常用設備工具；知識拓展主要展示特種鑄造方法與鑄件質量檢驗；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，而仿真實訓以人機交互的形式進行鑄造仿真實訓操作。

圖1 鑄造仿真實訓系統組成

1.4 開發流程

鑄造仿真實訓系統依據真實比例還原模型，Solidworks與3Ds Max三維建模平臺完成鑄造實訓車間及機床建模，構建模型的數據庫。其中模型的優化與坐標軸調整應用3Ds Max，可在保持模型精度的條件下對模型無法直接展示的部分進行畫面刪減，減小存儲體積[3]。

借助Photoshop軟件完成貼圖制作及界面設計，在Flash插件與3Ds Max中實現視頻渲染與動畫制作，并將繪制完成的模型及動畫導入Unity 3D中，選擇程序編寫工具Visual Studio，選擇C#語言實現交互功能[4]，經過調試、測試，最終打包發布。系統開發流程如圖2所示。

圖2 系統開發流程

2 關鍵技術

2.1 界面設計

為方便學習者對鑄造仿真實訓系統的使用與了解，系統界面通過UI設計，利用Photoshop軟件對界面進行整體美工與優化。由于知識點繁多，系統設置了一級、二級與三級菜單，鼠標點擊相對應按鈕即可跳轉到相應模塊。菜單以列表的形式進行有邏輯性的展示，交互界面友好，使整個系統清晰明了，學習者操作體驗感良好。

2.2 模型建立及優化

在鑄造仿真實訓系統模型設計中，借助Solidworks軟件繪制車間的總體模型，根據在鑄造車間的考察，調整機床、機器、模具及各種工具的擺放位置。由于Solidworks建立的模型為實體模型，導入Unity 3D中需要處理的數據量較大，因此，將三維模型以STL格式輸出，并導入3Ds Max中，實體模型自動轉換為三角面模型，降低Unity平臺的數據處理量，完成模型優化[5-7]。

為了讓學習者在鑄造車間中有身臨其境的感覺，對優化后的模型附著貼圖，圖庫如圖3所示。繪制完成的鑄造仿真車間以FBX格式導出，鑄造仿真車間如圖4所示。將導出的模型導入Unity 3D中，并在虛擬現實平臺中附著材質。

圖3 貼圖圖庫

圖4 鑄造仿真車間

2.3 交互技術

Unity 3D平臺選擇C#語言進行程序的開發與發布。鑄造仿真實訓系統的交互功能由程序腳本與按鈕、交互部件相互關聯實現[8]。為了避免穿墻現象在漫游時發生，破壞學習者在鑄造車間的沉浸感，系統內也采用了碰撞檢測技術[1]。

3 系統測試

對系統進行測試是為了檢測系統是否具有合理性與可操作性，若三級菜單所在界面不存在失誤與紊亂，則說明系統開發成功且運作正常，該仿真實訓系統基于PC端進行教學[1]，圖5所示為測試的界面。

圖5 測試界面

（1）進入一級菜單選擇界面，鼠標點擊任意模塊進入。

（2）鼠標隨意放置在鑄造常用工具上會出現高亮效果，點擊工具會出現其模型與介紹。

（3）“基本操作”模塊中選擇“整模造型”，系統自動演示鑄造過程，且每一個步驟配合文字詳解，此模塊通過鍵盤控制可實現場景內的漫游。

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

（5）“仿真實訓”模塊中，界面下方給出了鑄造的常用工具，學習者可以按照鑄造順序選擇工具進行操作。

經過實際測試，鑄造仿真實訓系統可以滿足學習者對鑄造知識的需求，且與虛擬現實相結合是該系統最突出的特點，能通過直觀感受加強學習者的理解。

4 結束語

鑄造仿真系統參考實體鑄造車間，結合鑄造課程培訓大綱，借助三維建模軟件，虛擬現實平臺開發的鑄造仿真實訓系統涵蓋了鑄造概念、工藝過程、常用工具、各種鑄造方法、仿真實訓及實訓自測等。這種“VR+教育”的教學模式改變了傳統教學方式，不僅提高了教師的教學效率，同時也實現了學習者不受時間和地點限制的自主與反復學習，為當代學習者提供了實質性的平臺資源與學習保障[9]。