機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉靜

（溧陽(yáng)市天目湖中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 溧陽(yáng)213300）

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力在日益提高,與此同時(shí),我國(guó)的教育質(zhì)量也受到了各界的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)是學(xué)校與企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接的重要途徑,并且在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力中發(fā)揮著重要作用。通過實(shí)驗(yàn)可以更好地理解和測(cè)試這些知識(shí)。然而,目前中國(guó)的實(shí)驗(yàn)室受到許多弊端的限制,例如,在一些困難的條件下,對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的投資不足,實(shí)驗(yàn)室設(shè)備帶來的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全隱患,設(shè)備的數(shù)量不足等,這些因素嚴(yán)重限制了實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)的發(fā)展。

1 機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本要求

機(jī)械基礎(chǔ)虛擬體驗(yàn)非常專業(yè)。為了在和諧的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn),必須滿足以下條件：

（1）良好的交互性;（2）開發(fā)逼真的圖形和材質(zhì);（3）由于同時(shí)存在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和機(jī)器理論實(shí)驗(yàn),因此實(shí)驗(yàn)環(huán)境必須具有二維環(huán)境和三維環(huán)境來發(fā)送數(shù)據(jù),并且每個(gè)環(huán)境都具有較高的可行性;（4）由于它運(yùn)行在網(wǎng)上,因此有時(shí)對(duì)客戶端平臺(tái)的性能要求不高。

與某些國(guó)內(nèi)的CAD 程序相比,用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最佳CAXA設(shè)備是設(shè)計(jì)軟件。與其他CAD 程序相比,它具有以下特點(diǎn)：

（1）提供功能強(qiáng)大且易于使用的二次開發(fā)數(shù)據(jù)接口;（2）由于CAXA 電子繪圖板也已集成到CAXA 設(shè)備的設(shè)計(jì)中,因此該軟件具有強(qiáng)大的3D 設(shè)計(jì)環(huán)境,可以將其發(fā)送到2D 設(shè)計(jì)環(huán)境以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。3D 項(xiàng)目環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù)也可以實(shí)時(shí)傳送到2D 設(shè)計(jì)環(huán)境中;（3）提供專業(yè)的3D 動(dòng)畫設(shè)計(jì)以及圖形和圖像處理功能。可以創(chuàng)建真正有效的模擬和動(dòng)畫模擬;（4）易于使用并掌握建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)高度交互[2]。

2 機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體介紹

2.1 系統(tǒng)的總體框架及其開發(fā)流程

由于Unity 3D 應(yīng)用程序平臺(tái)不適合開發(fā)復(fù)雜的幾何模型,因此我們將SolidWorks3D 建模工具用于幾何建模并導(dǎo)入幾何模型,利用3DMax 以創(chuàng)建栩栩如生的模型,以FBX 格式保存模型,然后將其導(dǎo)入到Unity3D Asset,虛擬Unity 3D 平臺(tái)必須基于交互和運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)虛擬模型的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以為每個(gè)模型建立父子關(guān)系并創(chuàng)建模型樹的層次結(jié)構(gòu)。在C#編程中需要完成一些實(shí)驗(yàn)性任務(wù)。

目前,該平臺(tái)有5 種類型的變速箱,每種虛擬體驗(yàn)都分為兩個(gè)部分：學(xué)生使用認(rèn)知成分進(jìn)行自學(xué),掌握某些實(shí)驗(yàn)性技能并為實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),預(yù)防措施和實(shí)驗(yàn)說明[3]。

2.2 進(jìn)行開發(fā)的軟件選擇及接口

當(dāng)今最受歡迎的虛擬化軟件包括Virtools、Eon,Unity3D 等,前1 個(gè)雖然可以用于實(shí)驗(yàn)虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā),但是它們可以作為獨(dú)立版本或網(wǎng)頁(yè)版本使用,難以維護(hù),并且范圍非常有限。虛擬學(xué)習(xí)仿真系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,它基于Unity 3D 的面向?qū)ο蠹夹g(shù)。同時(shí),開發(fā)引擎支持Windows,Mac,iPhone,Android 和Web平臺(tái),開發(fā)人員隨機(jī)選擇一個(gè)共享平臺(tái)來滿足移動(dòng)終端的需求,同時(shí)也依賴于Web 和其他獨(dú)立平臺(tái)。

Unity3D 支持的編程語(yǔ)言是JavaScript 和C#boo,用戶可以根據(jù)需要選擇編程語(yǔ)言并調(diào)用每個(gè)腳本。 JavaScript 是用戶使用的編程語(yǔ)言,其中包含相當(dāng)簡(jiǎn)單的Java 程序列表。 C#是面向?qū)ο蟮?運(yùn)用于高級(jí)編程語(yǔ)言NETFramework,適用于創(chuàng)建復(fù)雜的程序。該主題主要使用C#程序。 Unity 3D 支持幾乎所有主要的3D 模型文件格式,包括FBX,OBJ 等。導(dǎo)出到3DMax,Maya 和其他應(yīng)用程序生成的模型文件將添加到項(xiàng)目資源文件夾中。自動(dòng)更新Unity3D 資源列表和模型,模型會(huì)顯示并在面板上可用。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵功能模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 三維仿真模型的構(gòu)建

二級(jí)圓柱減速器由三部分組成：軸（高速軸,中速軸,低速軸等）,盤類和箱體類。使用SolidWorks 和各種建模技術(shù)為每個(gè)模型創(chuàng)建準(zhǔn)確的3D 模型,主要部件的三維模型如圖1 所示。

圖1 減速器的三維模型

3.2 自動(dòng)拆裝功能的實(shí)現(xiàn)

建議初學(xué)者使用虛擬實(shí)驗(yàn)來了解減速器的安裝和拆卸順序,系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)拆卸和組裝功能。可以在Unity3D 引擎的外部插件之間輕松執(zhí)行此功能。它主要使用數(shù)字插值原理來控制模型從頭到尾的路徑。如圖2（a）所示,按下按鈕即可控制減速器的拆卸和組裝過程,并通過攝像機(jī)的位置和旋轉(zhuǎn)角度觀察自動(dòng)拆卸過程。

下行為用于實(shí)現(xiàn)物體移動(dòng)的代碼：

這里,GameObject 指的是執(zhí)行命令的對(duì)象；Vector3 指的是對(duì)象運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置；float1 指的是從原來位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的時(shí)間；float2 指的是開始移動(dòng)時(shí)的延遲時(shí)間。

3.3 虛擬拆裝場(chǎng)景的設(shè)置

10588888 虛擬場(chǎng)景可以分為兩類：虛擬裝配和虛擬拆卸。拆卸邏輯和約束與裝配過程是相逆的。因此,我們將僅介紹虛擬裝配的主要技術(shù)方法。

除基本零件外,如果用于手動(dòng)組裝,其他零件必須隱藏。根據(jù)碰撞器的位置安裝零部件,如圖2（b）所示,三個(gè)橢圓碰撞器A,B 和C 被加到軸上,碰撞器A 包圍左側(cè)封油盤和軸承,B 包圍中間鍵和大齒輪,而C 包圍右油封油盤和軸承,橢圓的形狀確定組件的正確位置。僅當(dāng)組裝零件在橢圓的尺寸以內(nèi)時(shí),才能識(shí)別組裝零件。如圖2（c）所示,當(dāng)主攝像機(jī)光束撞擊碰撞區(qū)域時(shí)（當(dāng)鼠標(biāo)單擊對(duì)撞機(jī)時(shí)）,相應(yīng)的部分從隱藏模式切換到顯示模式,并且鼠標(biāo)所在的部分消失。

在場(chǎng)景中,必須能夠靈活地跟隨鼠標(biāo)在屏幕上移動(dòng),需要將世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)。為此,將一個(gè)視圖中添加一個(gè)Cube,并將坐標(biāo)放置在位置（0,0,0）。

3.4 虛擬裝拆編程

虛擬組裝從頭到尾拆卸各種組件,以模擬實(shí)際的組裝或拆卸更換。在虛擬裝配和拆卸的幫助下,我們不僅觀察了設(shè)備的外形,而且最重要的是,我們分析了內(nèi)部結(jié)構(gòu)并根據(jù)其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特征詳細(xì)研究了設(shè)計(jì)的條件,思考設(shè)計(jì)意圖。如果拆裝的順序不正確,則無法繼續(xù)往下,并會(huì)顯示錯(cuò)誤警示。

3.5 手機(jī)二維碼及操作

在組件的拆卸和組裝過程中,菜單欄頂部的相應(yīng)QR 碼圖像會(huì)更改。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用程序掃描QR 碼,可以在手機(jī)屏幕上顯示這些3D 零件,并根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)它們。如圖2（d）所示,可以從不同角度觀察。下載VuforiaSDK 數(shù)據(jù)庫(kù),瀏覽Vuforia 官方站點(diǎn)將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D,并將Unity3D 組件的3D部分與ImageTarget 組合,就可以發(fā)布手機(jī)APP,當(dāng)手機(jī)的相機(jī)掃描圖像時(shí),有時(shí)候它可能無法正確識(shí)別圖像。對(duì)于QR 碼圖像,需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)自動(dòng)對(duì)焦相機(jī)腳本文件[4]。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的功能圖

4 結(jié)論

機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教育中采用了最新的VR 和AR 技術(shù),系統(tǒng)地集成了SolidWorks 和C#Unity3D 以實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí),解決了資源缺乏（例如,缺乏實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,實(shí)驗(yàn)器材不足,學(xué)生獨(dú)自作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)）的問題,實(shí)現(xiàn)了共享資源和促進(jìn)有效學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)。本文介紹了開發(fā)過程中的主要問題以及如何集成各種軟件的方法,這些方法可以為開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供特定的參考。