基于Unity3D、VR等技術的機械設計虛擬仿真系統構建研究

陳 璜

（集美大學誠毅學院，福建 廈門 361000）

隨著我國機械制造產業轉型升級步伐加快，不同重工業、輕工消費品業對機械結構設計的要求越來越高，如采用最清潔原材料、最低制造成本，完成最優良結構、最好工作性能的機械產品設計制造。這一機械設計發展要求下，通過引入Unity3D物體建模技術、VR空間交互技術等，構建起Unity引擎的制造單元仿真系統，進而完成機械產品結構設計、生產加工等整體流程的預測。

1 Unity3D、VR等技術概述

Unity3D是由Unity Technologies公司開發的專業引擎，其創建原本是為游戲從業人員的三維動畫建構提供軟件開發工具，主要具有三方面特性。

（1）Unity3D強大的跨平臺編輯性。APⅠO Unity編輯器可以對虛擬場景中的一系列圖片、物體結構、其他影音資源等進行整合，然后用Visual Studio代碼編輯器編輯代碼。

（2）多元組件的可拓展性。相比于集成化的虛擬軟件系統平臺，Unity3D技術采取組件開發方式，通過功能代碼編寫、可伸縮功能插件的添加，為多種機械結構、虛擬空間結構的設計提供支持。如虛擬空間場景的光影效果設計中，Unity3D平臺提供光源、實時陰影、光照貼圖、法線貼圖等光照插件，用戶可以根據自身需求添加光影效果，打造出層次清晰、光彩絢麗的三維場景。

（3）Shader粒子、煙霧的虛擬場景模擬功能。Unity3D中內置PhysX引擎、Shader粒子插件、燈光烘焙、碰撞檢測組件等，制造單元仿真系統的開發平臺，通過更為方便、快捷的虛擬現實開發工具，創建出包括重力模擬、布料摩擦、空間碰撞等讓人覺得身臨其境的視覺效果。

2 國內外Unity3D技術虛擬仿真系統研究現狀

2.1 國外機械設計虛擬仿真研究狀況

國外歐美等發達國家對虛擬仿真技術的研究 較 早，Platform Architect MCO、Virtualizer Svlis、CODY及CREO等軟件環境，都屬于較為成熟的虛擬原型仿真系統。2014年，美國通用集團開發出電氣虛擬現實實驗室，主要在頭戴設備、智能穿戴設備等的支持下，用于模擬海底環境探測、海底石油開采，提高外部工程作用的安全性和訓練效率。2015年，德國Fraunhofer研究所聯合法國原子能和替代能源委員會（CEA）開設虛擬裝配實驗系統，用于工業制造工程、太陽能電池等方面的研究。該系統通過人機虛擬場景的交互，自動記錄虛擬裝配過程中的用戶操作、工業設計動作。2017年，美國國家航空航天局（NASA）借助多種視覺虛擬化現實技術，打造宇宙飛船模型設施、中性浮力實驗室，展開航天飛機發射過程的燃料溫度、飛行姿態等的捕捉，對航天飛機進入太空的整個執行流程做出數據可視化模擬。

此外，美國UⅠC機械工業虛擬現實研究所、德國比勒菲爾德大學人工智能與虛擬現實實驗室、日本大阪機械制造工程及系統研究室，都紛紛開設與工藝處理、制造設計、決策支持、后勤學等相關的虛擬現實研究。如德國CODY虛擬現實實驗室系統，建立有包含機械、電氣制造的標準零件庫，通過常規自然語言命令進行虛擬裝配系統交互。日本大阪機械制造工程及系統研究室致力于三維建模、虛擬制造系統、虛擬現實與并行處理等方面的研究，建構起虛擬工廠的構造環境。

2.2 國內機械設計虛擬仿真研究狀況

我國對于Unity3D虛擬仿真系統的研究，主要由清華大學國家CⅠMS工程技術研究中心、武漢理工大學智能制造與控制研究所等主導，設計基于增強現實（AR）技術的虛擬實驗平臺，將現實實驗在虛擬仿真平臺中模擬與實現。如國家CⅠMS工程技術研究中心，圍繞企業高速劍桿織機項目，展開產品不同機械模塊虛擬制造的模擬開發，將虛擬制造技術用于開發方案編制、產品開發執行。而武漢理工大學智能制造與控制研究所則針對產品原型、虛擬布局和虛擬裝配等制造流程，進行虛擬現實技術的應用。

隨后重慶大學、湖南大學等院校的研究機構，利用VRML、CREO等虛擬仿真系統技術，開發出機械液壓虛擬仿真實驗平臺、汽車發動機虛擬實驗系統，完成汽車發動機、凸輪結構等的三維模型，大大提高虛擬實驗設計與仿真實用性，縮短仿真實驗周期［1］。

3 機械設計虛擬仿真系統的軟硬件組成結構

3.1 系統預期目標

本文利用Unity3D開發軟件技術、VR交互技術，以及3DS MAX、Maya等三維建模軟件，搭建起集虛擬空間場景、機械結構設計于一體的沉浸式系統。第一，該機械設計系統中存在著多種機械設備、機械零件庫、裝配體模型，Unity3D平臺可以進行機械零部件的特征提取、數據信息整合。第二，機械設計虛擬仿真系統，需要達成多種設備立體化投影、虛擬重力模擬、碰撞檢測等動態操作。第三，根據真實的機械加工制造工藝，以及機械零部件的裝配邏輯順序，進行系統完整框架、完善展示功能的交互設計，保證用戶日常機械產品加工生產、虛擬交互工作的進行。

3.2 系統軟硬件組成結構

機械設計虛擬仿真系統包括計算機設備、頭戴式或穿戴式傳感設備、CAVE投影設備等硬件結構，分為基礎層、交互層、數據層等層級。在虛擬現實環境中，根據機械產品結構設計的數據信息，由手持控制器、混合動捕服務器等硬件，在用戶、計算機工作站之間，建立起與虛擬裝配環境的直接對話窗口，進行多元機械結構數據信息的有效處理。

關于軟件組成部分則針對各類機械產品零部件的自動拆裝、重組，引入不同的系統開發工具，可以滿足多人機械產品交互裝配、零部件虛擬檢測等的要求。機械設計虛擬仿真系統包括數據層、接口層、平臺層、應用層等部分，具體如圖1所示。

圖1 機械設計虛擬仿真系統示意

（1）數據層。數據層主要依據現有機械設備，進行數據信息加工的抽象分類，包括輸入的用戶數據處理，以及機械設備零部件、生產計劃等數據的格式統一，一般將文件存儲為JSON格式，方便系統多元用戶主體的調用［2］。

（2）平臺層、接口層。平臺層及接口層為機械設計系統的控制層，主要功能是對虛擬空間環境、設備對象進行管理，以及加強用戶、計算機工作站之間的交互連接。根據從網絡中搜集的輸入數據，調用可視化布局優化模塊，進行機械設備生產、工藝分析等的數據傳輸控制，以及相對應虛擬設備模型建立、制造過程仿真的把控。

（3）應用層。仿真應用層包含人機交互、可視化三維仿真兩大功能。其中，可視化三維仿真是通過利用Unity3D虛擬平臺技術，以及三維模型導入、模型貼圖、LOD模型渲染等，對虛擬空間場景中的機械設備結構、人機交互界面進行安置，為用戶提供交互反饋、仿真流程顯示等服務。而人機交互模塊的功能實現，包括用戶輸入信息的接受、處理，借助頭戴式傳感、穿戴式傳感等設備，在CAVE虛擬投影空間內進行機械產品設計、生產與制造的人機交互，最終確定最優布局方案。

4 基于Unity3D、VR技術的機械設計虛擬仿真平臺架構及功能設計

4.1 系統虛擬仿真平臺架構設計

機械設計虛擬仿真系統通常運用在企業設計部門、生產加工部門， 使低成本機械設備生產、模擬裝配的虛擬仿真得以實現。當前，機械設計虛擬仿真系統采取統一建模語言（UML）進行B/S網絡架構、數據層、業務邏輯層、物理功能層的設計，構建起3層分布式的系統體系結構，具體框架如圖2所示［3］。

圖2 機械設計虛擬仿真系統體系結構

根據圖2系統框架可以得出，用戶登錄界面為后臺驗證程序的第一道屏障。該層級針對企業員工等用戶的訪問、數據庫零部件信息使用，設置網絡安全通信協議、TCP/ⅠP過濾網關，進行系統數據訪問的控制。之后分別進入數據層、業務邏輯層、物理功能層。

數據層為認知類模擬板塊，根據不同員工或學員對機械結構掌握、零部件拆裝程序認知的熟練程度，展開全自動包裝機拆裝數據、減速器拆裝數據等的統計，且需要進行機械零部件數據的格式統一，來為后續零部件結構設計、生產加工等提供支持。

業務邏輯層屬于實操類應用板塊，利用Microsoft SQL Server 2008數據庫管理系統，以及選定Unity3D、VR交互、3DS MAX等軟件，進行Web網絡應用程序、虛擬3D模型的構建，完成企業機械設計、項目生產的模擬裝配系統建設，以及用戶、虛擬環境之間交互邏輯的設計。特別是在新型機械產品的開發設計過程中，可根據以上提供的機械結構拆裝、重組數據，運用全自動包裝機等機械設備，對原有產品零部件進行尺寸修改、拆裝作業優化。

物理功能層為機械產品檢測層級，是在完成整個機械設計系統虛擬化仿真后，將Web程序、虛擬建模場景進行結合，圍繞滾動軸承、減速器等開展產品質量的測驗，發現機械設計系統中存在的機械結構、組裝問題，然后據此提出相應的改進措施。

4.2 機械模型建構與導入

在虛擬仿真實驗平臺中，主要先利用Web網頁搭建三維仿真的虛擬場景，再圍繞軸承、齒輪參數測量，以及減速器拆裝測繪，進行機械設備結構的實體建模設計。一般借助于SolidWorks、3DS MAX、Maya等模型制作軟件，對需要用到的機械模型進行建設，包括將描繪好的CAD圖紙文件導入3DS MAX軟件中，捕捉對象在X軸、Y軸、Z軸的結構數據，進行機械立體化設備的高度、角度建模，對首頂點、角點、倒角及剖面進行焊接和封口，轉化為可編輯多邊形來完成模型的進一步修飾。之后在3DS MAX軟件中，將制作好的模型保存為STL格式導出，利用SolidWorks插件進行局部細節的優化處理，包括減少模型總數、刪除實體模型看不到的零部件、刪除對模型成型影響不大的細分，然后對不同模型做出多個分組，以及模型結構內重合點、面的合并，有利于后續模型LOD的渲染［4］。

4.3 模型貼圖與烘焙

機械設備結構的模型貼圖，對虛擬空間場景中光影效果的實現尤為重要。在基于Unity3D技術的機械設計虛擬仿真系統開發中，采取光照貼圖、烘焙、法線貼圖等技術，可以加強虛擬場景、模型渲染優化的效果。在利用Unity3D軟件進行機械設備光照貼圖后，打開Lighting窗口設置Directional Light、Point light、Baked、Mixed、Realtime，在Light光源組件中將Baking選為Baked，完成所有光照烘焙參數的相關設置后，單擊Scene面板中下方的Build按鈕，就可以進行虛擬場景內機械設備的烘焙［5］，具體參數調整如圖3所示。

圖3 虛擬場景內機械設備的參數調整

此外，還會針對計算機三維圖形學的細節顯示要求，進行機械實體模型的法線貼圖，該貼圖模式采取凸凹貼圖方案。其中法線貼圖也是將一張二維圖片附著在存在的立體化三維模型之上，可以在實時更新法線、展示模型表面額外細節的同時，對虛擬空間場景做出優化，且整個過程模型的形狀不會發生改變。

4.4 虛擬模型的LOD渲染

LOD渲染也被稱為細節層次渲染，是對虛擬空間場景中的運動物體，做出更高精度的模型實時渲染。但計算機設備CPU、GPU等處理器件的占用程度較高時，不能滿足復雜三維場景實時渲染的要求。而LOD技術則是從低精度模型結構的繪制入手，在原始三維模型的基礎上，制作出多個具有不同精度層次的三維渲染模型，使其成為實時可視化圖形渲染的關鍵。如Unity3D平臺中LOD技術的應用，更加注重對機械滾動軸承、齒輪及減速器等進行二元三角細分和自動減面計算，根據不同的分級精度完成模型處理。LOD利用多邊形減面信息，將同一相關的所有LOD模型放在虛擬空間場景中的某一位置，在Unity3D平臺菜單中選擇Component 、Rendering、LODGroup指令，點擊Add按鈕，對算法產生的坍塌頂點、坍塌序列進行更加平滑處理，如圖4所示［6］。

圖4 LOD渲染示意

4.5 虛擬仿真模型的遮擋剔除

在機械設計虛擬仿真模型開發的過程中，不同虛擬場景、機械拆裝設備等的加載往往在同一時間出現，其中大部分對象并未處于虛擬攝像機的拍攝范圍內。因而利用Unity3D引擎的物體渲染，可以主動剔除一部分不重要或未被拍攝到的對象。在場景空間內創建遮擋區域，該遮擋區域由單元格（Cell）組成，每個單元格構成虛擬場景遮擋區域的一部分，Unity3D平臺只對攝像機能夠看到的單元格進行渲染，而其他較遠距離的機械設計物件不去渲染。

5 基于Unity3D、VR技術的機械設計虛擬系統的仿真實現——以工業機器人RV減速器為例

5.1 虛擬三維模型的構建

RV減速器通常由輸入軸、主軸承、曲柄軸、輸出盤、滾針、支撐法蘭、RV齒輪等結構組成，其在零部件虛擬仿真實現過程中，包含擺線齒輪修形、零部件加工檢測、裝配測試等執行流程。首先電機帶動輸入齒輪、正齒輪嚙合，達到初級減速的目標，之后RV減速齒輪沿曲柄軸反方向轉動，該轉動力被輸出至輸出盤產生2級減速。

本虛擬開發系統采用Unity3D建模開發軟件，開始軸類、盤類和齒輪類零部件等的三維模型建構，然后將利用UG NX建構完成的三維模型轉換成STL格式文件，導入至3DS MAX軟件進行模型渲染及優化。而在曲柄軸、輸入軸、輸出盤、支撐法蘭、滾針和齒輪等零部件的建模中，應根據實際工件體模型要求，運用圓臺離散法對不同構件的直徑、長度（高度）進行切片，分割為直徑20mm、長度（高度）60mm的薄片，分割薄片越多，虛擬加工精度越高。

5.2 模型虛擬貼圖與拆裝

根據建立好的RV減速器機械結構模型，將與機械產品相符合的物體陰影貼圖附著在完成的立體化模型之上，但光照貼圖陰影不會根據光源，以及機械物體擺放位置的變化而發生變化。采用Photoshop進行貼圖繪制，然后將貼圖導入Unity3D平臺，之后將UV貼圖附著在立體化三維模型之上，以及存儲、顯示因燈光照射而產生的模型表面細節，具體如圖5所示。

圖5 RV減速器機械結構貼圖模型

RV減速器組件結構在預設路徑下的虛擬拆裝要符合RV減速器拆裝工藝的邏輯執行流程，通過C#編寫模型交互程序，對整個拆裝流程做出動態性、交互性指導.RV減速器虛擬組件拆裝包含預設路徑自動拆裝、手動拖動拆裝兩種方式，虛擬仿真系統對曲柄軸、輸入軸、輸出盤、支撐法蘭、螺栓、滾針和齒輪等零部件的拆裝，會自動記錄拆卸順序、零件邏輯位置、擺放位置。三維模型交互拆裝的核心代碼如下：

5.3 基于CARLA優化算法的RV減速器組件結構虛擬仿真設計

利用CARLA學習環路優化算法，對RV減速器三維模型的虛擬裝拆、結構創新設計等，進行虛擬實現仿真，往往會通過策略選擇器進行學習環路選擇，展開不同構件結構設計、拆裝創景跳轉等的多模態控制。如先啟動策略選擇器，對全局需要使用的RV減速器組件進行搜索，在虛擬建模環境中將CARLA學習環路設定為10%環境適應度值進行相互作用，獲得最優控制，具體執行流程如圖6所示。

圖6 CARLA學習環路優化算法執行流程

本文在RV減速器結構虛擬仿真設計中，以連續動作自動強化學習為基礎，通常分為六個步驟。首先初始化機械零件個數、粒子范圍、迭代次數等參量。之后通過CARLA學習環路，確定RV減速器零件結構的切片粒子位置。然后步驟三計算不同粒子的環境適應度值，再確定每一代粒子群的局部最優、全局最優位置。最后步驟五、步驟六，主要為更新粒子群速度以及局部最優、全局最優位置，重復迭代多次直到連續m代，在虛擬環境中適應度值不發生變化為止。

（1）初始化密度函數采用均勻分布的概率密度函數，依據每個參數范圍，將其機械零件切片的粒子最值之差的倒數作為概率密度函數，具體公式為：

其中，x表示決策行為，f0(x)表示對應每個決策行為的密度函數。

（2）在單個決策行為執行后，確定RV減速器零件結構的切片粒子位置，具體公式為：

其中，隨機數z取值范圍為（0，1）。

（3）計算不同粒子的環境適應度值，決策行為表現評估的函數為：

（4）確定每一代粒子群的局部最優、全局最優位置，更新概率密度函數，在經過多次迭代后，虛擬環境中適應度值不發生變化，下面給出采取Matlab虛擬算法、CARLA學習環路優化算法的迭代執行比較結果，具體如圖7所示。

圖7 Matlab虛擬算法及CARLA學習環路優化算法的迭代執行結果

根據圖7可以得知，在經過Matlab虛擬算法一定次數的學習后，算法執行適應度值陡然增加。而CARLA學習算法的迭代次數、迭代結果控制在10%左右，相比于Matlab虛擬算法大大改善，算法實時性顯著提高，滿足RV減速器結構虛擬仿真的要求。

6 結論

Unity3D、VR等虛擬網絡技術，主要針對開放的聯網計算機，構建虛擬實驗平臺的機械設計體系，對加工設備、機械產品結構進行三維模型搭建，加強虛擬場景、制造單元結構的實時渲染，包括機械通用零件、軸系結構等的貼圖、烘焙與平滑計算，使用戶主體不受時間、空間的限制，完成虛擬場景中的機械設備、零部件對象的操作，實現虛擬資源整合、共享的設計目標。從以上對RV減速器結構的虛擬仿真設計中可以看出，RV減速器結構建模、虛擬拆裝等仿真操作，可以為工業機器人開發、功能實現提供助力。