基于虛擬技術的機械基礎實驗教學平臺設計與實現

張 俊，吳央芳，張天宇

（浙大城市學院工程學院，杭州 310015）

0 引言

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR技術，是采用計算機技術為核心的現代高科技手段生成的一種虛擬環境，包括有計算機圖形技術、計算機仿真技術、人機接口技術、傳感技術等。用戶在借助特殊的輸入/輸出設備，能夠與虛擬世界中的物體進行自然的交互，并且能夠通過視覺、聽覺、觸覺來獲得與真實世界相同的感受［1-4］。

國內外對虛擬現實技術在教育領域的應用已經做了一定的研究。馬帥等［5］采用虛擬現實技術和增強現實技術，通過Unity 3D搭建了具有交互式拆裝空壓機和模擬車床走刀功能的虛擬實驗平臺，為平臺交互式設計提供了參考。周欣等［6］基于UG 設計了RV 減速器虛擬樣機并實現了虛擬運動仿真。朱正偉等［7］利用改進后的碰撞檢測算法對模具的裝配序列和裝配實現方法進行了研究，并基于HTC Vive、Unity 3D等軟件開發了虛擬現實模具裝配系統。田昌等［8］設計了蒸汽輪機發電虛擬仿真系統，避免了實驗過程中存在的煙氣較重、不易操作等問題，生動體現了虛擬仿真系統的優勢所在。Luzanin 等［9］提出了一種基于概率神經網絡（PNN）的手勢識別系統，使虛擬裝配和維護仿真等VR工程與實體數據手套相結合。

目前國內高校傳統的課堂模式受困于因經費投入不足而造成實踐教學資源缺乏等問題［10］，基于Unity 3D搭建虛擬仿真實踐教學系統，把虛擬現實和課程實踐結合起來，在突破高校傳統封閉式課堂模式的同時提升學生的自主學習能力，使學生不再受設備數量限制，大大優化教學體系，提高教學的生動性。

1 典型機械裝備結構分析

本平臺以典型機械裝備齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV減速器為研究對象。

齒輪泵主體結構由一對回轉齒輪構成，工作時互相嚙合吸入低壓油，排出高壓油［11］。二級圓柱齒輪減速器由輸入軸、輸出軸、中間軸、輸入齒輪、輸出齒輪和傳動齒輪等組成，動力源經大齒輪嚙合小齒輪的方式逐層傳遞到輸出軸并輸出轉矩，起到減速增矩的效果［12］。RV減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成［13-14］，電動機帶動輸入齒輪與正齒輪嚙合，為第1 級減速；正齒輪與曲柄軸固連，成為第2 級的輸入，轉動正齒輪則RV齒輪由于曲柄軸的偏心運動也進行偏心運動，此時曲柄軸轉動1周，則RV齒輪會沿與曲柄軸相反的方向轉動1 個齒，這個轉動將被輸出到輸出盤上，此為第2 級減速［15］。

圖1 所示為齒輪泵、二級圓柱齒輪減速器和RV減速器結構圖，從圖中可見，3 個模型結構由簡單到復雜，符合機械系統設計認知規律，通過系統學習可實現知識與能力的漸進提升。

圖1 典型機械裝備結構

2 實驗教學平臺方案設計

2.1 系統功能框架設計

以典型機械裝備為研究對象開發具有交互式，仿真性的虛擬仿真實踐教學平臺。系統應擁有實驗預習、虛擬自動拆裝、手動交互拆裝、模型縮放旋轉、運動仿真等交互功能模塊。系統總體框架如圖2 所示。

圖2 平臺總體方案框架

利用典型機械裝備的拆裝實驗教學平臺讓學生了解典型機械裝備的結構特點，掌握典型機械裝備的加工精度要求、工藝要求和裝配要求，同時促進學生將機械原理、機械設計、機械制造工程學等課程所學的理論知識通過典型機械裝備的拆裝進一步應用到實踐綜合應用當中去。

2.2 系統主要功能模塊

（1）實驗預習模塊。實驗預習模塊包含實驗目的原理、儀器設備、方法和步驟以及實驗考核要求4 個二級功能模塊，文字說明及瀏覽的方式應使學生在虛擬拆裝前充分了解該實驗。功能模塊效果如圖3 所示。

圖3 實驗預習功能模塊

（2）實驗操作模塊。進入此模塊開始實驗，首先進入運動仿真模塊，可學習3 種典型機械結構的運動情況，為后續虛擬拆裝做準備。運動仿真界面見圖4。

圖4 運動仿真界面

點擊選擇齒輪泵、2 級齒輪減速器或者RV 減速器后可進入3 個4 級功能模塊，可實現自動裝配、自動拆解、手動拆裝功能，自動裝配和手動拆裝功能模塊效果如圖5、6 所示。

圖5 自動裝配功能模塊

圖6 手動拆裝功能模塊

3 實驗教學平臺開發與實現

3.1 平臺開發工具

系統開發選用Unity 3D，其擁有較高的跨平臺性，可發布至Windows、Mac、iPhone、Android 等多個平臺；3D建模軟件使用Solidworks；三維渲染優化軟件采用3D Max，其模型優化功能強大，在減少存儲體積的同時可保持模型精度尺寸。

具體開發平臺與工具如表1 所示。

表1 開發平臺與工具

3.2 平臺開發流程

系統開發流程：以Unity 3D 為開發平臺進行VR制作。首先運用Solidworks建立機械裝備模型并導入3D Max 完成模型渲染優化，再將優化后模型導入Unity 3D平臺通過C#編寫相關腳本實現系統各項功能，最后發布到相應平臺，利用平臺設備對虛擬實踐教學系統進行效果展示。系統開發流程圖如圖7 所示。

圖7 系統開發流程圖

3.3 機械裝備模型的建立和優化

機械裝備模型是虛擬仿真的主體，建模時可以將一些對虛擬拆裝影響不大的結構進行合理省略，起到簡化模型效果。標準件可以采用Solidworks軟件內置的toolbox直接調用，大大減少了建模時間。在裝配采用“自底向上”的方式并多用陣列、鏡像減少裝配時間和存儲體積，同時應避免模型重疊。

模型建立完成后，將文件導出為STEP 格式后導入3D Max進行模型優化和坐標軸調整。模型優化功能可以在不影響模型精度的條件下減少面的數量，坐標軸調整可以方便在Unity 3D 中的后續開發。本步驟具體操作流程和設計效果圖如圖8、9 所示。

圖8 模型建立和優化流程圖

3.4 模型虛擬場景搭建

模型虛擬場景作為設備模型的環境載體，為整個實驗平臺的基礎。將3D Max 中優化好的三維模型保存為MAX或FBX 格式文件后，導入到Unity 3D 軟件中并做添加材質和展臺等操作，完成模型虛擬場景的搭建。

3.5 模型自動拆裝功能實現

由于3D Max 制作的拆裝動畫在導入到Unity 3D的過程中會產生坐標混亂，本系統通過Unity 3D制作實現相應的自動拆裝功能。在實現機械裝備虛擬拆裝功能時，需注意是否符合實際裝配順序，并關注模型文件夾名稱過長而導致的無法更改坐標的問題。自動拆裝功能設計流程圖和實現效果圖如圖10、11 所示。

圖9 模型優化及坐標軸調整效果圖

圖10 自動拆裝功能設計流程圖

3.6 模型手動拆裝功能實現

模型實現手動拆裝功能需要對零件做添加Collider（碰撞控件）并掛載腳本的操作，以達到用鼠標自由拖動、放置零件的效果。功能設計流程圖和實現效果圖如圖12、13 所示。

3.7 視角交互功能的實現

用鼠標調整觀察視角的操作方式可以讓用戶有更直觀、更具沉浸性的體驗。通過腳本捕獲鼠標移動和滾輪來調整攝像機的角度和位置，以實現相應功能。具體功能實現流程如圖14 所示。

圖11 自動拆裝實現效果圖

圖12 手動拆裝功能設計流程圖

圖13 手動拆裝實現效果圖

圖14 視角交互功能設計流程圖

3.8 交互性界面設計

用戶交互界面設計是將相應腳本掛載到按鈕上，構建相應層級關系。當用戶點擊按鈕時，系統跳轉至相應場景層級，實現對應功能。交互式界面包含由自動拆裝、手動拆裝、實驗預習、返回、退出等按鈕。

實現層級跳轉的部分代碼如下：

實現效果如圖15 所示。

圖15 用戶交互界面

3.9 運動仿真功能實現

運動仿真功能可以讓學生清晰地觀察到機械裝備內部齒輪的運作情況。功能主要實現原理是把相應腳本掛載到機械裝備的部分零件上，使其繞1 根及1 根以上的固定軸旋轉，借此模擬真實運動情況。同時，可將箱體掛載透明材質，以顯示出其內部運動情況，部分代碼如下：

3.10 系統發布

Unity擁有較高的跨平臺性，可以將開發完成的虛擬仿真系統發布至Android，PC，Xbox，PS4 等多個平臺。以PC端為例，完成各項發布前的各項設置后，即可發布一個包含exe 可執行文件的文件夾，運行exe文件即可在PC端使用虛擬仿真系統。

在Android 平臺上發布，需要設置對應的SDK，JDK，NDK軟件開發工具包以調試好發布環境。完成調試后，將發布平臺改為Android，單擊Build即可生成一個apk文件。在Android 手機上安裝該文件，即可在手機上使用本系統。

在基于發布至PC 端的基礎上，還可以通過軟件左右分屏的形式，在VR頭盔上立體顯示，利用頭盔的位置跟隨功能和手柄操作等多個形式與系統更沉浸的交互。

4 結語

基于虛擬技術的機械基礎實驗教學平臺，通過運用Unity 3D等工具開發了實驗項目“齒輪泵、二級減速器以及RV減速器虛擬拆裝實驗”，已列入機械基礎實驗教學大綱，每年可為200 余名本科生提供實驗教學支撐，教學效果良好。同時該項目作為省級虛擬仿真實驗教學的一個項目，已發布城市學院機械虛擬仿真實驗教學網絡平臺上，網址為：http：//101.132.154.216。依托學院校園網絡，面向校內所有師生全天開放，實現了優質教學資源的校內共享。

在此基礎上下一步研究將著重于完善結構展示和拆裝細節，不斷提高使用者的實際操作體驗，并逐步擴大外網的注冊制開放程度，進一步擴大本成果共享應用范圍。