基于Unity3D的《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺設計及應用*

劉大維，張國泉，李澤山，勞信超，余得賢，蘇 蒲

（1.廣東技術師范大學機電學院，廣州 510635；2.東莞石龍京瓷有限公司，廣州東莞 523326；3.廣東技術師范大學資產與實驗室管理處，廣州 510665）

0 引言

教育部職成司于2020 年印發《關于開展職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設的通知》，指出在信息技術快速發展的背景下，迫切需要建設虛擬仿真實訓基地，這既是對傳統教學的革新，深化人才培養模式改革，也是強化“虛實”融合的教育教學活動，有效彌補實訓中學習興趣低、設備不足、危險性大等問題[1]。越來越多的高等院校希望能通過“虛實融合”進行實訓教學，增強學生的學習興趣，提高實訓教學質量。

在《中國制造2025》綱要中，智能制造起著至關重要的作用，同時也對智能制造系列課程教學提出了更高的要求。《工程制圖》是智能制造系列課程中的一門專業基礎課，也是一門機械、建筑、平面設計等專業的基礎學科，是體現工科學科特點的入門課程，也是學習工科的學生必須學習掌握的一項專業基礎課程之一。在培養學生發揮創造性思維基礎的空間想象力以及構思能力、促進工業化的進程等許多方面發揮了非常重要的作用。

在傳統的《工程制圖》課程里，多數學校習慣將學生安排在普通教室上課，教師使用講授法和演示法進行教學，在實訓過程中需要教師及時給學生解答疑問，而不應該僅局限于理論知識的傳授[2]。學生主要是在觀察教師畫圖的方式，接著模仿教師的畫法，學生學習興趣不高、主動性不強。傳統的教學模式很難培養學生的創新能力和綜合素養，與高端技術技能型人才培養目標存在差距[3-4]。學習《工程制圖》的目的其實是能讓學生在學習這門課后能正確地對一些經典的機械組合體進行制圖，以及在設計產品的時候能讓生產部門輕易理解圖紙表達的意義[5]。為此，在《工程制圖》課中同步采用虛擬仿真平臺進行授課，可以讓學生能更直觀地感受由圖形到立體感和空間感的變化，能有效提高學生的學習積極性與體驗感[6]，加深學生對工程制圖的學習理解。

虛擬仿真實驗教學是推進現代信息技術融入實驗教學項目的重要舉措[7]，同時也是培育我國創新型和復合型技術技能型人才的輔助手段[8-10]。Unity3D 是專門針對虛擬交互開發的，是一套能進行視、景仿真，并滿足多平臺部署應用需求的三維模擬仿真引擎，能夠很好地幫助開發者構建一套滿足使用的虛擬仿真平臺[11]。在面向智能制造背景下，借助Unity3D 軟件，采用工程實例與可視化仿真教學有機結合[12-13]，轉變傳統的教學模式，培養學生的創新能力[14]。

1 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺總體設計方案

從《工程制圖》實驗教學應用的基礎出發，選取有代表性的零部件、組合體和知識點作為虛擬仿真對象，開發一款具有可自由觀察、能拆裝運動、實現3D 模型圖到2D 工程圖的轉場漸變功能、頁面美觀簡潔、易于操作等特點的虛擬仿真平臺，能實際、有效地運用在《工程制圖》課程的教學中。圖1 所示為總體設計方案。

圖1 總體設計方案

2 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺開發

通過建模、繪制工程圖，導出FBX 格式。使用C#編程語言編寫交互代碼，在Unity3D參數面板設置參數進行交互設計，最終導出軟件發布到PC端。虛擬仿真實驗平臺開發流程如圖2所示。

圖2 平臺開發流程

2.1 模型建立與工程圖的繪制

通過查閱資料，確定減速器零件模型特征，使用UG 進行模型的建立，模型圖為PRT 格式。在UG 中將模型圖生成工程圖，通過AutoCAD對減速器的裝配圖和零件圖進行修正，工程圖為DWG格式。

2.2 格式轉換

在Unity軟件里，不支持PRT 格式和DWG 格式的文件，而FBX 格式文件和PNG 格式文件可作為開發虛擬仿真平臺的主要導入文件格式。

使用UG 完成3D 模型，導出為STL 格式文件，再通過使用3Dmax 將STL 格式文件轉換為FBX 格式的文件。通過截圖的方式可導出PNG格式的2D工程圖。

2.3 模型零件的渲染和裝配

使用UG 建模并裝配好的減速器經過FBX 格式轉換后形成了一個整體，無法拆卸零件。所以，應先導出減速器的各個零件，逐個進行文件格式轉換，再逐個導入Unity3D 進行渲染和組裝。圖3 所示為在Unity3D 中減速器底座和齒輪軸透蓋的裝配示意圖。

圖3 減速器裝配示意圖

2.4 自由觀察功能

根據虛擬仿真平臺的基本功能要求，能自由地對裝配體和組合體進行動態觀察，能控制攝像機對組合體的環繞運動、拉遠、推近運動，稱為自由觀察功能。

實現自由觀察功能的腳本程序，主要運用到的API的內容與控制攝像頭活動的知識。C#語言編寫腳本的主要程序段如下：

關聯腳本與攝像機、模型，實現自由觀察功能，確定模型是攝像機的跟隨目標，完成關聯，實現自由觀察功能。

2.5 拆裝功能

為了能更好地了解和觀察減速器的內部結構和組合方式，需要實現組合體拆裝的功能，且拆裝的過程要與現實中的拆裝順序相符。需要實現的效果是：將減速器拆分為若干個部分，拆裝過程中在一定時間里位于同一部分的零件能一起運動。當點擊到界面的某一部分時，組件就會一同運動到合適位置，再進行分離運動，當再次點擊同一部件時，則可順著分離的路徑重新進行組合。

2.5.1 拆裝前后坐標記錄

在錄制動畫前，確定好組合體拆裝前后運動的路徑、坐標，記錄下各部分運動的坐標、零件運動的坐標。

例如，記錄透氣塞拆裝前后的0～2 s時間內坐標變化。移動前，組件坐標為（0，0，0），組件內的零件透氣塞為（-0.002，2.152，-0.632）；1 s 時，組件的坐標為（0，2.597 85，0），此時組件已運動完成，但透氣塞仍需繼續運動；2 s 時，組件內的透氣塞的坐標為（-0.002，2.859 43，-0.632），此時運動完成。

2.5.2 動畫錄制

記錄組合體的坐標，錄制動畫就有了先決條件。錄制動畫，就是依據時間指定給模型前后兩個坐標，模型就會依照設定的時間從第1 個坐標移動到第2 個坐標，圖4 所示為拆裝動畫效果。

圖4 拆裝動畫效果

2.5.3 動畫播放邏輯設置

錄制完動畫，要依靠動畫器組件對動畫進行邏輯設置保證動畫的播放順序。邏輯順序：要有一定的條件才能進行動畫播放，安裝動畫必須要在拆裝動畫播放之后才能播放。

2.5.4 腳本編寫

實現鼠標右鍵點擊物體達到拆裝效果的功能。主要腳本程序段如下：

2.5.5 腳本關聯動畫設置

一套拆裝動畫對應一個觸發程序。在程序編譯完成后，將腳本添加到相對應的零件上即可。

導入的模型不具備物理性質，需要給模型添加碰撞體組件，賦予模型物理性質，使得API能檢測到模型的存在。

2.6 轉場漸變功能

轉場漸變功能能直觀觀察到組合體和零件的制圖過程，也能很好地體會到3D模型實體與2D工程圖的異同之處。

實現方法：將3D 模型和2D 工程圖分別放置在兩個場景中，在3D 模型所在場景轉場到2D 工程圖所在場景時，呈現出漸變效果，使得在視覺上兩個場景的轉換過程更為流暢與平滑。學習者在觀看這一過程時，也就能有3D 模型慢慢“變”成2D工程圖的效果。

2.6.1 錄制模型旋轉動畫

對于3D 的模型來說，可以360°旋轉觀察特征。但對于2D的工程圖，只能從一個視角觀看。但轉場漸變功能要求攝像頭能觀察到的3D 模型場景和2D 工程圖場景的角度一致。例如當減速器上箱體需要從3D 模型轉換到2D 的左視圖時，就需要在轉換前將減速器的角度調整到左視角度。運行場景，即可觀察到上箱體的旋轉過程。

2.6.2 匹配轉場前后場景

由于3D 模型視圖和2D 工程圖大小不一致，在進行轉場漸變的時候會顯得突兀。需進行一定的調整設置，使得兩個場景看起來大小一致，這樣進行轉場漸變就會顯得平滑、流暢了。同樣以減速器上箱體為例。首先是3D 模型的調整方法。單擊“攝像機”，在“檢查器界面投影”欄將“透視”改為“正交”，在大小欄調整視角大小，直至合適的尺寸。接著是2D 工程圖的調整方法。將圖片資源裝載到四邊形，單擊工程圖，在“檢查器坐標欄”修改合適的坐標使工程圖置于攝像機視線的最中心處。用“檢查器”調整工程圖的大小，使之與3D 模型大小相同。轉場漸變效果如圖5所示。

圖5 轉場前后對比

2.6.3 編寫轉場漸變效果腳本

設置“L”鍵轉場漸變功能，按下“L”鍵，畫面即從3D模型轉場漸變為2D 的工程圖，學習者就能直觀觀察模型圖到工程圖的過程。腳本大致分為3 個模塊；按下“L”鍵打開新場景；場景間切換的效果；效果實現后進行銷毀。程序段如下：

2.7 UI界面設計

主界面上設置4 個按鈕，分別鏈接到減速器、葉片泵、溢流閥和工程制圖基礎知識的子界面，界面分布如圖6 所示。主界面制作效果如圖7所示。

圖6 界面分布示意圖

圖7 主界面制作效果

3 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺教學應用

基于Unity3D 的《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺可幫助學習工程制圖基礎知識、組合體拆裝與工程圖繪制等內容。根據《工程制圖》實訓環節培養要求，開發減速器結構及其工程圖繪制實驗并實施到教學中。借助機電學院3D 裸眼虛擬顯示設備，增強沉浸感，實現更加逼真的仿真實驗，減速器拆裝實驗顯示效果如圖8所示。

圖8 拆裝實驗在3D裸眼設備顯示效果

3.1 實訓教學項目

3.1.1 實訓目標

學習減速器的結構，了解減速器的內部構造和零件組成，提升學生的空間想象能力；對減速器整體及其主要零件的工程圖進行繪制，了解減速器模型圖與2D 工程圖的畫法區別，提升學生對工程制圖的運用能力。

3.1.2 實訓教學內容

（1）學生進行減速器的拆裝操作

依次點擊螺釘、上箱體、齒輪軸，完成減速器主要組件的拆卸過程；旋轉、移動減速器，觀察研究減速器內部結構的組合方式，增強學生對減速器結構的好奇心與學習積極性，加深學生對減速器內外部結構的認識，圖9 所示為學生拆卸減速器的過程。

圖9 拆卸減速器過程

（2）學生直觀體驗3D模型與2D工程圖的異同

學生進入到裝配圖模型界面，可以通過單擊“L”鍵，讓畫面由3D 模型漸變成2D 工程圖，為了強化學生對三維模型與二維工程圖的認知，該過程可重復切換操作，通過虛擬仿真技術[15-16]，學生能“身臨其境”地感受到“真實”的場景，圖10所示為減速器正視圖漸變過程。

圖10 減速器正視圖漸變過程

（3）分組探究，提升空間想象能力

將班級里的學生進行分組，4 人為一組進行合作探究，讓學習者仔細觀察各零部件的3D 模型與2D 工程圖的轉化，并讓學生進行總結和分享，以此提升學生的空間想象能力。

（4）課堂練習與課后作業

拆裝減速器，找到主要零件在里面的位置，并說明所起到的作用（教師隨機提問）。在減速器裝配圖三視圖內找出9 個主要零件，能自主操作將零件分離開，并畫出該零件的簡圖（教師隨機提問）。參考所學減速器零件圖的畫法，繪制出圖11所示的三視圖。

圖11 課堂作業

3.2 教學效果

為探究虛擬仿真實驗平臺在《工程制圖》課程中的應用效果，選擇機電學院20機械1班和20機械2班進行教學實驗，共80 名本科學生，兩個班上一學年綜合成績基本一致，因此符合開展本次教學實驗的條件。20 機械1 班為對照班（40 人），20 機械2 班為實驗班（40 人），對照班實施傳統實操教學，實驗班采用結合虛擬仿真平臺的實操教學，對兩個班進行一學期的教學實驗，表1所示為實驗班與對照班的實訓成績對比表。

表1 實驗班與對照班的實訓成績對比表

從實訓成績上看，對照班學生的成績在60～69 分之間人數占比為40%，成績在80～89 分之間的人數占比為17.5%。而實驗班學生的成績在60～69 分之間的人數占比為12.5%，成績在80～89 分之間的人數占比為50%。因此，將虛擬仿真平臺應用到本科《工程制圖》課實訓教學中，能夠有效提高學生的學習效果。虛擬仿真實驗程制圖》課程實訓教學效果不佳的問題。

4 結束語

《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺實訓教學打破了傳統的“教師講授”、“教師演示，學生簡單模仿”的教學模式，利用虛擬仿真系統為學生呈現更為直觀的學習情境，一方面不僅有利于提高學生的學習興趣與體驗感，讓學生通過“玩”內化知識，另一方面有利于提高學生的空間想象能力，突破思維能力不高的局限，學生通過自己動手操作，加強學生對工程制圖的運用能力。依托虛擬仿真實驗平臺開展實訓教學，發揮了虛擬仿真技術的優勢和長處，打破了傳統實訓教學的時空限制，有效解決了高校實訓教學效果不佳、設備不足、學生課堂學習興趣與體驗感不高等問題。智能制造系列課程實訓教學改革是一個長期積累的過程，要結合學生的學習特點不斷優化虛擬仿真系統，從而促進教學水平和教學質量的持續提升。