李靜蓉， 倪建龍， 陳銳奇， 李 政， 孫佳正， 龔瑞卿， 朱振柏

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)交互的虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李靜蓉， 倪建龍， 陳銳奇， 李 政， 孫佳正， 龔瑞卿， 朱振柏

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

鍛造工藝是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)械零件加工技術(shù)，也是高校機(jī)械類各專業(yè)必修的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目之一。由于鍛造工藝對(duì)安全性和設(shè)備投入有較高的要求，學(xué)生通過傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練環(huán)節(jié)難以獲得理想的教學(xué)效果。以典型的自由鍛造工藝為例，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)了虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)。首先，通過對(duì)該工藝實(shí)習(xí)要求與工藝流程的分析，設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)習(xí)系統(tǒng)的交互模式。然后利用Unity3D開發(fā)引擎設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了鍛造車間環(huán)境和鍛機(jī)的虛擬樣機(jī)。最后，對(duì)鍛造工藝的具體步驟進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有自由鍛造工藝實(shí)習(xí)的功能，而且通過虛擬交互并輔以文字信息指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生獲得了比傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)習(xí)更好的效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)； 鍛造工藝； Unity3D； 實(shí)習(xí)系統(tǒng)

0 引 言

鍛造工藝是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)械零件加工技術(shù)[1]，也是高校機(jī)械類各專業(yè)必修的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目之一。學(xué)生了解鍛造工藝的工藝流程、加工設(shè)備、操作技巧等并盡心實(shí)踐訓(xùn)練，對(duì)提高其工程實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力具有重要意義。傳統(tǒng)鍛造實(shí)踐教學(xué)主要是采用教師現(xiàn)場(chǎng)先講解示范，再輔助學(xué)生操作，最后訓(xùn)練學(xué)生掌握操作技能與方法[2]。由于鍛造工藝過程存在高溫、沖擊等工況，鍛造操作實(shí)訓(xùn)對(duì)設(shè)備投入和師資力量的要求都較高，并且設(shè)備的安全操作較難保證，存在一定危險(xiǎn)性[3]。由于國內(nèi)高校辦學(xué)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，運(yùn)用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本愈來愈高，一些高校因?yàn)槭艿綄?shí)驗(yàn)空間、設(shè)備的限制，造成學(xué)生在機(jī)械制造工藝的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)難以獲得理想的教學(xué)效果。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)的不斷發(fā)展[4-6]，將VR技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)中，能夠有效地緩解、解決上述問題。目前，國內(nèi)已有高校嘗試將VR技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械制造工程訓(xùn)練中[7-9]，但針對(duì)鍛造工藝的VR訓(xùn)練系統(tǒng)，特別是操作性與交互性要求更高的自由鍛工藝則較少。郭平義等[10]根據(jù)其本校教學(xué)中心實(shí)際情況提出了一種物理與仿真相結(jié)合的教學(xué)模式，操作在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行，零件加工則利用仿真技術(shù)根據(jù)學(xué)生操作來完成。這種方法雖然能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效率，但仍無法脫離對(duì)實(shí)際設(shè)備的依賴，且可移植性較差。魏東等[2,11]利用Java 3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)環(huán)境，對(duì)鍛造中的操作機(jī)、鍛件等關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。該VR系統(tǒng)獲得了對(duì)鍛造設(shè)備操作方面很好的訓(xùn)練效果，但是主要訓(xùn)練的對(duì)象是技術(shù)工人，目的是提高工人的操作水平，因此，缺乏工藝原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、加工過程這些對(duì)于高校學(xué)生來說非常重要的知識(shí)，因此，難以應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)傳授。

根據(jù)高校工程訓(xùn)練對(duì)虛擬鍛造系統(tǒng)的要求：需要較高的交互性來實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)效果，系統(tǒng)要可移植，能重復(fù)進(jìn)行，且?guī)в性碇v解與展示、操作要領(lǐng)指示功能[12-14]，本文使用Unity3D交互式開發(fā)引擎，以自由鍛為例，建設(shè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)。學(xué)生可以在虛擬鍛造車間中如同親身體驗(yàn)般完成自由鍛造的實(shí)驗(yàn)過程。該過程不僅可充分提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的興趣，擴(kuò)大傳授的知識(shí)信息量，提高教學(xué)效率和安全性，還可以大量節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和能源消耗，更方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源共享。

1 虛擬鍛造車間的設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 交互模式設(shè)計(jì)

由于Unity3D引擎的模型控制主要以代碼驅(qū)動(dòng)的方式為主，即運(yùn)行時(shí)大部分功能都是利用腳本控制模型運(yùn)動(dòng)、動(dòng)畫播放、材質(zhì)改變的方式來實(shí)現(xiàn)，因此，本文借鑒Model(模型)，View(視圖)，Controller(控制器)，設(shè)計(jì)模式(MVC)[15]，來實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互。如圖1所示，學(xué)生(用戶)首先進(jìn)入View視圖，即漫游場(chǎng)景，獲得系統(tǒng)提供的替代教師授課功能的指導(dǎo)性文字、箭頭。得到指導(dǎo)后，開始進(jìn)行操作，所做的操作將以命令的形式傳遞到Controller中，該部分對(duì)用戶的操作指令進(jìn)行分類、判斷，最后對(duì)Model進(jìn)行相應(yīng)的控制，如移動(dòng)鍛件、空氣錘工作等。模型受到相應(yīng)操作后，又會(huì)在View中顯示出來，反饋給用戶。用戶得到反饋后，再進(jìn)行判斷，作出下一步的操作，如此循環(huán)交互，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

圖1 交互設(shè)計(jì)模式

1.2 應(yīng)用Unity3D實(shí)現(xiàn)虛擬鍛造車間

Unity3D是一款跨平臺(tái)的游戲開發(fā)引擎，主要應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、建筑可視化、三維視頻游戲等互動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)，主要支持 C#、JavaScript、Boo 3種腳本語言，其成品可發(fā)布至Windows、Mac、Android 等多種平臺(tái)[16-17]?？梢浦残詮?qiáng)，學(xué)生可以在多種終端運(yùn)行程序。

虛擬鍛造車間首先運(yùn)用三維CAD軟件(Solidworks)對(duì)鍛造車間進(jìn)行三維建模，設(shè)備模型主要根據(jù)我校工程訓(xùn)練中心中已有的中小型自由鍛設(shè)備空氣錘構(gòu)建，并導(dǎo)出格式為IGS的文件。在3D Studio Max導(dǎo)入IGS文件后，適當(dāng)添加樹木等綠化效果，并在空氣錘部分制作三維動(dòng)畫，動(dòng)畫包括空氣錘提錘、連續(xù)打擊、落錘3個(gè)環(huán)節(jié)，導(dǎo)出格式為 FBX的文件。在Unity3D導(dǎo)入FBX文件，為虛擬鍛造車間中的所有物體選擇合適的材質(zhì)，必要部分貼上貼圖，添加燈光以增加真實(shí)感，并進(jìn)行自由鍛過程的交互性設(shè)計(jì)。

在Unity3D中開發(fā)虛擬鍛造車間的關(guān)鍵在于運(yùn)用程序中相應(yīng)的腳本函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣錘等物體與用戶的交互性操作。系統(tǒng)選用JavaScript語言作為主要腳本編輯語言，下面對(duì)操作空氣錘、移動(dòng)工件、工件被墩粗、顯示空氣錘內(nèi)部結(jié)構(gòu)4個(gè)主要交互過程的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

(1) 操作空氣錘的實(shí)現(xiàn)。用戶在虛擬鍛造車間中的操作主要包括：對(duì)空氣錘進(jìn)行開啟(提錘)、連續(xù)打擊、關(guān)閉(落錘)。提錘過程是當(dāng)用戶鼠標(biāo)觸動(dòng)空氣錘操作旋閥的小手柄時(shí)，工作活塞和上砧提起的過程。連續(xù)打擊過程是當(dāng)用戶鼠標(biāo)觸動(dòng)空氣錘中操作上旋閥與下旋閥的長手柄時(shí)，工作活塞和上砧進(jìn)入連續(xù)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，當(dāng)用戶鼠標(biāo)松開長手柄連續(xù)打擊過程將轉(zhuǎn)換為提錘狀態(tài)。而落錘過程是在提錘狀態(tài)時(shí)，用戶鼠標(biāo)再次觸動(dòng)空氣錘中操作中旋閥的小手柄，工作活塞和上砧落下的過程。

用戶操作的交互過程通過OnMouseDown函數(shù)(鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件)、Animation.Play函數(shù)(動(dòng)畫播放事件)來實(shí)現(xiàn)。連續(xù)打擊過程的動(dòng)畫在3D Studio Max中只需制作一個(gè)周期，在此通過循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)打擊動(dòng)作的持續(xù)進(jìn)行，使用戶可以看到連續(xù)打擊的過程。在腳本中使用多個(gè)boolean類型的變量來判斷空氣錘工作狀態(tài)，如落錘后，空氣錘已處于停止工作狀態(tài)，若此時(shí)用戶鼠標(biāo)再次觸動(dòng)空氣錘中長手柄，空氣錘應(yīng)不再有連續(xù)打擊的動(dòng)作。此處設(shè)置一個(gè)全局布爾變量，鼠標(biāo)觸動(dòng)小手柄即改變布爾值，落錘后，該布爾變量賦值為false， OnMouseDown函數(shù)將不被激活，對(duì)用戶的操作不做出反應(yīng)。提錘功能腳本的核心代碼如下：

static var change : boolean = true;

function OnMouseDown(){

if(change){

gameObject.transform.parent.animation.Play("tichui1");

change = false;}

else {

gameObject.transform.parent.animation.Play("down");

change = true;}}

(2) 移動(dòng)工件的實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)工件功能通過Input函數(shù)和Transform函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。首先將三維物體在環(huán)境中的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為用戶視角屏幕上的二維投影坐標(biāo)，然后利用Input函數(shù)獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊處的坐標(biāo)，再利用Transform函數(shù)將物體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)移至鼠標(biāo)指向坐標(biāo)上，三維物體即可跟隨用戶的鼠標(biāo)移動(dòng)。另外，通過改動(dòng)SharedMeterial函數(shù)來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前鼠標(biāo)選中的三維物體的變色凸顯效果。

(3) 工件被墩粗的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)空氣錘上砧鍛打工件時(shí)，工件受到豎直方向的壓力，高度減小、橫斷面積增大。工件的形狀變化通過Transform函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。給上砧附加一個(gè)“剛體(Ragidbody)”屬性，剛體下落時(shí)與工件的觸發(fā)器產(chǎn)生碰撞，觸發(fā)工件自帶的碰撞函數(shù)，使其scale尺寸屬性的x、z數(shù)值變大，y數(shù)值變小，改變模型在各個(gè)方向上的大小比例。用戶即可看到工件被墩粗的效果。設(shè)置Count變量，當(dāng)撞擊數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)的Count數(shù)值時(shí)，工件形狀不再發(fā)生變化。

(4) 顯示空氣錘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了讓學(xué)生能夠更好地了解空氣錘工作時(shí)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理，因此系統(tǒng)需要讓學(xué)生可以在虛擬鍛造的過程中自由地查看設(shè)備及其內(nèi)部機(jī)構(gòu)。這也是充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)想性特點(diǎn)所帶來的優(yōu)勢(shì)[11]，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程中，學(xué)生是無法觀察到工作中的內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況的。實(shí)現(xiàn)該功能的方式是讓空氣錘的外殼透明化，顯示出內(nèi)部機(jī)構(gòu)。用戶可以輸入“V”和“B”鍵盤按鈕來控制外殼的透明度，腳本中一旦獲取到對(duì)應(yīng)的按鈕，便通過改變空氣錘外殼的材質(zhì)Meterial透明度來實(shí)現(xiàn)外殼的透明程度轉(zhuǎn)換。

2 自由鍛造虛擬過程實(shí)例

虛擬鍛造系統(tǒng)的格式為exe，在Windows系統(tǒng)中均可打開，不需要預(yù)先安裝其他軟件。點(diǎn)擊進(jìn)入后，用戶首先可看到虛擬鍛造車間的外觀以及友好的歡迎界面。用戶可通過鼠標(biāo)和鍵盤控制瀏覽視角與位置，實(shí)現(xiàn)交互式漫游行走，也可按照自動(dòng)彈出的引導(dǎo)文字走入車間、啟動(dòng)空氣錘、取出并放置工件、連續(xù)打擊、移開工件、關(guān)閉空氣錘的步驟，整體性地體驗(yàn)鍛造車間中的自由鍛造過程。虛擬鍛造過程中，系統(tǒng)通過文字提示，告知使用者鍛造實(shí)習(xí)的操作方式和操作流程，如圖2所示。

圖2 操作方式的提示信息

鍛件在加工過程有不同的加工狀態(tài)，不同的溫度以鍛件的顏色變化顯現(xiàn)出來，墩粗加工的過程則以鍛件的形狀變化顯現(xiàn)出來，圖3為不同狀態(tài)的鍛件。

圖3 鍛壓過程不同的鍛件狀態(tài)

如圖4所示，虛擬鍛造系統(tǒng)還會(huì)引導(dǎo)使用者改變空氣錘外殼的透明度，觀察空氣錘內(nèi)部的工作原理。

圖4 外殼透明后的空氣錘內(nèi)部機(jī)構(gòu)原理

3 結(jié) 語

本文通過Unity3D交互式開發(fā)引擎，結(jié)合實(shí)訓(xùn)情況，對(duì)鍛造工藝過程進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，建立了虛擬鍛造車間，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)訓(xùn)練中鍛造工藝基本流程的虛擬仿真，并輔以文字信息，通過良好的交互性引導(dǎo)使用者按正確步驟完成實(shí)驗(yàn)。

與傳統(tǒng)實(shí)物鍛壓實(shí)驗(yàn)相比，虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)不依賴真實(shí)的設(shè)備，沒有真實(shí)試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。同時(shí)，在用戶體驗(yàn)效果上有較大的提升，舒適性、易用性較強(qiáng)，自由度高，沉浸性好。體驗(yàn)該系統(tǒng)之后，學(xué)生對(duì)鍛造工藝的加工原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程、工藝操作等方面都可以獲得更清晰、深入的理解。

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·名人名言·

最有價(jià)值的知識(shí)是關(guān)于方法的知識(shí)。

——達(dá)爾文

Development of a Virtual Reality Interaction Based Virtual Forging Workshop

LIJingrong,NIJianlong,CHENRuiqi,LIZheng,SUNJiazheng,GONGRuiqing,ZHUZhenbo

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640，China)

Forging is one of the widely-applied machining processes. It is also a mandatory teaching and training course for mechanical engineering discipline. However, due to its high risk and equipment cost involved, it is difficult for students to have satisfactory learning and training experiences. By introducing virtual reality (VR) technology, this work presented the design and development of a VR-based forging workshop for a typical open-die forging process. By analyzing the environment and process of engineering training, the software interactive paradigm was designed firstly. And then, 3D models of the virtual environment and forging machine were built with Unity3D, which was the developed engine for this work. Finally, a virtual open-die forging process was realized with interactive text guide. The implementation of this virtual forging workshop not only realizes the training function, but also provides the students a far better learning and training experience of forging processes.

virtual reality; forging process; Unity3D; practical system

2016-09-10

2013年度中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)本科生自主選題項(xiàng)目，2014年度廣東教育教學(xué)成果獎(jiǎng)培育項(xiàng)目。

李靜蓉(1973-), 女，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)。

Tel.：020-87110132；E-mail：lijr@scut.edu.cn

TH 164

A

1006-7167(2017)04-0087-03