馮立艷，　關鐵成，　何世偉，　李宗巖

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210 )

0　引　言

隨著高校教育體制的深入改革，招生人數(shù)的不斷擴大，實驗室的設備及規(guī)模已經不能滿足日益增長的教學需要[1]。伴隨計算機技術、信息技術、網絡技術、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬實驗受到了廣泛重視，同時網絡教育作為一種新興的教育形式得到了快速發(fā)展[2-3]。因機械設備內部結構復雜，反復拆裝易造成零件損壞、人員受傷等，故開發(fā)機械學科的虛擬實驗系統(tǒng)有著廣闊的市場前景[4-5]。

國內有些學者對機械學科的虛擬實驗平臺做了研究與開發(fā)。吳青鳳等[6]開發(fā)了基于VB的減速器虛擬拆裝平臺，彌補了傳統(tǒng)減速器拆裝實驗的不足，但該平臺拆裝演示部分，依靠調用SolidWorks保存的AVI格式視頻，學生無法任意控制拆裝演示的速度和觀察角度。王世超[7]提出了在 HTML5 標準下建立水輪機虛擬裝配系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的拆裝約束存在一些缺陷。鄔宗鵬[8]基于Virtools 軟件開發(fā)減速器虛擬拆裝實驗教學平臺，但拆裝操作性較差。

本文以傳統(tǒng)的真實實驗為依據(jù)，將三維建模軟件SolidWorks、編程語言C#、虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎Unity3D有機集成，采用虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)和增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)技術，開發(fā)了形象逼真、便于操作的機械基礎虛擬實驗平臺，達到了虛實結合、以虛促實的預期目的，徹底解決了實驗設備短缺，實驗場地和實驗時間受限等問題。

1　機械基礎虛擬實驗平臺總體框架

1.1　虛擬實驗平臺的總體框架及開發(fā)流程

圖1為機械基礎虛擬實驗平臺的總體框架及開發(fā)流程。由于Unity3D軟件平臺不具備構建復雜幾何模型的功能，故采用三維建模工具 SolidWorks進行幾何建模，然后將幾何模型導入 3D Max中，利用3D Max進行貼圖、烘培和材質渲染，構建逼真感強的模型，將模型保存成 FBX 格式導入到 Unity 3D 的資源文件夾 Assets中。在Unity3D虛擬現(xiàn)實平臺中，需要根據(jù)交互和運動控制的需求，構建虛擬模型的層次數(shù)據(jù)結構，對每個模型的父子關系進行設定，構建復合邏輯的模型樹層次關系。實驗的具體操作和場景需通過C#編程來實現(xiàn)。

圖1虛擬實驗系統(tǒng)的整體框架圖

目前，該平臺包括減速器(一級圓柱齒輪減速器、二級展開式圓柱齒輪減速器、二級同軸式圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、圓錐圓柱齒輪減速器共5種)的虛擬裝拆、發(fā)動機的虛擬裝拆、平面連桿機構的創(chuàng)意設計及虛擬仿真等。每個虛擬實驗均分為認知和實戰(zhàn)兩部分。認知部分用于引導學生自主學習，以掌握實驗的具體操作方法，為實戰(zhàn)做準備。包括實驗目的、注意事項、實驗指導等。

1.2　開發(fā)軟件的選擇及接口

當今比較流行的虛擬仿真教學開發(fā)軟件主要有Virtools、Quest3D、LabVIEW、Eon和Unity3D等。雖然前4種也能開發(fā)虛擬仿真實驗平臺，但只能發(fā)布成單機版或網頁版，而且維護難度較大，應用范圍受到極大限制[9]。而Unity3D技術則使用面向對象技術，相對簡單的就能夠開發(fā)出虛擬仿真教學系統(tǒng)，同時該開發(fā)引擎還支持Windows、Mac、Wii、iPhone、Android、Web網頁等平臺[10]。開發(fā)者可以任意選擇所需要發(fā)布的平臺，從而實現(xiàn)只需開發(fā)一次，就可實現(xiàn)在單機、網頁、移動終端及其他平臺同時使用的要求[11]。

Unity3D支持的編程語言有JavaScript、C#和Boo。用戶可以根據(jù)需要選擇編程語言，腳本之間可以相互調用[12]。JavaScript是用戶端腳本語言，相對Java語言比較簡單，編程效率較高；C#是一種面向對象的、運行于.NET Framework之上的高級程序設計語言，符合人的思維習慣，適合編寫復雜程序[13-14]。綜合考慮，本課題采用C#編程。

Unity3D幾乎支持所有主流的3D模型文件格式，例如.FBX、.OBJ等格式，在3D Max、 Maya等軟件中制作并導出的模型文件，添加到項目資源文件夾中，Unity3D會自動刷新資源列表，模型就會出現(xiàn)在Assets面板中并供使用[15]。

2　二級斜齒圓柱減速器虛擬裝拆實驗的關鍵功能模塊實現(xiàn)

2.1　三維模型的構建

二級斜齒圓柱減速器主要包括3類零件，即軸類(高速軸、中間軸、低速軸等)、盤類(齒輪、套筒、封油盤等)和箱體類(箱蓋、箱座)[16]。采用SolidWorks，使用拉伸、旋轉、挖切和打孔等諸多造型方法構建了準確的各零部件三維模型，其主要部件的三維模型及編號如表1和圖2所示。

2.2　約束關系及裝拆路徑規(guī)劃

拆卸是裝配的反過程，無論是裝還是拆，都必須遵循一定的順序，就如同必須先裝上軸承端蓋，才能擰上其固定螺釘一樣。減速器的裝配順序如圖3所示，分別為高速軸組件、中速軸組件、低速軸組件、箱蓋組件、箱座組件和總體裝配的路徑規(guī)劃圖。圖中，P表示零部件，A是組件，e是用字符串表示的裝配條件。

2.3　虛擬自動拆裝功能的實現(xiàn)

為了讓初學者提前了解減速器的拆裝順序，需要在虛擬實驗平臺中實現(xiàn)自動拆裝的功能，而Unity 3D引擎外部插件iTween 能方便地實現(xiàn)該功能。它主要是運用數(shù)值插值的原理，處理模型從起始點到結束點之間的運動軌跡。如圖4(a)所示，為自動拆裝場景，通過按鈕控制減速器的裝配與拆卸，通過攝像機的位置和旋轉角度實現(xiàn)多角度觀察自動拆裝的過程。

表1　零部件名稱及編號

(a)高速軸(b)中速軸(c)低速軸(d)總裝圖

圖2　減速器的三維模型

　(d) 低速軸

(f) 總體裝配

圖3減速器的裝配路徑

下行為用于實現(xiàn)物體移動的代碼：

iTween.MoveTo(GameObject,iTween.Hash("position", Vector3, "time", float1, "delay", float2));

這里，GameObject—執(zhí)行命令的對象；Vector3—對象運動的目標位置；float1—從原來位置移動到目標位置的時間；float2—開始移動時的延遲時間。

2.4　虛擬拆裝場景的設置

虛擬場景主要分為虛擬裝配和虛擬拆卸兩個場景，拆卸邏輯與約束是裝配的逆過程。故只介紹虛擬裝配場景設置的技術關鍵。

在裝配場景中進行手動裝配時，除了基準零件(圖3中，每個拆裝路徑圖的第一個零件為基準零件，分別是P5、P6、P20、P22、P33和A5)外，其余零件都需隱藏。零部件的安裝位置靠碰撞器控制。如圖4(b)所示，根據(jù)軸上零件的位置，給軸添加a、b、c三個橢圓碰撞器，左側的封油盤和軸承被碰撞器a包圍、中間部位的鍵和大齒輪被碰撞器b包圍、右側的封油盤和軸承被碰撞器c包圍，橢圓的尺寸控制著裝配時的精準位置，即只有把待裝配的零部件放在橢圓尺寸以內時才被認可。跟隨鼠標移動的零件，是通過實例化得到的，如圖4(c)所示。當主攝像機發(fā)出的射線碰到碰撞器上(鼠標點擊到碰撞器上)，對應的零件則從隱藏模式變成顯示模式，跟隨鼠標實例化的零件就此消失。

從主攝像機發(fā)射出到鼠標點擊位置的射線代碼為：

Ray ray=Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);

在場景中，必須使實例化的零件，能靈活地跟隨鼠標在屏幕上移動。需要將世界坐標轉化成屏幕坐標，采取的辦法是：在sence視圖中添加一個很小Cube，并將其放到坐標為(0,0,0)的位置。其主要代碼為：

screenSpace=Camera.main.WorldToScreenPoint(GameObject.transform.position);

CompPos=Camera.main.ScreenToWorldPoint(newVector3(Input.mousePosition.x,Input.mousePosition.y,screenSpace.z));

這里，screenSpace—屏幕坐標；CompPos—世界坐標；GameObject—Cube；

2.5　虛擬裝拆編程

從頭到尾進行各個零部件的虛擬裝配和拆卸，來模擬替代真實的裝配或拆卸過程。通過虛擬裝拆，不僅觀察設備的外部形態(tài)，更重要的是分析其內部結構，深入研究其組成和結構特征、配合關系，思考其設計意圖。若拆、裝順序不對，則不能往下進行，并彈出錯誤警示。

如圖3所示，e1—e35是裝配條件，比如在圖3(f)中，A1裝配完畢，再裝A2需要滿足條件e26，才可裝配成功。每一次的裝配成功都會為相關字符串重新賦值，所賦值也恰巧是下一組的裝配條件。保證了裝配實驗的有序操作。

(a)(b)(c)(d)

圖4虛擬實驗場景的功能圖

2.6　手機二維碼及操作

整個零件拆裝過程中，菜單欄上方會有對應的二維碼圖片切換，通過增強現(xiàn)實技術開發(fā)的手機APP掃描該二維碼，對應的3D零件可在手機屏幕顯示，可對其任意旋轉，多角度觀察，如圖4(d)所示。

通過Vuforia官網獲取Vuforia SDK和制作Database，并將其導入Unity3D中，將Unity3D中的三維零件與對應的ImageTarget結合，即可發(fā)布對應的手機APP，有時手機攝像頭掃描圖片的時候，會出現(xiàn)攝像頭不能準確識別二維碼圖片，需要開發(fā)自動對焦攝像頭的腳本文件 ，其腳本的主要代碼如下：

CameraDevice.Instance.SetFocusMode(CameraDevice.FocusMode.FOCUS_MODE_CONTINUOUSAUTO);

因Unity3D可發(fā)布多個平臺，所以整個平臺也可以在手機上運行，解決了學生異地操作等問題。

3　結　語

把當今最流行的VR技術與AR技術融入到機械基礎實驗教學中，將SolidWorks、C#、Unity3D有機集成開發(fā)的近于真實的虛擬實驗系統(tǒng)，提高了學習興趣和學習主動性，方便異地學習與操作，解決了實驗設備短缺，實驗場地不足，學生動手操作危險等限制條件，可實現(xiàn)資源共享，有力促進機械原理及機械設計的實驗教學。本文詳細闡述了開發(fā)過程中遇到的關鍵問題及解決方法、各種軟件的集成方法等，這些技術可為開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)的同仁們提供參考。

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