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        基于虛擬現(xiàn)實(shí)的3D鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

        2021-02-15 12:57:06陳清奎胡彥超
        模具工業(yè) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:鼠標(biāo)虛擬現(xiàn)實(shí)車間

        季 娟,陳清奎,王 利,胡彥超

        (山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

        0 引言

        鑄造是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可代替的產(chǎn)業(yè),讓學(xué)習(xí)者進(jìn)入車間學(xué)習(xí)是必不可少的過程,目前高校的學(xué)習(xí)仍是課堂理論知識(shí)與鑄造車間實(shí)習(xí)相結(jié)合的方式以加強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造的理解,實(shí)際的鑄造車間對(duì)初學(xué)者是陌生龐大,易導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。在鑄造課程中,鑄造方式繁多,知識(shí)點(diǎn)較為瑣碎,學(xué)習(xí)者難以理解消化,而鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)將知識(shí)點(diǎn)分條細(xì)化,有邏輯性地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前;鑄造車間環(huán)境復(fù)雜,鑄造過程危險(xiǎn)系數(shù)較大,在系統(tǒng)中模擬鑄造過程可降低實(shí)際的危險(xiǎn)系數(shù)。

        3D鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)展示鑄造車間,讓學(xué)習(xí)者置身于沉浸、交互和想象于一體的虛擬車間中。系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺等模擬感受的人機(jī)交互,既防止學(xué)習(xí)者在實(shí)習(xí)過程中發(fā)生意外又可以加強(qiáng)其對(duì)鑄造知識(shí)的理解。

        1 鑄造車間的開發(fā)

        1.1 開發(fā)目的

        教學(xué)系統(tǒng)依據(jù)鑄造的理論知識(shí),還原了鑄造車間、加工設(shè)備以及造型工具。學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)與鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)室內(nèi)漫游行走、了解鑄造的整體過程、對(duì)鑄件進(jìn)行加工改造,真實(shí)還原鑄造流程。為幫助學(xué)習(xí)者循序漸進(jìn)地接納新知識(shí),鑄造仿真系統(tǒng)分為基本知識(shí)、基本操作、知識(shí)拓展、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)題五大模塊,知識(shí)層面逐級(jí)遞進(jìn),實(shí)現(xiàn)鑄造知識(shí)的自主獲取與學(xué)習(xí)。

        1.2 功能介紹

        (1)基礎(chǔ)知識(shí)模塊。系統(tǒng)通過文字、視頻與動(dòng)畫的形式,對(duì)鑄造的基本概念、技術(shù)要求、工藝過程、常用設(shè)備工具以及造型工具進(jìn)行了詳細(xì)講解。學(xué)習(xí)者將鼠標(biāo)放置在想要了解的造型工具上,工具會(huì)出現(xiàn)高亮效果,點(diǎn)擊可進(jìn)入知識(shí)講解。圖文結(jié)合的介紹能加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的理解。

        (2)基本操作模塊。系統(tǒng)給出了5種造型的詳細(xì)講解,通過動(dòng)畫真實(shí)地還原了鑄造的操作步驟。鑄造車間內(nèi)的漫游方式由鍵盤進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景內(nèi)的前后左右及升降動(dòng)作[1]。

        (3)知識(shí)拓展模塊。系統(tǒng)展示了特種鑄造方法與鑄件質(zhì)量檢驗(yàn),4種鑄造方法均以動(dòng)畫視頻的方式展現(xiàn),鑄造質(zhì)量檢驗(yàn)中利用3D建模技術(shù)展示了3種檢測(cè)器與6種缺陷鑄件,簡(jiǎn)潔明了,給學(xué)習(xí)者帶來直觀的視覺體驗(yàn)。

        (4)仿真實(shí)訓(xùn)模塊。系統(tǒng)展示了鑄造需要的基本工具,學(xué)習(xí)者根據(jù)系統(tǒng)提示選擇當(dāng)前步驟所需工具,并用鼠標(biāo)拖拽的方式放置到正確的位置。此模塊帶有一定的娛樂性與趣味性,能激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。

        (5)實(shí)訓(xùn)自測(cè)題模塊。系統(tǒng)收集了鑄造的易錯(cuò)知識(shí),以判斷題的形式對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行檢測(cè),目的是對(duì)鑄造知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

        以上每個(gè)模塊均可滿足學(xué)習(xí)者針對(duì)鑄造知識(shí)的不同需求。

        1.3 結(jié)構(gòu)分析

        鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是以鑄造實(shí)訓(xùn)的基本知識(shí)為基礎(chǔ),結(jié)合三維建模平臺(tái)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),以“VR+教育”模式打造一套完整的鑄造仿真教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含基本知識(shí)、基本操作、知識(shí)拓展、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)題五大模塊[2],如圖1所示,基本知識(shí)包括鑄造概念、砂型鑄造工藝過程、澆注系統(tǒng)與冒口、常用設(shè)備工具;知識(shí)拓展主要展示特種鑄造方法與鑄件質(zhì)量檢驗(yàn);基本操作是以分步驟的形式分別展示整模造型、分模造型、挖沙造型、活塊造型及三箱造型,而仿真實(shí)訓(xùn)以人機(jī)交互的形式進(jìn)行鑄造仿真實(shí)訓(xùn)操作。

        圖1 鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成

        1.4 開發(fā)流程

        鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)依據(jù)真實(shí)比例還原模型,Solidworks與3Ds Max三維建模平臺(tái)完成鑄造實(shí)訓(xùn)車間及機(jī)床建模,構(gòu)建模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中模型的優(yōu)化與坐標(biāo)軸調(diào)整應(yīng)用3Ds Max,可在保持模型精度的條件下對(duì)模型無法直接展示的部分進(jìn)行畫面刪減,減小存儲(chǔ)體積[3]。

        借助Photoshop軟件完成貼圖制作及界面設(shè)計(jì),在Flash插件與3Ds Max中實(shí)現(xiàn)視頻渲染與動(dòng)畫制作,并將繪制完成的模型及動(dòng)畫導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中,選擇程序編寫工具Visual Studio,選擇C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)交互功能[4],經(jīng)過調(diào)試、測(cè)試,最終打包發(fā)布。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

        2 關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 界面設(shè)計(jì)

        為方便學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的使用與了解,系統(tǒng)界面通過UI設(shè)計(jì),利用Photoshop軟件對(duì)界面進(jìn)行整體美工與優(yōu)化。由于知識(shí)點(diǎn)繁多,系統(tǒng)設(shè)置了一級(jí)、二級(jí)與三級(jí)菜單,鼠標(biāo)點(diǎn)擊相對(duì)應(yīng)按鈕即可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)模塊。菜單以列表的形式進(jìn)行有邏輯性的展示,交互界面友好,使整個(gè)系統(tǒng)清晰明了,學(xué)習(xí)者操作體驗(yàn)感良好。

        2.2 模型建立及優(yōu)化

        在鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中,借助Solidworks軟件繪制車間的總體模型,根據(jù)在鑄造車間的考察,調(diào)整機(jī)床、機(jī)器、模具及各種工具的擺放位置。由于Solidworks建立的模型為實(shí)體模型,導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中需要處理的數(shù)據(jù)量較大,因此,將三維模型以STL格式輸出,并導(dǎo)入3Ds Max中,實(shí)體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為三角面模型,降低Unity平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理量,完成模型優(yōu)化[5-7]。

        為了讓學(xué)習(xí)者在鑄造車間中有身臨其境的感覺,對(duì)優(yōu)化后的模型附著貼圖,圖庫(kù)如圖3所示。繪制完成的鑄造仿真車間以FBX格式導(dǎo)出,鑄造仿真車間如圖4所示。將導(dǎo)出的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D中,并在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中附著材質(zhì)。

        圖3 貼圖圖庫(kù)

        圖4 鑄造仿真車間

        2.3 交互技術(shù)

        Unity 3D平臺(tái)選擇C#語(yǔ)言進(jìn)行程序的開發(fā)與發(fā)布。鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的交互功能由程序腳本與按鈕、交互部件相互關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)[8]。為了避免穿墻現(xiàn)象在漫游時(shí)發(fā)生,破壞學(xué)習(xí)者在鑄造車間的沉浸感,系統(tǒng)內(nèi)也采用了碰撞檢測(cè)技術(shù)[1]。

        3 系統(tǒng)測(cè)試

        對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試是為了檢測(cè)系統(tǒng)是否具有合理性與可操作性,若三級(jí)菜單所在界面不存在失誤與紊亂,則說明系統(tǒng)開發(fā)成功且運(yùn)作正常,該仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基于PC端進(jìn)行教學(xué)[1],圖5所示為測(cè)試的界面。

        圖5 測(cè)試界面

        (1)進(jìn)入一級(jí)菜單選擇界面,鼠標(biāo)點(diǎn)擊任意模塊進(jìn)入。

        (2)鼠標(biāo)隨意放置在鑄造常用工具上會(huì)出現(xiàn)高亮效果,點(diǎn)擊工具會(huì)出現(xiàn)其模型與介紹。

        (3)“基本操作”模塊中選擇“整模造型”,系統(tǒng)自動(dòng)演示鑄造過程,且每一個(gè)步驟配合文字詳解,此模塊通過鍵盤控制可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)的漫游。

        (4)選擇“鑄件缺陷分析”三級(jí)菜單,系統(tǒng)給出相應(yīng)帶有缺陷模型并在右上角給出缺陷原因。

        (5)“仿真實(shí)訓(xùn)”模塊中,界面下方給出了鑄造的常用工具,學(xué)習(xí)者可以按照鑄造順序選擇工具進(jìn)行操作。

        經(jīng)過實(shí)際測(cè)試,鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以滿足學(xué)習(xí)者對(duì)鑄造知識(shí)的需求,且與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合是該系統(tǒng)最突出的特點(diǎn),能通過直觀感受加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的理解。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        鑄造仿真系統(tǒng)參考實(shí)體鑄造車間,結(jié)合鑄造課程培訓(xùn)大綱,借助三維建模軟件,虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開發(fā)的鑄造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)涵蓋了鑄造概念、工藝過程、常用工具、各種鑄造方法、仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)訓(xùn)自測(cè)等。這種“VR+教育”的教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)教學(xué)方式,不僅提高了教師的教學(xué)效率,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)者不受時(shí)間和地點(diǎn)限制的自主與反復(fù)學(xué)習(xí),為當(dāng)代學(xué)習(xí)者提供了實(shí)質(zhì)性的平臺(tái)資源與學(xué)習(xí)保障[9]。

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