Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實驗教學(xué)平臺中的應(yīng)用

鄔宗鵬（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

Virtools軟件在開發(fā)減速器虛擬拆裝實驗教學(xué)平臺中的應(yīng)用

鄔宗鵬
（安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002）

以減速器拆裝實驗教學(xué)平臺為例，展示了Virtools軟件在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其開發(fā)步驟，制作出的虛擬實驗仿真文件具有極強的交互性及靈活性，為機械設(shè)計課程教學(xué)及學(xué)生自學(xué)提供了幫助。

Virtools；減速器拆裝；虛擬現(xiàn)實；實驗教學(xué)

由法國達索公司發(fā)布的虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件Virtools，是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件，可以制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計算機游戲、多媒體、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等，具有功能強大、畫面質(zhì)量高、接口豐富及支持眾多硬件的優(yōu)點［1］。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，減速器作為機械設(shè)計課程中典型的實驗設(shè)備，拆裝過程十分重要，但由于實驗課時有限、設(shè)備數(shù)量不足等原因，設(shè)備拆裝幾乎省去，這在一定程度上影響了教學(xué)質(zhì)量，造成理論與實踐脫節(jié)、效果不明顯的現(xiàn)象，因此，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開發(fā)了減速器虛擬實驗教學(xué)平臺，作為豐富教學(xué)手段的一種是途徑。

一、平臺設(shè)計思路

建立一個能夠演示直齒輪減速器拆裝過程的虛擬操作平臺，參閱相關(guān)圖紙和減速器實物零件測量，搜集相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)、圖片和音頻信息，使用Pro／E軟件建立減速器的三維實體模型，相較于3DMAX、Pro／E在尺寸精度控制等方面更加方便，更加適合機械零部件的建模。

建立的三維模型如圖1所示，為了更加清晰的展示減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對上箱體進行了透明處理。模型建立完成之后通過3DMAX軟件導(dǎo)入到Virtools軟件。在Virtools中進行實時渲染、界面設(shè)計、交互腳本編寫等交互設(shè)置，最后進行發(fā)布輸出。工作流程如圖2所示。

圖1 減速器三維模型圖

圖2 工作流程圖

二、平臺開發(fā)步驟

1.減速器三維模型導(dǎo)入Virtools

將Pro／E軟件制作的減速機零件及裝配三維模型保存為stl文件格式，然后直接導(dǎo)入到3DMAX中。利用3DMax Eporter插件將max文件轉(zhuǎn)換成nmo格式文件，導(dǎo)入到Virtools中。

2.模型燈光及材質(zhì)設(shè)置

模型打開后是黑色的，因而首先需要設(shè)置模型的燈光和材質(zhì)。Virtools里燈光有三種類型：Point（點光源）、Spot（聚光燈）和Directional（平行光），這三種類型光源需要合理搭配使用，才能建立逼真的現(xiàn)實光影環(huán)境。燈光的建立主要是設(shè)置合理的位置和強度參數(shù)，注意需要勾選specular（反光）選項，渲染時模型材質(zhì)才會呈現(xiàn)高光反射的特性，更加逼真。

燈光建立完成后緊接著就是建立材質(zhì)，在Virtools中材質(zhì)主要包括模型材質(zhì)和圖片材質(zhì)，模型材質(zhì)貼圖主要是通過拍照和Photoshop來共同完成。圖片材質(zhì)是虛擬交互時的一些界面和標示的材質(zhì)，其主要是通過Photoshop制作完成。同時貼圖時需注意更改圖片的尺寸大小，用以降低文件的大小，提高讀取速度［2］。

3.平臺場景驅(qū)動

（1）標簽和界面。為了更好地輔助學(xué)生們熟悉減速器的結(jié)構(gòu)，編寫了如圖3（a）所示的腳本，效果是當鼠標指針指向某一部件時就可以顯示某一部件的名稱，鼠標移開時隱藏名稱。名稱是以2D frame形式顯示的。后面提到的界面、操作說明都是以show、hide兩種腳本來完成的。

圖3 主要腳本

（2）攝像機的設(shè)置。為了更加全面的虛擬體驗，視角的移動和旋轉(zhuǎn)必不可少，在Virtools中視角的改變是通過改變攝像機的位置和姿態(tài)來實現(xiàn)的，編寫了如圖3（c）、（e）所示的腳本。在圖3（c）中，該BB（Building Block行為模塊）使得攝像機可以沿著某一軌道進行旋轉(zhuǎn)，從而使視角進行旋轉(zhuǎn)。核心思路是當按下鼠標中鍵后，系統(tǒng)通過Get Mouse Displacement不斷的獲得鼠標移動的位移量，將獲得的位移量通過Multiplication進行數(shù)量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)值進行輸出，將此值輸出給攝像機的參考目標3D frame，這一點很關(guān)鍵，此時就可以實現(xiàn)攝像機能夠跟隨鼠標的移動而移動。

（3）拆卸和裝配。拆裝是平臺演示核心部分，采用直接在Virtools中驅(qū)動物體模型的方法，編寫如圖3（d）的腳本。驅(qū)動零部件在拆裝過程的移動、旋轉(zhuǎn)等動作，在過程中加入了Bezier Progression模塊，對旋轉(zhuǎn)和移動的變化速度進行調(diào)節(jié)，使得顯示效果更加真實自然。

4.操作按鈕

平臺系統(tǒng)的界面如圖4（a）所示。共有四個功能按鈕，分別是裝配、拆卸、暫停和關(guān)閉，點擊裝配或拆卸按鈕會出現(xiàn)如圖4（b）所示的效果。暫停按鈕是對減速器虛擬裝配過程作短暫停止，讓操作者清楚拆裝順序，關(guān)閉按鈕則表示退出整個操作平臺。

5.系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)制作完成以后，通過外掛程序 VirtoolsMakeExe.exe和CustomPlayer.exe文件將系統(tǒng)文件打包轉(zhuǎn)換成exe可執(zhí)行文件，這樣可以在Windows平臺上使用，方便以后查看和移植。此外，可將整個系統(tǒng)以vmo文件格式保存，再以HTML文件格式保存成另外一份，通過 Virtools Web Player插件發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。

制作的虛擬演示平臺的界面如圖4（a）、（b）所示，可以進行裝配、拆卸和演示等虛擬操作。

圖4 界面圖

三、結(jié)語

本文以Virtools軟件為基礎(chǔ)，開發(fā)了安全、無成本的減速器虛擬實驗教學(xué)平臺，既可打破時空的限制，又可使學(xué)生們獲得真實的體驗效果。展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)極其強大的功能以及虛擬實驗領(lǐng)域未來發(fā)展的巨大潛力，為后續(xù)的實驗教學(xué)提供了解決方法和思路。

［1］徐英欣，楊建文，張安鵬.Virtools虛擬互動設(shè)計實例解析［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［2］肖武，吳靜謐，冉慧麗，張永策，李煥，毛金群，賀高紅.基于Virtools的氨合成塔模擬及虛擬系統(tǒng)構(gòu)建［J］.實驗室研究與探索，2013，（32）：68-71.

Application of Virtools Software in the Reducer Assembly and Disassembly in Experiment Teaching

Wu Zong-peng
（Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243002，China）

This paper taking a reducer disassembly experiment teaching platform as an example，shows the application of Virtools software in the field of education and its development steps，the simulation file virtual experiment produced with interactivity and strong flexibility，provides help for teaching of mechanical design course and students＇self-study.

Virtools；reducer assembly and disassembly；virtual reality；experimental teaching

TP391.9；TH132.46

A

1672-0547（2015）02-0109-02

2015-03-02

鄔宗鵬（1980-），男，安徽六安人，安徽工業(yè)大學(xué)工程實踐與創(chuàng)新教育中心助理實驗師，碩士，研究方向：工程實踐教學(xué)、數(shù)控技術(shù)及快速成型技術(shù)。