基于虛擬現(xiàn)實的機械零部件裝配實驗室開發(fā)

徐衛(wèi)國，張 良，張 法

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

基于虛擬現(xiàn)實的機械零部件裝配實驗室開發(fā)

徐衛(wèi)國，張 良，張 法

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

高職院校工科機械類專業(yè)學(xué)生對機械零部件認識、表達及裝配問題普遍缺乏感性認識，虛擬實驗室可彌補實驗室實際設(shè)備的不足，提升學(xué)習(xí)效率。本軟件開發(fā)依托Visual Studio 2010、VC++、VRP等軟件和PC硬件設(shè)備搭建零部件展示平臺，具有顯示精度高、質(zhì)感好、實時交互性比較強的特點。軟件構(gòu)建思路是：先采用三維造型軟件SOLIDWORKS實體建模，再將造型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dsmax，對模型修改優(yōu)化和烘焙渲染，最后在VRP中進行虛擬場景設(shè)計，實際使用效果達到設(shè)計要求，受到學(xué)生歡迎。

虛擬現(xiàn)實；三維建模；部件裝配；VR-Platform

機械零部件是高職工科機電類（含機械、機電、模具、數(shù)控等）專業(yè)重要的研究對象，典型機械零部件的表達、拆裝是學(xué)生必須要掌握的一項重要職業(yè)技能。一般傳統(tǒng)機械零部件的裝拆基本在拆裝實驗室或?qū)嵙?xí)車間（工廠）完成，由于設(shè)備笨重體積大，裝拆不便，內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示受到限制，加之適合教學(xué)的零部件數(shù)量較少，一定程度上影響學(xué)習(xí)了學(xué)習(xí)效果。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)虛擬可視化技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室的研發(fā)越來越受到重視，現(xiàn)就虛擬現(xiàn)實的技術(shù)背景和本軟件的開發(fā)過程作簡單介紹。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)介紹

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality)是利用電腦產(chǎn)生一個三度空間虛擬環(huán)境，人們可以在仿佛置身于虛擬環(huán)境中的活動，虛擬環(huán)境中的物體也能與使用者產(chǎn)生互動。使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程上逐漸受到開發(fā)與重視。在建筑上可模擬建筑物代替模型場景制作，在產(chǎn)品設(shè)計上，可將產(chǎn)品展示在虛擬環(huán)境中，省卻制造原型產(chǎn)品成本。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)種類，就呈現(xiàn)方式主要分為四類：融入式虛擬現(xiàn)實（Immersion VR）、桌上型虛擬現(xiàn)實（Desktop VR）、第三人稱虛擬現(xiàn)實（Third Person VR）和投影式虛擬現(xiàn)實（Projection VR）。

虛擬現(xiàn)實應(yīng)用廣泛，醫(yī)學(xué)方面可利用斷層掃描、核磁共振、超聲波等掃描得到的平面影像建成立體模型，再以虛擬現(xiàn)實重現(xiàn)；科學(xué)研究方面可用于實驗?zāi)M，如虛擬風(fēng)洞、分子架構(gòu)等；教育訓(xùn)練方面，可利用虛擬現(xiàn)實讓訓(xùn)練更生動、減低學(xué)習(xí)成本，取得更好學(xué)習(xí)效果，如虛擬教室等，本軟件就是虛擬現(xiàn)實的一個應(yīng)用；工程應(yīng)用方面，虛擬現(xiàn)實可用于CAD/CAM領(lǐng)域，用來加速產(chǎn)品開發(fā)降低生產(chǎn)成本；商業(yè)應(yīng)用及娛樂應(yīng)用，如VR眼鏡等。

本軟件“機械零部件裝配實驗室”，依托Visual Studio 2010、VC++、虛擬現(xiàn)實平臺VRP等軟件，結(jié)合PC硬件開發(fā)而成。

2 總體框架和基本功能

分析原有學(xué)校機械零件實驗室及設(shè)備拆裝實驗室硬件環(huán)境，學(xué)生做實驗的一般流程，應(yīng)該具有的基本功能：

2.1 實驗教學(xué)管理功能

實體環(huán)境實驗環(huán)境和要求，建立集實驗管理、教學(xué)和答疑功能為一體的虛擬仿真平臺（如圖1所示），使原來傳統(tǒng)實踐教學(xué)擴展為創(chuàng)新平臺實習(xí)，提高學(xué)員實踐技能水平。

圖1 實驗室教學(xué)管理

2.2 實驗內(nèi)容演示操作互動功能

軟件能夠根據(jù)課程教學(xué)大綱要求，交互演示典型機械部件工作原理和過程（如千斤頂?shù)纳仙⑾陆担?，交互演示部件的拆卸和裝配，能夠自己動手裝配和拆卸裝配體（操作者在虛擬場景中移動零件，體驗裝配和拆卸）。針對機械部件實行虛擬裝配與和虛擬拆卸仿真，系統(tǒng)人機界面（HMI）組成如圖2所示。

圖2 實驗室HMI界面組成

2.3 軟件的技術(shù)實現(xiàn)

（1）對象分析。本軟件實驗素材從機械類專業(yè)教材和實踐教學(xué)中進行篩選，精心挑選具有典型意義的十個裝配體（①千斤頂、②滑動軸承、③銑刀頭、④油壓閥、⑤機用虎鉗、⑥轉(zhuǎn)子油泵、⑦夾線體、⑧換向閥、⑨鉆模、⑩安全閥），對其零部件的形狀特征、內(nèi)外結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程、裝拆順序等進行分類和分析。

以千斤頂（如圖3所示）為例，分析以下元素種類（螺旋式和液壓式；整體式和分離式）、原理（斜面摩擦自鎖機械原理）、組成（手柄、螺桿、升降套、機架、底座等）、應(yīng)用（結(jié)構(gòu)緊湊、攜帶方便、操作方便、廣泛應(yīng)用于車間、倉庫、碼頭、工地、礦井等場所、支撐、起重或移動重物）、結(jié)構(gòu)（回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)加標(biāo)準(zhǔn)件為主）、表達（裝配體主視圖全剖、俯視圖拆卸畫法、其他局部視圖等）等方面進行研究分析；特別是裝拆順序（拆卸依次螺釘、擋圈、螺桿、螺母、頂墊、底座）。

圖3 千斤頂裝配體分析

裝配采用自下而上、由簡至繁的方法，對簡單零部件提供單獨進行裝配，之后再裝配上一級零部件，最后再進行整機裝配。這樣既方便學(xué)生深入認識學(xué)習(xí)千斤頂各層次結(jié)構(gòu)，又可在逐級裝配過程中，在開發(fā)環(huán)境中逐步隱藏部件的內(nèi)部零件，以降低系統(tǒng)開銷。

（2）關(guān)鍵過程。通過對裝配體分析，解決要實現(xiàn)的裝拆功能，設(shè)計運行腳本語言及軟件的具體內(nèi)容，如裝配體的安裝及拆卸順序的動畫、路線規(guī)劃、需要實現(xiàn)的消隱、剖視等要展示功能的內(nèi)容。根據(jù)以上分析，選擇合適的軟件開發(fā)平臺，本軟件選用Visual Studio 2010、VC等軟件構(gòu)建，首先利用三維工程設(shè)計軟件（AUTOCAD、SOLIDWORKS、UG、PRO/E、CATIA等）進行實體建模（方法：拉伸、掃掠、放樣、抽殼等），模型數(shù)據(jù)以xt等通用格式導(dǎo)出到3dmax中，然后在虛擬現(xiàn)實軟件中開發(fā)，下面以中視典（VRP）為例，說明模型導(dǎo)入到VRP后的過程。①建模。模型可由三維工程設(shè)計軟件建模后數(shù)據(jù)導(dǎo)入或由3dmax本身建立，注意模型的大小與真實一致，模型的數(shù)量不要太多太復(fù)雜，以減少場景的模型量與貼圖工作量，將模型、貼圖量的質(zhì)量和速度間做好平衡。②材質(zhì)添加。可使用庫中的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)和紋理貼圖，將物體烘焙為LightingMa、CompleteMap，貼圖允許使用jpg、bmp、png等格式。③燈光設(shè)置。按需要設(shè)置合理的燈光和陰影參數(shù)，一般使用VRaylight燈光設(shè)置，燈光參數(shù)通常按作圖的布光方式設(shè)置。④相機設(shè)置?？稍?dsMax中渲染，用3dsMax默認的渲染器Scanline渲染，也可用高級光照渲染，以加強真實感。⑤烘焙。在渲染后對場景進行烘焙，把3ds MAX中物體的光影以貼圖方式帶到VRP環(huán)境中，以求真實感。⑥VRP編輯。利用VRP-for-Max插件，把場景中的模型導(dǎo)出至VRP-Builder中。導(dǎo)入VRP后，可結(jié)合界面和腳本編輯器，制作出豐富絢麗的場景交互效果。⑦Exe打包。VRP-Builder中，用戶可方便地將場景從3dsMax中導(dǎo)出，在VRP-Builder中對最終產(chǎn)品進行編輯和運行預(yù)覽，還能將最終產(chǎn)品打包，編譯成獨立的Exe文件。⑧合成發(fā)布。虛擬場景設(shè)計完成后（VR編輯、后期處理材質(zhì)、時間軸設(shè)置、按鈕設(shè)計等），對軟件界面合成、測試、發(fā)布，軟件合成效果如圖4所示。

圖4 千斤頂虛擬展示

3 軟件開發(fā)的意義

研究利用先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代三維CAD技術(shù)創(chuàng)建的機械部件虛擬裝配實驗室，解決了傳統(tǒng)實驗室部件體積大，拆裝不便；部件數(shù)量較少，更新擴充不便，無法交互展示，不便學(xué)生課后學(xué)習(xí)的缺點，與實體實驗室相互補充，可突破時間空間限制，提供開放便利的使用環(huán)境，可緩解實驗設(shè)備緊張，節(jié)省資金，虛擬部件精度高、質(zhì)感好、形象逼真、實時動態(tài)觀察展示，激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)習(xí)效率，具有公共平臺的作用和意義，軟件項目成果可在我院機械制造專業(yè)群各專業(yè)中使用，對其它專業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)提供借鑒意義。

［1］張良，徐衛(wèi)國.基于VB環(huán)境的機械零部件圖紙庫的開發(fā)［J］.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2016，（11）.

［2］徐衛(wèi)國.基于SolidWorks的機械制圖虛擬模型庫教學(xué)應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2008，（31）.

［3］中視典發(fā)布虛擬現(xiàn)實平臺軟件VRP12.0［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012，（6）.

Development of Mechanical Parts Assembly Laboratory Based on Virtual Reality

XU Wei-guo，ZHANG Liang，ZHANG Fa
（Jiangyin Vocational and Technical College，Jiangyin，Jiangsu 214405，China）

In this paper，the students of engineering machinery in vocational colleges are not aware of the sensibility of the understanding，expression and assembly of mechanical parts.The virtual laboratory can make up the shortage of laboratory equipment and improve the learning efficiency.This software development relies on Visual Studio 2010，VC++，VRP and other software and PC hardware equipment to build parts display platform，with high precision，good texture，real-time interactive relatively strong features.The software construction idea is to use the 3D modeling software SOLIDWORKS solid modeling，then the modeling data into 3Dsmax，the model to modify and optimize the baking rendering，and finally carries out virtual scene design in the VRP，which makes the actual use of the results to meet the design requirements，welcomed by students.

virtual reality；3D modeling;component assembly；VR-Platform

TP391.72

A

2095-980X（2017）04-0072-02

2017-03-09

本文系江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目“基于虛擬現(xiàn)實的機械部件裝配實驗室”（項目編號：15-E-JD-22），江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生科研基金項目“零件圖自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)”的研究成果。

徐衛(wèi)國（1965-），男，江蘇江陰人，副教授，主要研究方向：機械、圖學(xué)，CAD/CAE。