基于虛擬現(xiàn)實交互的虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)設計

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 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

基于虛擬現(xiàn)實交互的虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)設計

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 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

鍛造工藝是一種應用廣泛的機械零件加工技術，也是高校機械類各專業(yè)必修的實踐訓練項目之一。由于鍛造工藝對安全性和設備投入有較高的要求，學生通過傳統(tǒng)的工程訓練環(huán)節(jié)難以獲得理想的教學效果。以典型的自由鍛造工藝為例，運用虛擬現(xiàn)實技術設計并開發(fā)了虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)。首先，通過對該工藝實習要求與工藝流程的分析，設計了虛擬實習系統(tǒng)的交互模式。然后利用Unity3D開發(fā)引擎設計并實現(xiàn)了鍛造車間環(huán)境和鍛機的虛擬樣機。最后，對鍛造工藝的具體步驟進行了合理設計，不僅實現(xiàn)了現(xiàn)有自由鍛造工藝實習的功能，而且通過虛擬交互并輔以文字信息指導實驗，使學生獲得了比傳統(tǒng)實物實習更好的效果。

虛擬現(xiàn)實； 鍛造工藝； Unity3D； 實習系統(tǒng)

0 引 言

鍛造工藝是一種應用廣泛的機械零件加工技術[1]，也是高校機械類各專業(yè)必修的實踐訓練項目之一。學生了解鍛造工藝的工藝流程、加工設備、操作技巧等并盡心實踐訓練，對提高其工程實踐能力和科研創(chuàng)新能力具有重要意義。傳統(tǒng)鍛造實踐教學主要是采用教師現(xiàn)場先講解示范，再輔助學生操作，最后訓練學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，鍛造操作實訓對設備投入和師資力量的要求都較高，并且設備的安全操作較難保證，存在一定危險性[3]。由于國內高校辦學規(guī)模逐漸擴大，運用先進實驗設備的成本愈來愈高，一些高校因為受到實驗空間、設備的限制，造成學生在機械制造工藝的實訓環(huán)節(jié)難以獲得理想的教學效果。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，VR)的不斷發(fā)展[4-6]，將VR技術應用到實驗實習教學中，能夠有效地緩解、解決上述問題。目前，國內已有高校嘗試將VR技術運用到機械制造工程訓練中[7-9]，但針對鍛造工藝的VR訓練系統(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]根據其本校教學中心實際情況提出了一種物理與仿真相結合的教學模式，操作在實際設備上進行，零件加工則利用仿真技術根據學生操作來完成。這種方法雖然能提高學生的學習效果和學習效率，但仍無法脫離對實際設備的依賴，且可移植性較差。魏東等[2,11]利用Java 3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境，對鍛造中的操作機、鍛件等關鍵部件進行仿真設計。該VR系統(tǒng)獲得了對鍛造設備操作方面很好的訓練效果，但是主要訓練的對象是技術工人，目的是提高工人的操作水平，因此，缺乏工藝原理、設備結構、加工過程這些對于高校學生來說非常重要的知識，因此，難以應用該系統(tǒng)對學生進行教學傳授。

根據高校工程訓練對虛擬鍛造系統(tǒng)的要求：需要較高的交互性來實現(xiàn)實訓效果，系統(tǒng)要可移植，能重復進行，且?guī)в性碇v解與展示、操作要領指示功能[12-14]，本文使用Unity3D交互式開發(fā)引擎，以自由鍛為例，建設基于虛擬現(xiàn)實技術的虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)。學生可以在虛擬鍛造車間中如同親身體驗般完成自由鍛造的實驗過程。該過程不僅可充分提高學生動手實踐的興趣，擴大傳授的知識信息量，提高教學效率和安全性，還可以大量節(jié)約實驗成本和能源消耗，更方便地實現(xiàn)實驗資源共享。

1 虛擬鍛造車間的設計與技術實現(xiàn)

1.1 交互模式設計

由于Unity3D引擎的模型控制主要以代碼驅動的方式為主，即運行時大部分功能都是利用腳本控制模型運動、動畫播放、材質改變的方式來實現(xiàn)，因此，本文借鑒Model(模型)，View(視圖)，Controller(控制器)，設計模式(MVC)[15]，來實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互。如圖1所示，學生(用戶)首先進入View視圖，即漫游場景，獲得系統(tǒng)提供的替代教師授課功能的指導性文字、箭頭。得到指導后，開始進行操作，所做的操作將以命令的形式傳遞到Controller中，該部分對用戶的操作指令進行分類、判斷，最后對Model進行相應的控制，如移動鍛件、空氣錘工作等。模型受到相應操作后，又會在View中顯示出來，反饋給用戶。用戶得到反饋后，再進行判斷，作出下一步的操作，如此循環(huán)交互，最后實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

圖1 交互設計模式

1.2 應用Unity3D實現(xiàn)虛擬鍛造車間

Unity3D是一款跨平臺的游戲開發(fā)引擎，主要應用于虛擬現(xiàn)實、建筑可視化、三維視頻游戲等互動系統(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[16-17]?？梢浦残詮姡瑢W生可以在多種終端運行程序。

虛擬鍛造車間首先運用三維CAD軟件(Solidworks)對鍛造車間進行三維建模，設備模型主要根據我校工程訓練中心中已有的中小型自由鍛設備空氣錘構建，并導出格式為IGS的文件。在3D Studio Max導入IGS文件后，適當添加樹木等綠化效果，并在空氣錘部分制作三維動畫，動畫包括空氣錘提錘、連續(xù)打擊、落錘3個環(huán)節(jié)，導出格式為 FBX的文件。在Unity3D導入FBX文件，為虛擬鍛造車間中的所有物體選擇合適的材質，必要部分貼上貼圖，添加燈光以增加真實感，并進行自由鍛過程的交互性設計。

在Unity3D中開發(fā)虛擬鍛造車間的關鍵在于運用程序中相應的腳本函數(shù)，實現(xiàn)對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，下面對操作空氣錘、移動工件、工件被墩粗、顯示空氣錘內部結構4個主要交互過程的實現(xiàn)進行簡要介紹。

(1) 操作空氣錘的實現(xiàn)。用戶在虛擬鍛造車間中的操作主要包括：對空氣錘進行開啟(提錘)、連續(xù)打擊、關閉(落錘)。提錘過程是當用戶鼠標觸動空氣錘操作旋閥的小手柄時，工作活塞和上砧提起的過程。連續(xù)打擊過程是當用戶鼠標觸動空氣錘中操作上旋閥與下旋閥的長手柄時，工作活塞和上砧進入連續(xù)上下往復運動的狀態(tài)，當用戶鼠標松開長手柄連續(xù)打擊過程將轉換為提錘狀態(tài)。而落錘過程是在提錘狀態(tài)時，用戶鼠標再次觸動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)(鼠標點擊事件)、Animation.Play函數(shù)(動畫播放事件)來實現(xiàn)。連續(xù)打擊過程的動畫在3D Studio Max中只需制作一個周期，在此通過循環(huán)語句實現(xiàn)打擊動作的持續(xù)進行，使用戶可以看到連續(xù)打擊的過程。在腳本中使用多個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)，若此時用戶鼠標再次觸動空氣錘中長手柄，空氣錘應不再有連續(xù)打擊的動作。此處設置一個全局布爾變量，鼠標觸動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，對用戶的操作不做出反應。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) 移動工件的實現(xiàn)。移動工件功能通過Input函數(shù)和Transform函數(shù)來實現(xiàn)。首先將三維物體在環(huán)境中的三維坐標轉換為用戶視角屏幕上的二維投影坐標，然后利用Input函數(shù)獲取鼠標點擊處的坐標，再利用Transform函數(shù)將物體的坐標轉移至鼠標指向坐標上，三維物體即可跟隨用戶的鼠標移動。另外，通過改動SharedMeterial函數(shù)來實現(xiàn)當前鼠標選中的三維物體的變色凸顯效果。

(3) 工件被墩粗的實現(xiàn)。當空氣錘上砧鍛打工件時，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)來實現(xiàn)。給上砧附加一個“剛體(Ragidbody)”屬性，剛體下落時與工件的觸發(fā)器產生碰撞，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，改變模型在各個方向上的大小比例。用戶即可看到工件被墩粗的效果。設置Count變量，當撞擊數(shù)達到預設的Count數(shù)值時，工件形狀不再發(fā)生變化。

(4) 顯示空氣錘的內部結構。為了讓學生能夠更好地了解空氣錘工作時內部機構的運轉原理，因此系統(tǒng)需要讓學生可以在虛擬鍛造的過程中自由地查看設備及其內部機構。這也是充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術構想性特點所帶來的優(yōu)勢[11]，因為在傳統(tǒng)實訓課程中，學生是無法觀察到工作中的內部機構運轉情況的。實現(xiàn)該功能的方式是讓空氣錘的外殼透明化，顯示出內部機構。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應的按鈕，便通過改變空氣錘外殼的材質Meterial透明度來實現(xiàn)外殼的透明程度轉換。

2 自由鍛造虛擬過程實例

虛擬鍛造系統(tǒng)的格式為exe，在Windows系統(tǒng)中均可打開，不需要預先安裝其他軟件。點擊進入后，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。用戶可通過鼠標和鍵盤控制瀏覽視角與位置，實現(xiàn)交互式漫游行走，也可按照自動彈出的引導文字走入車間、啟動空氣錘、取出并放置工件、連續(xù)打擊、移開工件、關閉空氣錘的步驟，整體性地體驗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，告知使用者鍛造實習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)還會引導使用者改變空氣錘外殼的透明度，觀察空氣錘內部的工作原理。

圖4 外殼透明后的空氣錘內部機構原理

3 結 語

本文通過Unity3D交互式開發(fā)引擎，結合實訓情況，對鍛造工藝過程進行交互式設計，建立了虛擬鍛造車間，實現(xiàn)了工業(yè)訓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使用者按正確步驟完成實驗。

與傳統(tǒng)實物鍛壓實驗相比，虛擬鍛造工藝實習系統(tǒng)不依賴真實的設備，沒有真實試驗的危險性。同時，在用戶體驗效果上有較大的提升，舒適性、易用性較強，自由度高，沉浸性好。體驗該系統(tǒng)之后，學生對鍛造工藝的加工原理、設備結構、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·

最有價值的知識是關于方法的知識。

——達爾文

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)務費本科生自主選題項目，2014年度廣東教育教學成果獎培育項目。

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)字化設計。

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

TH 164

A

1006-7167(2017)04-0087-03