基于機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)系統(tǒng)研究

摘 要：文章主要對在實踐教學(xué)中應(yīng)用增強現(xiàn)實技術(shù)的有效路徑進行了探索，基于該技術(shù)完成了智能手機端教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。系統(tǒng)的主要集成開發(fā)環(huán)境及軟件開發(fā)工具包分別采用了Unity3D和Vuforia，零件三維模型通過零件圖紙的掃描進行顯示，同時介紹了模型的旋轉(zhuǎn)、縮放與剖視功能的實現(xiàn)路徑，為工藝課程設(shè)計提供包括輔助制訂零件工藝路線在內(nèi)的基本功能支撐。

關(guān)鍵詞：“機械制造工藝”;機械設(shè)計教學(xué)系統(tǒng);增強現(xiàn)實技術(shù)

作為高校機械類專業(yè)必修課，“機械制造工藝”課程設(shè)計屬于重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在課程教學(xué)中不可或缺，在培養(yǎng)機械加工及設(shè)計能力（工藝規(guī)程和機床夾具）方面起到重要作用。實際教學(xué)過程中學(xué)生普遍存在缺乏實踐理論及能力的問題，實踐性較強的課程設(shè)計增加了課程的難度，不利于提高學(xué)生對課程設(shè)計的興趣。在機械設(shè)計實踐教學(xué)中提高教學(xué)效果及實踐能力成為亟待解決的問題[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的機械設(shè)計教學(xué)輔助系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括人機交互、信息輸入、融合顯示幾個功能模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

人機交互模塊的主要功能在于幫助用戶通過移動終端界面完成同教學(xué)輔助系統(tǒng)間的觸控（包括虛擬模型的旋轉(zhuǎn)、縮放、剖視及零件加工相關(guān)信息資料的查看等）和互動過程、輔助制訂零件加工工藝路線。

信息輸入模塊主要負責(zé)實現(xiàn)真實環(huán)境標(biāo)志物特征點信息（通過攝像頭采集）以及服務(wù)器端虛擬模型信息（通過處理和匹配標(biāo)志物特征點信息完成）兩部分信息的獲取。

融合顯示模塊的主要功能在于對真實世界中注冊虛擬信息的位置進行實時跟蹤（根據(jù)輸入信息），并在此基礎(chǔ)上完成真實和虛擬信息間的疊加融合顯示。此外，該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶制訂的工藝路線（基于選擇的加工工序）對工藝路線制訂的合理性進行評價。

2 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

本文軟件運行系統(tǒng)基于手機Android系統(tǒng)，為確保該系統(tǒng)在其他智能手機系統(tǒng)中運行，本文選用Unity3D作為系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境，軟件開發(fā)工具包選用了Vuforia SDK（高通公司），采用SolidWorks完成三維建模操作。移動增強現(xiàn)實的應(yīng)用主要包括：

（1）離線處理，主要負責(zé)完成標(biāo)志物的選取和預(yù)處理、虛擬三維模型及場景的建立和生成，主要通過使用Unity3D完成。

（2）在線處理，主要負責(zé)完成識別標(biāo)志物、生成反饋信息、疊加虛擬對象，主要通過使用Vuforia SDK實現(xiàn)人機交互。

2.1 總體流程

本文系統(tǒng)的實現(xiàn)流程如圖2所示，主要包括創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)管理、Vuforia集成與發(fā)布3個環(huán)節(jié)。使用Java語言（需要先下載和安裝JDK以及Android SDK）完成基于Android平臺系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

2.2 融合顯示、旋轉(zhuǎn)、縮放和剖視功能的實現(xiàn)

本文基于CA6140車床撥叉介紹系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程，針對所需展示零件，通過使用SolidWorks（一種三維建模軟件）完成建模工作，先將.spt格式的模型文件轉(zhuǎn)換為.fbx文件（Unity3D能夠識別的模型格，通過Deep Exploration軟件完成），再將該文件導(dǎo)入到Unity3D中。接下來注冊Vuforia，在此基礎(chǔ)上完成云端數(shù)據(jù)庫和管理標(biāo)志物的創(chuàng)建以及License Key，Imagetarget包的獲取，然后將其導(dǎo)入到Unity3D中，并將.fbx模型文件同Imagetarge相對應(yīng)，最后進行相應(yīng)設(shè)置（調(diào)整位置、大小及燈光）并打包發(fā)布，通過滑動觸摸屏即可由Unity3D腳本控制相應(yīng)組件實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)及縮放功能，本文采用C#作為腳本編輯語言;點擊剖視按鈕通過Rotate（）函數(shù)實現(xiàn)剖視功能。通過建立一個并列獨立剖視三維模型實現(xiàn)直接在Unity3D中進行剖視顯示，通過按鈕組件激活狀態(tài)的設(shè)置轉(zhuǎn)換整體與剖視模型。

2.3 工藝路線制訂輔助功能的實現(xiàn)

將各加工工序由指示體模型來代表，點擊各指示體完成加工工序的排序、實時顯示以及合理性評分，通過Unity3D 中射線法的使用使被觸發(fā)的操作會產(chǎn)生一條射線（從攝像頭發(fā)出）指向觸摸點，選中在射線路徑上同射線相撞的碰撞體模型，即可選中相應(yīng)的加工工序，進而完成加工工序的排序及工藝路線的制訂[2]。

2.4 系統(tǒng)操作流程

點擊手機端APP進入主界面，通過掃描圖紙后完成零件三維模型的融合顯示，根據(jù)實際需要進行旋轉(zhuǎn)、縮放、剖視模型及完整三維模型視圖的顯示，剖視圖相應(yīng)加工工序上通過制訂工藝路線按鈕即可實現(xiàn)工序指示體的顯示，在此基礎(chǔ)上完成工藝路線的排布，屏幕右上角會顯示排序結(jié)果及評分。

3 結(jié)語

本文所設(shè)計的機械設(shè)計教學(xué)輔助系統(tǒng)主要基于AR技術(shù)實現(xiàn)，通過在實踐教學(xué)中運用虛擬仿真資源，實現(xiàn)了零件三維模型的顯示功能，具體零件加工工藝路線以實際教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)完成制訂過程，滿足沉浸式的教學(xué)目標(biāo)。通過該系統(tǒng)能夠使機械制造工藝課程設(shè)計質(zhì)量得以顯著提高，為創(chuàng)新教學(xué)模式和方法提供了參考。

作者簡介：李新淼（1982— ），女，河北衡水人，講師，碩士;研究方向：機械設(shè)計制造及自動化，數(shù)控機床編程教學(xué)。

[參考文獻]

[1]周成，居里鍇.機械安全防護虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].工業(yè)和信息化教育，2019（8）：77-85.

[2]崔玉鑫，李風(fēng)，楊彬，等.現(xiàn)代機械設(shè)計技術(shù)之機械系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)改革實踐與探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（6）：88-92.

Research on the basic teaching system based on the mechanical design

Li Xinmiao

（Liaoning Institute of Technicians， Fuxin 123000， China）

Abstract：This paper mainly explores the effective path of applying augmented reality technology in practical teaching， and completes the design and development of smart phone teaching assistant system based on this technology. The main integrated development environment and software development kit distribution of the system are displayed by scanning the part drawings of Unity3D and Vuforia， parts， at the same time， the realization path of model rotation， scaling and section view function is introduced. Provide basic functional support for process course design， including auxiliary formulation of part process route.

Key words：“Mechanical Manufacturing Process”; mechanical design teaching system; augmented reality technology