基于Unity3D的箱式電阻爐設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

陳庚 方琴 苗景國(guó) 王茂宇 劉靜 趙錦秀

摘 ? 要：文章以真實(shí)的箱式電阻爐為原型，采用3D max軟件建立模型，以Unity 3D軟件為開(kāi)發(fā)引擎，開(kāi)發(fā)了一套基于Unity 3D的箱式電阻爐虛擬仿真系統(tǒng)，為熱處理專業(yè)學(xué)生提供了“現(xiàn)場(chǎng)實(shí)作”機(jī)會(huì)，同時(shí)有效地提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;箱式電阻爐;設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

虛擬仿真或虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)在經(jīng)歷了“全傳感仿真器的發(fā)明—第一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)的頭盔顯示器HMD及頭部位置跟蹤系統(tǒng)—VIDEOPLACE與VIEW虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)—研究型階段向應(yīng)用型階段成功轉(zhuǎn)變”4個(gè)階段的發(fā)展后，已成熟地運(yùn)用于各行各業(yè)。研究發(fā)現(xiàn)，將VR技術(shù)引進(jìn)課堂教學(xué)當(dāng)中，不但能有效地改善教師的教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠使學(xué)生更透徹地掌握專業(yè)知識(shí)，提升職業(yè)技能[1-2]。

箱式電阻爐作為熱處理專業(yè)最常用的一種常規(guī)熱處理爐，其設(shè)備較龐大、操作較復(fù)雜，并且具有一定的危險(xiǎn)系數(shù)。為了使學(xué)生更簡(jiǎn)單、清晰地掌握該設(shè)備的工作原理和操作規(guī)程，教研室相關(guān)任課教師采用專業(yè)建模軟件3D max對(duì)箱式電阻爐進(jìn)行了建模，并利用Unity 3D軟件開(kāi)發(fā)了箱式電阻爐動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。實(shí)踐證明，虛擬仿真技術(shù)能夠使教師的教學(xué)效果和學(xué)生的知識(shí)掌握獲得“雙豐收”。

1 ? ?三維模型的創(chuàng)建

對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模是第一個(gè)重要步驟。想要建立形象、逼真的虛擬設(shè)備，首先，要對(duì)設(shè)備各個(gè)零部件詳細(xì)拍照，采集各種數(shù)據(jù)。其次，對(duì)建好的模型進(jìn)行著色渲染（燈光、材質(zhì)、表面色彩光澤度、透明度、折射效果等），使之與真實(shí)設(shè)備、周?chē)h(huán)境盡可能一致。最后，將創(chuàng)建好的設(shè)備零部件進(jìn)行整合[3]，導(dǎo)出文件后綴名為.FBX的文件，為后續(xù)虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

2 ? ?虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)布

2.1 ?文件的導(dǎo)入

將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件中，具體操作為將.FBX文件直接保存到Assets目錄下新建的一個(gè)文件夾當(dāng)中，以方便管理查看，用于渲染的貼圖文件同樣保存在此目錄下。通過(guò)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行初始化布置、調(diào)整，在結(jié)構(gòu)樹(shù)Hierarchy目錄下可看到Project中各零部件的位置以及相機(jī)、光源、視角等參數(shù)屬性，如圖1所示。

2.2 ?虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

GAME界面是使用者編輯內(nèi)容的窗口，也是軟件發(fā)布的界面，對(duì)其進(jìn)行物體調(diào)整和參數(shù)設(shè)置。點(diǎn)擊“運(yùn)行”調(diào)出開(kāi)發(fā)界面，選擇“工程信息填寫(xiě)窗口”中的“4.運(yùn)動(dòng)信息填寫(xiě)窗口”（見(jiàn)圖2），對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行“信息初始化”并輸入設(shè)備名稱，完成任務(wù)創(chuàng)建。然后關(guān)閉“運(yùn)行”，在_Sketch的子物體中找到Main Script，選中后在屬性板塊的“Task Name”進(jìn)行任務(wù)名匹配。重新進(jìn)入“運(yùn)行”狀態(tài)，打開(kāi)表格編輯器，使用相機(jī)的平移、旋轉(zhuǎn)與可視化運(yùn)動(dòng)以及高亮、透明、聲音、隱藏、畫(huà)中畫(huà)、引出線、觸發(fā)、面板等特殊指令對(duì)仿真設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)指令編輯（見(jiàn)圖3）。

2.3 ?作品的發(fā)布

在作品正式發(fā)布前，將MainScript物體上Motion Manager腳本中的【Is Editor】參數(shù)去掉，修改logo標(biāo)記并更改軟件名稱，具體操作為：選中“File”→選擇“Build Settings”，彈出發(fā)布界面→選擇“Player Settings”，彈出設(shè)置界面→進(jìn)行設(shè)置。另外，找到other settings，optimization，API compatibility level，選擇“.NET 2.0”。最后，在發(fā)布界面中點(diǎn)擊“Build”完成發(fā)布，并生成“xx_Data”和“xx.exe”兩個(gè)文件和文件夾。另外，在完成發(fā)布的過(guò)程中，還要將電腦原目錄下的“DEBUG”文件夾復(fù)制到發(fā)布后生成的.DATA文件夾中替換“Releasefile”文件夾中的“DEBUG”，同時(shí)修改語(yǔ)音文件，并將原工程中Resourses目錄下的“_Sketch”和“Releasefile”兩個(gè)文件夾復(fù)制到發(fā)布的“xx_Data”的Resourses文件夾中。打開(kāi)xx.exe文件，點(diǎn)擊“Play！”，進(jìn)入設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)界面（見(jiàn)圖4）。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

一方面，本文對(duì)箱式熱處理爐進(jìn)行VR虛擬仿真設(shè)計(jì)，讓學(xué)生“走進(jìn)”現(xiàn)場(chǎng)“親手觸摸”設(shè)備，了解、積累更多的操作設(shè)備的“一線”經(jīng)驗(yàn);另一方面，對(duì)教師而言，既豐富了自己的教學(xué)手段，也緩解了設(shè)備、場(chǎng)地、課時(shí)、學(xué)生參觀資源需求的沖突。在未來(lái)，相信有越來(lái)越多的教師不斷加入VR創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)，也將會(huì)有更多的新作品問(wèn)世。對(duì)于相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這是一件值得高興的事，學(xué)習(xí)不再單調(diào)、枯燥、困難，反而會(huì)變得相對(duì)有趣、簡(jiǎn)單。

[參考文獻(xiàn)]

[1]霍愛(ài)清，李少輝，李浩平.基于Unity 3D的鉆井工程三維動(dòng)態(tài)仿真[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（6）：79-83.

[2]劉一帆，周育才.基于Unity3D的火電廠前置泵拆裝仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（4）：57-60.

[3]張超峰，譚同德，趙新?tīng)N，等.基于雙手交互的虛擬裝配仿真技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012（11）：4372-4376.

Abstract：A virtual simulation system of box-type resistance furnace based on Unity 3D is developed by taking the box-type resistance furnace as the prototype and modeling with 3D max software. It provides the students of heat treatment specialty with the opportunity of “on-site operation” and effectively improves the teaching effect.?

Key words：virtual reality; box-type resistance furnace; design and development