虛擬技術(shù)的汽車發(fā)動機裝配平臺的設(shè)計分析

閉榮富

摘? 要：與計算機仿真、傳感器及人工智能等諸多技術(shù)日益完善過程相伴隨的是虛擬技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展，特別是在一些危險系數(shù)高、體量大、投用及后期維護成本高、數(shù)次操作的領(lǐng)域中，虛擬技術(shù)應(yīng)用期間表現(xiàn)出良好效能。汽車發(fā)動機裝配符合虛擬技術(shù)的質(zhì)感逼真、可交互性及便利等特征，基于人機交互規(guī)劃、三維立體建模、程序設(shè)計及發(fā)動機裝配理論等知識，建設(shè)出視覺動態(tài)渲染與逼真度很高的發(fā)動機裝配模擬平臺，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動機;裝配平臺;發(fā)動機拆裝;虛擬技術(shù);平臺設(shè)計

引言

虛擬技術(shù)（VR）是20世紀末興起的一種綜合性信息技術(shù)，其以計算機、網(wǎng)絡(luò)、三維呈現(xiàn)及人機交互等諸多技術(shù)為支撐，將存在或不存在于自然界的物件整合至一個虛擬化環(huán)境內(nèi)，可以采用傳感器與多種感知行為和虛擬環(huán)境進行交互。既往的機械制造業(yè)裝配技術(shù)培訓(xùn)階段，操作者直接觸及設(shè)備與器材，通過數(shù)次訓(xùn)練后方能捕獲裝配經(jīng)驗與技術(shù)。現(xiàn)如今，傳統(tǒng)裝配培訓(xùn)形式已經(jīng)難以迎合新型汽車產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)需求，暴露出成本高、適用性差等弊端。本文設(shè)計開發(fā)的汽車發(fā)動機裝配平臺于Unity 3D引擎內(nèi)建設(shè)一個虛擬化情景，采用三維交互技術(shù)，實現(xiàn)呈現(xiàn)發(fā)動機自由角、演示結(jié)構(gòu)拆裝流程及智能化測評等多項功能。

一、平臺的功能設(shè)計與開發(fā)程序

現(xiàn)如今，活塞式發(fā)動機在現(xiàn)代汽車制造領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，其構(gòu)成以機體、曲柄連桿機構(gòu)、燃油供給及潤滑系統(tǒng)等為主。以平臺布設(shè)的實訓(xùn)教學(xué)項目為支撐，通過對發(fā)動機重要部件進行檢查、維修及拆裝等操作，協(xié)助廣大學(xué)生對發(fā)動機的構(gòu)造、運作機理及維修等有更全面的認識。

（一）規(guī)劃設(shè)計平臺的功能

該平臺界面上設(shè)置的GUI能為人機交互過程創(chuàng)造便利條件，界面能清晰的呈現(xiàn)出發(fā)動機的構(gòu)成及不同機構(gòu)系統(tǒng)各部件所要達成的功能，主要有：

結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：能從各個角度自由呈現(xiàn)出發(fā)動機整體與局部構(gòu)件，持有旋轉(zhuǎn)、縮放、部件信息方位及安裝提示等諸多功能。

智能拆裝：具體是以Unity引擎內(nèi)的Animation動畫功能為支撐，實現(xiàn)呈現(xiàn)發(fā)動機多個機構(gòu)智能化拆裝與安裝過程的功能。

人工拆裝：這是人機交互持有的重要功能之一，碰撞檢測是重要的技術(shù)手段之一，為減少或規(guī)避用戶群體手動裝設(shè)零件階段，不同模型之間出現(xiàn)穿行越過情況，建議將碰撞檢測器增設(shè)于各模型上，擬編與之相配套的腳本流程，這樣通過操作鼠標就能順利拖動目標構(gòu)件，改變零部件方位，并結(jié)合前期相關(guān)提示信息將其安設(shè)至指定部位。

實訓(xùn)測評：即于該平臺上，廣大用戶不僅能訓(xùn)練自己的手動拆裝能力，也能檢驗自己對裝配相關(guān)知識的學(xué)習(xí)、掌握情況，后臺自動錄入準確的安裝次序，依照數(shù)據(jù)正確與否將軟件持有的計分功能充分發(fā)揮出來。

部件檢查維修：故障檢查、維修是發(fā)動機課程教材中的重難點之一，本平臺以發(fā)動機氣缸蓋的形體改變?yōu)閷嵗右苑治?，可以利用塞尺與鋼尺檢測氣缸蓋體的翹曲度，也可以動畫為載體演示汽缸蓋的拆卸、組裝過程。

（二）研發(fā)程序

基于理論和實踐相整合的形式研究與推進課題，理論研究階段循序推進，勇敢的做出假定并試圖論證，其目的在于提升發(fā)動機虛擬裝配平臺結(jié)構(gòu)、功能的完善度。具體是在高端的虛擬現(xiàn)實技術(shù)支撐下，基于專業(yè)化建模與交互設(shè)計軟件，有針對性的整改與完善平臺的最后成效，實現(xiàn)預(yù)定目標。本平臺的研發(fā)流程見圖1^[1]。

（一）組織專人開展市場調(diào)研活動，采集多方材料，通過查找相關(guān)材料內(nèi)容與檢索專利，規(guī)劃平臺設(shè)計理論、擬編整體方案。

（二）基于發(fā)動機檢修手冊內(nèi)設(shè)定的標準要求，通過拍攝形式錄入大眾1.4TSI發(fā)動機的正確操作過程。

（三）為捕獲精準度更高的零部件零部件數(shù)據(jù)信息，本課題研究決定使用天遠掃描設(shè)備收集有關(guān)數(shù)據(jù)。

（四）參照掃描數(shù)據(jù)，以三維軟件3d Max為支撐開發(fā)模型，具體包括重建部件系統(tǒng)模型、勾畫模型貼圖。拆分模型UV，借此方式去改善模型的質(zhì)地，使平臺呈現(xiàn)出的效果更為逼真。針對汽車發(fā)動機不同零部件模型予以裝配、整合措施，以上是各模型于軟件內(nèi)暢通運轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)，也能提升空間的有效利用率，針對最后完善好的模型，將其整合成模型資源庫。

（五）設(shè)計交互界面上的GUI，主要涵蓋呈現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)、演示智能化拆卸與組裝、人工拆裝方法訓(xùn)練、檢測考評、零部件檢查與維修等功能。

（六）探討該平臺于理實一體化內(nèi)的應(yīng)用情況。

二、建模

設(shè)計建設(shè)虛擬裝配平臺過程，側(cè)重點是提升場景交互的合理性與強化逼真感，為達成以上目標就需有專業(yè)化三維建模軟件的輔助，并認真落實高超的建模標準。本課題擬定選用3d Max軟件建設(shè)發(fā)動機部件、檢修器具及實訓(xùn)室內(nèi)常用他類儀器的三維模型。

（一）建模的常規(guī)流程

裝配情景內(nèi)主要有二維圖片與多種三維模型，結(jié)合平臺功能規(guī)劃及不同模型建建設(shè)的裝配相關(guān)性，依照一定次序進行組裝，合力建成虛擬裝配平臺的最后運用情景。建設(shè)發(fā)動機零部件模型主要歷經(jīng)如下過程：

1、紋理素材：紋理材質(zhì)設(shè)計情況影響著虛擬情景內(nèi)各模型的真實度，拍攝目標對象的紋理圖片。Unity 3D引擎對諸多格式的紋理圖片表現(xiàn)出較強大的支撐作用，結(jié)合其渲染性能與取得的成果及最后于虛擬請境內(nèi)呈現(xiàn)出的運轉(zhuǎn)速率，選擇格式最適宜的類型。

2、采用基礎(chǔ)、多邊形、復(fù)合式、面片等多種方法建設(shè)3D物體模型。具體是先結(jié)合掃描模型勾畫出零部件的大體樣態(tài)，而后于修整器列表內(nèi)有針對性的修正點、邊、面、多邊形等元素。

3、材質(zhì)貼圖，在業(yè)內(nèi)，“材質(zhì)”即物體表層的屬性信息，即物體構(gòu)成物質(zhì)屬于哪種類型，包括表層紋理，物體對光的特性，比如反光強度、形式及區(qū)段等。貼圖可以理解為一種把圖形信息投影至曲面上的方法。材質(zhì)貼圖的作用主要是將繁雜模型的表層真切、清晰的呈現(xiàn)出來，宗旨是降低能源耗損量與壓縮關(guān)鍵零部件建模時間長度。

3d Max能智能傳送出配置的貼圖坐標，對于曲面這種結(jié)構(gòu)形態(tài)繁雜的目標對象而言，其無法給出特定的貼圖坐標，若想要精準調(diào)控不同形態(tài)對象的貼圖形態(tài)，需在UVW展開修改器的協(xié)助下進行，其能于一個平面上自由編輯目標對象貼圖的展開情況。圖2是燃油泵UVW展開后的圖示。

4、渲染

將材質(zhì)、燈光等因素融合至一個情景后，并不能于試圖內(nèi)清晰的觀察到以上元素呈現(xiàn)出的效果，需對情景實施最后的渲染操作，方能更好的呈現(xiàn)出燈光、材質(zhì)對應(yīng)的特殊效應(yīng)。在情景模型建設(shè)過程中，渲染是重要一個環(huán)節(jié)，其作用以情景內(nèi)儲留的各類成效為主，以圖像的樣式呈現(xiàn)出來。圖3為燃油泵的渲染成效^[2]。

5、模型集成化

在發(fā)動機零部件建模結(jié)束后還沒有整合到裝配平臺情景內(nèi)時，不同模型間運行模式相互獨立，集成模型是應(yīng)對發(fā)送機各模型整合問題的有有效方法之一，結(jié)合檢修手冊內(nèi)設(shè)定的要求，落實發(fā)動機整個模型的組合、裝配任務(wù)，科學(xué)規(guī)劃各機構(gòu)系統(tǒng)所屬類別。

（二）處理模型

1、優(yōu)化

這是虛擬裝配平臺設(shè)計、建設(shè)過程中最重要的一環(huán)，加強模型文件體量大小的把控，過于龐大將會減緩其運行速度。發(fā)動機零部件模型構(gòu)造復(fù)雜，倒角、切角、圓角、通孔等曲面屬性較為常見，為確保各模型于平臺上順暢運作，應(yīng)有規(guī)劃的優(yōu)化模型。

本課題研究中，采用Optimize（優(yōu)化）或MultiRes（高級優(yōu)化）指令定量調(diào)控頂點數(shù)目及面數(shù)。具體是先采用Optimize指令把模型轉(zhuǎn)型為可被編輯的多邊形，在確認對物件模型狀態(tài)、功能不形成明顯影響的基礎(chǔ)上，盡量減少模型頂點、三角面數(shù)目，整改優(yōu)化選項內(nèi)的面閾、邊閾、位移偏量及邊長最大值。MultiRes指令的作用是利用修改器設(shè)施采用降低頂點、多邊形數(shù)的形式，壓縮模型渲染環(huán)節(jié)的空間，其能自主選定減面所占比重，將頂點所占比例降到50%，修改后頂點、三角面數(shù)依次為16180、31780。

在改進、優(yōu)化模型材質(zhì)及貼圖過程中，于平臺上需要有序整合材質(zhì)等同的模型，降低勾畫調(diào)用的頻次。至少需要一張貼圖去支撐發(fā)動機所有零部件的模型，利用Photoshop軟件把貼圖拼湊成一個整體。在以上操作過程，盡量維持紋理貼圖四邊等同，長度值盡量為2的整數(shù)冪次，采取以上方法方能將優(yōu)化操作的效能發(fā)揮至最大。針對螺栓等部件的模型，整合并保留單個后，刪減冗余模型，通過復(fù)制文件以達到檢索模型、節(jié)省計算機內(nèi)部空間的目的。

2、導(dǎo)出模型

具體是于3d Max完成模型貼圖操作并制作相對應(yīng)幀動畫以后，采用FBX格式將模型放置于文件夾Assets內(nèi)，現(xiàn)已經(jīng)證實該種格式對數(shù)個軟件的兼容和轉(zhuǎn)化過程起到較好的支撐作用，并且還能整體的存儲動畫、材質(zhì)等信息。于3d Max內(nèi)點擊“導(dǎo)出”，選中事前設(shè)定的導(dǎo)出渠道、重命名模型名稱，比如于3d Max完成某個構(gòu)件機構(gòu)拆卸、組裝動畫的制作任務(wù)，選中“Animation”后勾“Bake Animation”屬性，便能順利的對動畫實施烘焙操控處理。

（三）規(guī)劃設(shè)計發(fā)動機模型零件

1、機油濾清器

在建設(shè)模型之前，應(yīng)結(jié)合零部件外部輪廓選擇適宜的標準基體，先建設(shè)一個圓柱體，將高程分段設(shè)定為2，伴隨邊數(shù)增加過程，曲面順滑度也有不斷上升趨勢。在勾畫凸出部位時，相關(guān)人員可以選定“輪廓”指令減縮拉出平面，而后選定“擠出”指令下拉延展減縮后的多邊形，直到其和掃查模型高程統(tǒng)一，最后通過操控“倒角”指令削弱物體平面的棱角。

2、機體

在發(fā)動機內(nèi)，機體即被定義為氣缸體和曲軸箱兩者的連鑄體，可以將其看成是構(gòu)造復(fù)雜的箱形零部件，可以適度調(diào)整側(cè)壁、前后壁的加強肋的頂點方位，單獨勾畫圓柱體后，將對曲軸起支撐作用的主軸承座及孔洞附加于機體上，采用布爾運算的差集（A-B）指令落實機體局部（圓柱體、主體）的建模任務(wù)。

3、氣缸蓋

氣缸蓋是汽車發(fā)動機的重要構(gòu)成，也是構(gòu)造極為復(fù)雜的箱形零部件，上方設(shè)有進、排氣座孔，氣門導(dǎo)管孔等，內(nèi)部有水套、燃燒室等構(gòu)件。氣缸蓋的外部輪廓類似長方體，基于布爾測算、頂點整改等方法完成建模任務(wù)。圖4是汽缸蓋模型^[3]。

三、汽車發(fā)動機虛擬裝配平臺的具體設(shè)計

（一）Unity 3D引擎

本課題選用Unity Technologies公司自主研發(fā)的專業(yè)化虛擬交互式引擎促進虛擬裝配平臺功能逐一實現(xiàn)過程，明顯提升運轉(zhuǎn)速度與交互成效。Unity 3D在Windows、Mac OS X及Linux等諸多平臺上均表現(xiàn)出良好實用性，也可以將相關(guān)信息上傳至Mac與Windows平臺上。

本虛擬裝配平臺由數(shù)個有相互關(guān)聯(lián)性的情景構(gòu)成，不同情景之間存在密切的層級關(guān)系，能

相互跳轉(zhuǎn)，各情景內(nèi)還含有材質(zhì)、腳本、模型目標對象、動畫等諸多資源。為使情景內(nèi)各項功能發(fā)揮至最大化，需嚴格依照相關(guān)規(guī)程擬編腳本流程，并將其添加到各目標目標對象上。

1、情景

Unity 3D引擎可以被視為將多個模型匯聚在一起的場合，為程序壓閥過程中的最基本構(gòu)成單位，一個平臺可以是數(shù)個情景構(gòu)成的集合體。

2、物體對象

我們將顯現(xiàn)在情景內(nèi)的所有實物體均稱之為物體對象，例如系統(tǒng)自身帶有的模型球體、平面、立方體等。Unity 3D基于“面向目標對象程序”加以規(guī)劃設(shè)計，任何對象均和Object對象之間建設(shè)了相互承接的關(guān)系，也囊括物體對象自身，Object持有多樣化屬性，腳本對其行為方式起到調(diào)控作用。

3、Unity 3D腳本

Unity引擎支持的腳本語言有JavaScript、C#、Boo，其中C#語言持有龐大的net

類庫，為微軟公司面向?qū)ο缶幊萄邪l(fā)的一類語言，是當下國內(nèi)外眾多程序員研發(fā)軟件首選的語言類型，本平臺開發(fā)設(shè)計時均擬定選用C#語言。

4、攝像機

Unity 3D內(nèi)攝像機的作用以呈現(xiàn)視覺成效為主。攝像機能基于任一次序與方位完成渲染，通過增設(shè)腳本程序在平臺界面上取得良好的交互效果。

5、組件

功能以實現(xiàn)各物體對象的特性為主，從本質(zhì)上分析各個組件為一個類的實例，通過調(diào)整物體對象屬性的形式，精確操控相關(guān)行為^[4]。

（二）Unity 3D工作視圖界面

1、情景視圖

作用以規(guī)劃設(shè)計情景及安防物體對象模型、燈光、攝像機等因素為主，為建設(shè)虛擬裝配情景的部位，在這個視圖內(nèi)用戶群體能結(jié)合主觀意愿轉(zhuǎn)變目標物體對象的方位，從最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)保證情景視圖部署的科學(xué)性。

2、游戲視圖

情景內(nèi)相機設(shè)施負責渲染游戲畫面，為本平臺對外發(fā)布以后用戶群體用肉眼能觀察到的內(nèi)容，具體是在平臺發(fā)布后按下工具欄內(nèi)的“播放”按鈕，于游戲視圖內(nèi)動態(tài)預(yù)覽目標物體對象的狀態(tài)，為平臺的調(diào)試與研發(fā)過程創(chuàng)造便利條件。

3、層級視圖

作用是呈現(xiàn)當下情景內(nèi)全部物體對象之間存在的層級關(guān)系，將當下情景內(nèi)各個虛擬對象囊括于其中。能提供父子化關(guān)系時該視圖持有的強大功能之一，使數(shù)個目標對象方位轉(zhuǎn)移與編輯過程創(chuàng)造便利條件，且較明顯的提升處理結(jié)果的準確度。

4、項目視圖

歸納總結(jié)工程運行全過程產(chǎn)生的各種可用資源，存儲了情景塑造過程中采用的3D模型、腳本、動畫、材質(zhì)等資源。在這里筆者所重點提及的內(nèi)容是，要減少或規(guī)避于Unity編輯器外移動或者對項目資源文件進行重命名處理的行為，若有必要再行組織規(guī)劃或者遷徙某一資源，則推薦要在項目視圖內(nèi)操控完成，要么可能會打破資源文件與Unity工程前期建設(shè)的關(guān)聯(lián)性，嚴重時可能對整個工程構(gòu)成損傷^[5]。

5、檢視視圖

功能在于呈現(xiàn)虛擬情景內(nèi)當下選中目標物體對象持有的具體信息與屬性設(shè)置情況，常見的有目標對象名稱、標簽、旋轉(zhuǎn)角度、組件、坐標方位、縮放比重等。

（三）Unity 3D的特征分析

1、專業(yè)化的物理引擎

擬化現(xiàn)實的物理情景是虛擬軟件必備的基礎(chǔ)功能之一，Unity 3D內(nèi)設(shè)置了物理引擎系統(tǒng)NVIDIA，當目標物體對象在情景內(nèi)運轉(zhuǎn)過程中，加速度或碰撞過程中需呈現(xiàn)出最為真切的物理效應(yīng)^[6]。重力、剛體及各碰撞器等均是常見的物理相關(guān)屬性，筆者如下簡單闡述碰撞、剛體、材料的特征：

（1）碰撞：為觸發(fā)現(xiàn)象發(fā)出的最基礎(chǔ)物理條件，碰撞現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)條件有三個：一是產(chǎn)生碰撞行為的兩物體一定攜帶Collider;二是要有≥一個物體為剛體;三是兩個物體一定要產(chǎn)生相對運動。

（2）將剛體施加于目標物體對象，這是促進情景內(nèi)不同物體對象交互的重要基礎(chǔ)條件，承載著重力及其他外力因素的影像。

（3）于情景內(nèi)，為提升真實度與渲染成效，應(yīng)有針對性的調(diào)整模型材質(zhì)將引擎資源整合至3d Max軟件內(nèi)，需對材質(zhì)球進行染色處理，并科學(xué)調(diào)整模型與攝像機所處方位。

2、3A級圖像渲染技術(shù)

Unity 3D中添置了一百組著色器，其作用是調(diào)控可編程圖形對管線構(gòu)件的渲染流程，靈敏度、有效性均處于較高水平^[7]。針對引擎內(nèi)全部渲染任務(wù)，均要依托于Shader落實，基于此廣大用戶能取得較滿意的畫面渲染效果，并且拓展過程較便利。

3、實時光照技術(shù)

利用CI算法將實時全局光照技術(shù)整合至引擎內(nèi)，該先進技術(shù)不僅能削弱因其性能的耗損量，還能提升情景的豐富度、逼真性。

4.路徑插件

Unity 3D引擎對iTween等多類型插件運作過程能起到較好的支撐作用，持有的功能也表現(xiàn)出多樣化特征，以縮放、旋轉(zhuǎn)、移動、顏色轉(zhuǎn)換及音頻處置等為主。數(shù)值插值為iTween的核心思想?？梢詉Tween. path模塊為基礎(chǔ)取得發(fā)動機智能拆裝的預(yù)期成效，合理規(guī)劃設(shè)計發(fā)動機內(nèi)部關(guān)鍵部件于X、Y、Z軸向的路徑軌跡位點^[8]。

（四）零部件建模的前期準備工作

本課題選定的研究對象為大眾1.4TSI發(fā)動機，其主要采用燃油直噴及渦輪增壓技術(shù)，有結(jié)構(gòu)嚴謹、質(zhì)量輕微、能耗低級排放量分少、動力輸出強等諸多優(yōu)勢，本研究設(shè)計建設(shè)的虛擬裝配平臺的拆裝目標對象采用的便是該款發(fā)動機模型。

1、準備的內(nèi)容

本虛擬裝配平臺上運行的數(shù)據(jù)始源于三維掃描儀對發(fā)動機模型精確掃查后獲得的結(jié)果，利用3dMax軟件再次制作模型^[9]。為確保裝配平臺能順暢運轉(zhuǎn)、準確的呈現(xiàn)出仿真虛擬效果，平臺規(guī)劃設(shè)計時未對其尺寸規(guī)格提出嚴格要求，文件的格式也設(shè)定為常規(guī)，便于在3d Max內(nèi)整改模型，建模結(jié)束后要確保導(dǎo)出結(jié)果均是受3 d Max和Unity 3D引擎支持的.FBX格式。眾所周知，汽車發(fā)動機由兩大機構(gòu)、五大系統(tǒng)共同構(gòu)成，在建完很多零部件后，還需再次予以命名與分組處理。

2、命名和分組

大部分情況下，Unity 3D內(nèi)中文命名文件的兼容性很差，零部件類型、數(shù)目繁多時會增加系統(tǒng)崩潰情況發(fā)生的風(fēng)險，故而同意用英文名稱進行命名，為后期設(shè)置部件模型、腳本捆綁操作創(chuàng)造便利性。

3、處理模型

利用建模軟件整合至Unity 3D引擎內(nèi)的模型在X軸向位置會出現(xiàn)一定偏轉(zhuǎn)（-90°），這就預(yù)示著需于虛擬情景內(nèi)做出適度整改。當下國內(nèi)國內(nèi)生產(chǎn)實踐中發(fā)動機部件的制作材料以鋁制或鑄鐵為主，為復(fù)原現(xiàn)實成效，建模選用金屬材質(zhì)，無形中增加了精確辨識零部件界限的難度，削弱了視覺效果，故而為保證用戶能清晰觀察到不同零部件的具體構(gòu)成，針對模型制造材質(zhì)的差異性，采用不同顏色加以區(qū)別。見圖5^[10]。

（五）平臺界面的具體設(shè)計

用戶群體和機械設(shè)備之間的交互過程就是基于圖形用戶界面（GUI）實現(xiàn)的，故而可以認為GUI起到了樞紐作用。提升GUI的交互設(shè)計水平，是強化視覺功能與操控體驗競爭優(yōu)勢的重要基礎(chǔ)。GUI也能通過擬編腳本形式建設(shè)健全層級界面，順利的完成相關(guān)情景之間跳轉(zhuǎn)任務(wù)，達成預(yù)定的運作目標。

1、設(shè)計 GUI界面

在GUI界面的正確引領(lǐng)下，用戶群體能對虛擬裝配平臺的正確操作規(guī)程有更全面掌握，結(jié)合實際狀況選定適宜的情景，并且對角色做出科學(xué)定位，達成與之相配套的漫游功能。本課題設(shè)計的虛擬裝配平臺需要落實的項目類別較多，且不同層級之間建設(shè)了復(fù)雜的關(guān)系，這就對GUI的便捷性、邏輯性提出更高的要求，也要以操控過程為支撐把平臺的基礎(chǔ)信息傳遞給用戶，這樣呈現(xiàn)在用戶眼前的界面更美觀、舒適度更高^[12]。

依照虛擬裝配平臺事前設(shè)定的功能，對該平臺GUI的層級結(jié)構(gòu)做出科學(xué)規(guī)劃，從宏觀上主要將其細化為如下三個界面，即為初始、一級與二級界面。按下初始界面內(nèi)的“Let's begin”鈕能夠直接跳轉(zhuǎn)至一級界面，而基于一級界面內(nèi)不同機構(gòu)、系統(tǒng)，用戶就會進入至相關(guān)教學(xué)項目內(nèi)需要學(xué)習(xí)的模塊，實質(zhì)上就是二級界面。各層級均有“返回”按鈕，按下該按鈕能順利的返回到上個界面。

2、界面的基本構(gòu)成

為提升裝配平臺上有限空間的利用率，可以將背景圖片增設(shè)到初級平面上，該界面上儲有基本信息及所需實現(xiàn)的功能。創(chuàng)設(shè)一個Quad平面，于默認狀態(tài)下該平面隸屬于背向剔除模式，用戶 只有從單個方向上方能觀察到，適度調(diào)整視角后方能觀察到整個平面，移去Mesh Collider組件，將圖片之間觸發(fā)與碰撞情況發(fā)生率降至最低。在對圖片加載前處理前認真檢查紋理圖像規(guī)格尺寸，并預(yù)防在牽拉作用下圖片失真的問題，嚴格依照寬高比拓展平面，最后將紋理的Shader模式設(shè)計成Unlit/Texture。設(shè)置流程見圖6^[13]。

（1）初始界面：右下角位置呈現(xiàn)出“1.4TSI發(fā)動機虛擬裝配平臺”字樣，附加單張發(fā)動機透視圖，操控人員按下“Let's begin”按鈕便能順利進入至下級界面，即為一級界面。

（2）一級界面：觀察該界面，最先映入眼簾的是裝配平臺的全部教學(xué)項目，基于傳統(tǒng)發(fā)動機規(guī)劃其所屬類別，即兩機構(gòu)、五系統(tǒng)。于該層級界面中內(nèi)，“整體”實質(zhì)上就是教學(xué)項目內(nèi)的發(fā)動機總成，在該項目的支撐下用戶能捕獲到與發(fā)動機所有拆卸、組裝知識與運作原理，點擊菜單內(nèi)任一選項均能順利步入至相應(yīng)部分，即二級界面^[13]。

（3）二級界面：可以將該層級界面理解為虛擬裝配平臺實現(xiàn)自身功能時所需做出的設(shè)計行為，界面規(guī)劃了預(yù)覽窗口，其能籠統(tǒng)的介紹相關(guān)專業(yè)學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)掌握的教學(xué)項目、預(yù)覽圖等有關(guān)信息，同時還呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、手動拆裝、實訓(xùn)測評與零部件檢修五大功能選項。

①結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：本文這里以汽車發(fā)動機機油泵為實例，分析器及結(jié)構(gòu)組成，相關(guān)人員可以通過自主調(diào)整觀測角及旋轉(zhuǎn)、縮小與放大等，掌握部件具體名稱、功能提示等。

②智能拆裝：等同于觀察機油泵組件拆卸、安設(shè)過程，還能較真切的演示機油泵運作過程中內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對運功動畫。

③手動拆裝：這是實現(xiàn)人機交互的主要環(huán)節(jié)，等同于用戶對發(fā)動機零部件實施拖、拽處理，依照檢修手冊設(shè)定的規(guī)程對機油泵組件進行規(guī)范正確拆裝，人工拆裝過程中帶有零件提示功能。

④實訓(xùn)考評：于該情景內(nèi)主要完成計分、計時操作，具體考評實踐中，若發(fā)現(xiàn)發(fā)動機零部件安裝方位或次序存在錯差，則直接記作為0分，此時也不會做出零件提示等有關(guān)信息，后臺咨詢過存儲數(shù)據(jù)，最后將其納入至總分^[14]。

⑤零部件的檢查與維修：步入至該畫面后，本文以機油泵為實例進行具體化研究，有一項檢修項目是采用塞尺檢查轉(zhuǎn)子和機油泵體兩者存在的縫隙，檢測結(jié)果判斷磨損度是否處于限定范圍中。動畫效果呈現(xiàn)出正確檢查、維修流程。

（六）界面功能的實現(xiàn)

在規(guī)劃設(shè)計虛擬裝配平臺全過程中，均要秉持簡潔原則，僅留置傳送信息過程所需的級必要的操作按鈕。

利用平面排布法部署 一級界面，具體是把裝配平臺上所有教學(xué)項目與器械整體設(shè)作為界面設(shè)計階段選定的主要內(nèi)容。點擊任何機構(gòu)或系統(tǒng)便能順利的進入至相應(yīng)流程，按下“返回”按鈕即返回到主界面。在以上過程中我們選定“整體”教學(xué)項目。

步入至“整體”項目后，便是二級界面，能夠觀察到發(fā)動機模型的全貌，可結(jié)合主觀需求按下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、手動拆裝、實訓(xùn)考評、零部件檢修按鈕，實現(xiàn)有關(guān)功能，按下“返回”按鈕就能快速返回至上層級界面，“退出系統(tǒng)”即由平臺系統(tǒng)退出^[15]。步入至二級界面后，本文以“智能拆裝”為實例加以分析，利用Animation動畫制作結(jié)束后，能播出發(fā)動機的標準化拆卸與裝設(shè)流程。

（七）平臺結(jié)構(gòu)展示功能

1、三維立體展示視角

三維立體展示視角明確鼠標能動態(tài)化操作攝像機轉(zhuǎn)動過程，進而達到360°自由全方位旋角的功能，滾輪有縮放模型大小的功能，于程序腳本內(nèi)需詳細錄入各幀的數(shù)據(jù)，各幀均有調(diào)用鼠標的縮放與旋轉(zhuǎn)變量、攝像機方位的功能。依照以上程序調(diào)用計算機內(nèi)部資源，當測得調(diào)用各幀的頻率>30幀/s時，于視圖就能觀察到360毒平滑呈現(xiàn)視角的效果。

2、零部件信息顯示

當鼠標經(jīng)由某個零部件時，便能夠清晰的呈現(xiàn)出該零件持有的有關(guān)信息。調(diào)取鼠標懸停事件，等同于觸發(fā)OnMouseOver（）方法。鼠標停放于某一零件時，屏幕底層便能清晰的呈現(xiàn)出該零件的具體命名，本文以冷卻液泵為實例擬編代碼，將Mesh Collider碰撞器增設(shè)于冷卻液泵模型內(nèi)，鼠標懸停于該處時，游戲視圖上就會呈現(xiàn)出肉眼清晰可見的“冷卻液泵”字樣;鼠標脫離此物時，零件名稱隨即消失。也可以把冷卻液泵所屬系統(tǒng)、拆裝器具等信息增設(shè)于腳本CoolantPump內(nèi)。

結(jié)束語：

本文介紹了引擎Unity 3D 的功能特征，對發(fā)動機模型做出優(yōu)化處置、命名與分組等前期準備工作;在設(shè)計GUI界面時，結(jié)合發(fā)動機相關(guān)專業(yè)教學(xué)項目制作與跳轉(zhuǎn)不同層級界面，最后達成虛擬裝配平臺的主要功能，即結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)、智能拆裝、人工手工拆裝、考評系統(tǒng)與故障檢查與檢修。在故障檢修環(huán)節(jié)中，以檢查、測量氣缸體翹曲度指標為實例加以分析，構(gòu)建出完整化的虛擬裝配系統(tǒng)，希望能為相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)活動開展創(chuàng)造輔助平臺。

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