機械基礎虛擬實驗系統(tǒng)的研究與開發(fā)

劉靜

（溧陽市天目湖中等專業(yè)學校,江蘇 溧陽213300）

我國的經濟實力在日益提高,與此同時,我國的教育質量也受到了各界的關注。實驗學習是學校與企業(yè)實現(xiàn)快速對接的重要途徑,并且在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力中發(fā)揮著重要作用。通過實驗可以更好地理解和測試這些知識。然而,目前中國的實驗室受到許多弊端的限制,例如,在一些困難的條件下,對實驗研究的投資不足,實驗室設備帶來的實驗環(huán)境的安全隱患,設備的數(shù)量不足等,這些因素嚴重限制了實驗室學習的發(fā)展。

1 機械基礎虛擬實驗系統(tǒng)的基本要求

機械基礎虛擬體驗非常專業(yè)。為了在和諧的虛擬實驗系統(tǒng)環(huán)境中進行這些實驗,必須滿足以下條件：

（1）良好的交互性;（2）開發(fā)逼真的圖形和材質;（3）由于同時存在機械設計實驗和機器理論實驗,因此實驗環(huán)境必須具有二維環(huán)境和三維環(huán)境來發(fā)送數(shù)據(jù),并且每個環(huán)境都具有較高的可行性;（4）由于它運行在網上,因此有時對客戶端平臺的性能要求不高。

與某些國內的CAD 程序相比,用于實驗系統(tǒng)的最佳CAXA設備是設計軟件。與其他CAD 程序相比,它具有以下特點：

（1）提供功能強大且易于使用的二次開發(fā)數(shù)據(jù)接口;（2）由于CAXA 電子繪圖板也已集成到CAXA 設備的設計中,因此該軟件具有強大的3D 設計環(huán)境,可以將其發(fā)送到2D 設計環(huán)境以進行數(shù)據(jù)采集。3D 項目環(huán)境中獲得的數(shù)據(jù)也可以實時傳送到2D 設計環(huán)境中;（3）提供專業(yè)的3D 動畫設計以及圖形和圖像處理功能?？梢詣?chuàng)建真正有效的模擬和動畫模擬;（4）易于使用并掌握建模技術,實現(xiàn)高度交互[2]。

2 機械基礎虛擬實驗系統(tǒng)的總體介紹

2.1 系統(tǒng)的總體框架及其開發(fā)流程

由于Unity 3D 應用程序平臺不適合開發(fā)復雜的幾何模型,因此我們將SolidWorks3D 建模工具用于幾何建模并導入幾何模型,利用3DMax 以創(chuàng)建栩栩如生的模型,以FBX 格式保存模型,然后將其導入到Unity3D Asset,虛擬Unity 3D 平臺必須基于交互和運動控制開發(fā)虛擬模型的層次數(shù)據(jù)結構,以為每個模型建立父子關系并創(chuàng)建模型樹的層次結構。在C#編程中需要完成一些實驗性任務。

目前,該平臺有5 種類型的變速箱,每種虛擬體驗都分為兩個部分：學生使用認知成分進行自學,掌握某些實驗性技能并為實驗做好準備。包括實驗目標,預防措施和實驗說明[3]。

2.2 進行開發(fā)的軟件選擇及接口

當今最受歡迎的虛擬化軟件包括Virtools、Eon,Unity3D 等,前1 個雖然可以用于實驗虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā),但是它們可以作為獨立版本或網頁版本使用,難以維護,并且范圍非常有限。虛擬學習仿真系統(tǒng)相對簡單,它基于Unity 3D 的面向對象技術。同時,開發(fā)引擎支持Windows,Mac,iPhone,Android 和Web平臺,開發(fā)人員隨機選擇一個共享平臺來滿足移動終端的需求,同時也依賴于Web 和其他獨立平臺。

Unity3D 支持的編程語言是JavaScript 和C#boo,用戶可以根據(jù)需要選擇編程語言并調用每個腳本。 JavaScript 是用戶使用的編程語言,其中包含相當簡單的Java 程序列表。 C#是面向對象的,運用于高級編程語言NETFramework,適用于創(chuàng)建復雜的程序。該主題主要使用C#程序。 Unity 3D 支持幾乎所有主要的3D 模型文件格式,包括FBX,OBJ 等。導出到3DMax,Maya 和其他應用程序生成的模型文件將添加到項目資源文件夾中。自動更新Unity3D 資源列表和模型,模型會顯示并在面板上可用。

3 虛擬實驗系統(tǒng)的關鍵功能模塊實現(xiàn)

3.1 三維仿真模型的構建

二級圓柱減速器由三部分組成：軸（高速軸,中速軸,低速軸等）,盤類和箱體類。使用SolidWorks 和各種建模技術為每個模型創(chuàng)建準確的3D 模型,主要部件的三維模型如圖1 所示。

圖1 減速器的三維模型

3.2 自動拆裝功能的實現(xiàn)

建議初學者使用虛擬實驗來了解減速器的安裝和拆卸順序,系統(tǒng)執(zhí)行自動拆卸和組裝功能?？梢栽赨nity3D 引擎的外部插件之間輕松執(zhí)行此功能。它主要使用數(shù)字插值原理來控制模型從頭到尾的路徑。如圖2（a）所示,按下按鈕即可控制減速器的拆卸和組裝過程,并通過攝像機的位置和旋轉角度觀察自動拆卸過程。

下行為用于實現(xiàn)物體移動的代碼：

這里,GameObject 指的是執(zhí)行命令的對象；Vector3 指的是對象運動的目標位置；float1 指的是從原來位置移動到目標位置的時間；float2 指的是開始移動時的延遲時間。

3.3 虛擬拆裝場景的設置

10588888 虛擬場景可以分為兩類：虛擬裝配和虛擬拆卸。拆卸邏輯和約束與裝配過程是相逆的。因此,我們將僅介紹虛擬裝配的主要技術方法。

除基本零件外,如果用于手動組裝,其他零件必須隱藏。根據(jù)碰撞器的位置安裝零部件,如圖2（b）所示,三個橢圓碰撞器A,B 和C 被加到軸上,碰撞器A 包圍左側封油盤和軸承,B 包圍中間鍵和大齒輪,而C 包圍右油封油盤和軸承,橢圓的形狀確定組件的正確位置。僅當組裝零件在橢圓的尺寸以內時,才能識別組裝零件。如圖2（c）所示,當主攝像機光束撞擊碰撞區(qū)域時（當鼠標單擊對撞機時）,相應的部分從隱藏模式切換到顯示模式,并且鼠標所在的部分消失。

在場景中,必須能夠靈活地跟隨鼠標在屏幕上移動,需要將世界坐標轉換為屏幕坐標。為此,將一個視圖中添加一個Cube,并將坐標放置在位置（0,0,0）。

3.4 虛擬裝拆編程

虛擬組裝從頭到尾拆卸各種組件,以模擬實際的組裝或拆卸更換。在虛擬裝配和拆卸的幫助下,我們不僅觀察了設備的外形,而且最重要的是,我們分析了內部結構并根據(jù)其結構和設計特征詳細研究了設計的條件,思考設計意圖。如果拆裝的順序不正確,則無法繼續(xù)往下,并會顯示錯誤警示。

3.5 手機二維碼及操作

在組件的拆卸和組裝過程中,菜單欄頂部的相應QR 碼圖像會更改。使用增強現(xiàn)實技術開發(fā)的手機應用程序掃描QR 碼,可以在手機屏幕上顯示這些3D 零件,并根據(jù)需要旋轉它們。如圖2（d）所示,可以從不同角度觀察。下載VuforiaSDK 數(shù)據(jù)庫,瀏覽Vuforia 官方站點將其導入Unity3D,并將Unity3D 組件的3D部分與ImageTarget 組合,就可以發(fā)布手機APP,當手機的相機掃描圖像時,有時候它可能無法正確識別圖像。對于QR 碼圖像,需要創(chuàng)建一個自動對焦相機腳本文件[4]。

圖2 虛擬實驗場景的功能圖

4 結論

機械基礎實驗教學在教育中采用了最新的VR 和AR 技術,系統(tǒng)地集成了SolidWorks 和C#Unity3D 以實現(xiàn)近乎實時的虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā),實現(xiàn)遠程學習,解決了資源缺乏（例如,缺乏實驗室設備,實驗器材不足,學生獨自作業(yè)的風險）的問題,實現(xiàn)了共享資源和促進有效學習機械設計。本文介紹了開發(fā)過程中的主要問題以及如何集成各種軟件的方法,這些方法可以為開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)提供特定的參考。