基于Unity3D的《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺設(shè)計及應(yīng)用*

劉大維，張國泉，李澤山，勞信超，余得賢，蘇 蒲

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)機電學(xué)院，廣州 510635；2.東莞石龍京瓷有限公司，廣州東莞 523326；3.廣東技術(shù)師范大學(xué)資產(chǎn)與實驗室管理處，廣州 510665）

0 引言

教育部職成司于2020 年印發(fā)《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實訓(xùn)基地建設(shè)的通知》，指出在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，迫切需要建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)基地，這既是對傳統(tǒng)教學(xué)的革新，深化人才培養(yǎng)模式改革，也是強化“虛實”融合的教育教學(xué)活動，有效彌補實訓(xùn)中學(xué)習(xí)興趣低、設(shè)備不足、危險性大等問題[1]。越來越多的高等院校希望能通過“虛實融合”進行實訓(xùn)教學(xué)，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

在《中國制造2025》綱要中，智能制造起著至關(guān)重要的作用，同時也對智能制造系列課程教學(xué)提出了更高的要求。《工程制圖》是智能制造系列課程中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門機械、建筑、平面設(shè)計等專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，是體現(xiàn)工科學(xué)科特點的入門課程，也是學(xué)習(xí)工科的學(xué)生必須學(xué)習(xí)掌握的一項專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維基礎(chǔ)的空間想象力以及構(gòu)思能力、促進工業(yè)化的進程等許多方面發(fā)揮了非常重要的作用。

在傳統(tǒng)的《工程制圖》課程里，多數(shù)學(xué)校習(xí)慣將學(xué)生安排在普通教室上課，教師使用講授法和演示法進行教學(xué)，在實訓(xùn)過程中需要教師及時給學(xué)生解答疑問，而不應(yīng)該僅局限于理論知識的傳授[2]。學(xué)生主要是在觀察教師畫圖的方式，接著模仿教師的畫法，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、主動性不強。傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)，與高端技術(shù)技能型人才培養(yǎng)目標存在差距[3-4]。學(xué)習(xí)《工程制圖》的目的其實是能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課后能正確地對一些經(jīng)典的機械組合體進行制圖，以及在設(shè)計產(chǎn)品的時候能讓生產(chǎn)部門輕易理解圖紙表達的意義[5]。為此，在《工程制圖》課中同步采用虛擬仿真平臺進行授課，可以讓學(xué)生能更直觀地感受由圖形到立體感和空間感的變化，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與體驗感[6]，加深學(xué)生對工程制圖的學(xué)習(xí)理解。

虛擬仿真實驗教學(xué)是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目的重要舉措[7]，同時也是培育我國創(chuàng)新型和復(fù)合型技術(shù)技能型人才的輔助手段[8-10]。Unity3D 是專門針對虛擬交互開發(fā)的，是一套能進行視、景仿真，并滿足多平臺部署應(yīng)用需求的三維模擬仿真引擎，能夠很好地幫助開發(fā)者構(gòu)建一套滿足使用的虛擬仿真平臺[11]。在面向智能制造背景下，借助Unity3D 軟件，采用工程實例與可視化仿真教學(xué)有機結(jié)合[12-13]，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[14]。

1 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺總體設(shè)計方案

從《工程制圖》實驗教學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)出發(fā)，選取有代表性的零部件、組合體和知識點作為虛擬仿真對象，開發(fā)一款具有可自由觀察、能拆裝運動、實現(xiàn)3D 模型圖到2D 工程圖的轉(zhuǎn)場漸變功能、頁面美觀簡潔、易于操作等特點的虛擬仿真平臺，能實際、有效地運用在《工程制圖》課程的教學(xué)中。圖1 所示為總體設(shè)計方案。

圖1 總體設(shè)計方案

2 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺開發(fā)

通過建模、繪制工程圖，導(dǎo)出FBX 格式。使用C#編程語言編寫交互代碼，在Unity3D參數(shù)面板設(shè)置參數(shù)進行交互設(shè)計，最終導(dǎo)出軟件發(fā)布到PC端。虛擬仿真實驗平臺開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 平臺開發(fā)流程

2.1 模型建立與工程圖的繪制

通過查閱資料，確定減速器零件模型特征，使用UG 進行模型的建立，模型圖為PRT 格式。在UG 中將模型圖生成工程圖，通過AutoCAD對減速器的裝配圖和零件圖進行修正，工程圖為DWG格式。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

在Unity軟件里，不支持PRT 格式和DWG 格式的文件，而FBX 格式文件和PNG 格式文件可作為開發(fā)虛擬仿真平臺的主要導(dǎo)入文件格式。

使用UG 完成3D 模型，導(dǎo)出為STL 格式文件，再通過使用3Dmax 將STL 格式文件轉(zhuǎn)換為FBX 格式的文件。通過截圖的方式可導(dǎo)出PNG格式的2D工程圖。

2.3 模型零件的渲染和裝配

使用UG 建模并裝配好的減速器經(jīng)過FBX 格式轉(zhuǎn)換后形成了一個整體，無法拆卸零件。所以，應(yīng)先導(dǎo)出減速器的各個零件，逐個進行文件格式轉(zhuǎn)換，再逐個導(dǎo)入Unity3D 進行渲染和組裝。圖3 所示為在Unity3D 中減速器底座和齒輪軸透蓋的裝配示意圖。

圖3 減速器裝配示意圖

2.4 自由觀察功能

根據(jù)虛擬仿真平臺的基本功能要求，能自由地對裝配體和組合體進行動態(tài)觀察，能控制攝像機對組合體的環(huán)繞運動、拉遠、推近運動，稱為自由觀察功能。

實現(xiàn)自由觀察功能的腳本程序，主要運用到的API的內(nèi)容與控制攝像頭活動的知識。C#語言編寫腳本的主要程序段如下：

關(guān)聯(lián)腳本與攝像機、模型，實現(xiàn)自由觀察功能，確定模型是攝像機的跟隨目標，完成關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)自由觀察功能。

2.5 拆裝功能

為了能更好地了解和觀察減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組合方式，需要實現(xiàn)組合體拆裝的功能，且拆裝的過程要與現(xiàn)實中的拆裝順序相符。需要實現(xiàn)的效果是：將減速器拆分為若干個部分，拆裝過程中在一定時間里位于同一部分的零件能一起運動。當(dāng)點擊到界面的某一部分時，組件就會一同運動到合適位置，再進行分離運動，當(dāng)再次點擊同一部件時，則可順著分離的路徑重新進行組合。

2.5.1 拆裝前后坐標記錄

在錄制動畫前，確定好組合體拆裝前后運動的路徑、坐標，記錄下各部分運動的坐標、零件運動的坐標。

例如，記錄透氣塞拆裝前后的0～2 s時間內(nèi)坐標變化。移動前，組件坐標為（0，0，0），組件內(nèi)的零件透氣塞為（-0.002，2.152，-0.632）；1 s 時，組件的坐標為（0，2.597 85，0），此時組件已運動完成，但透氣塞仍需繼續(xù)運動；2 s 時，組件內(nèi)的透氣塞的坐標為（-0.002，2.859 43，-0.632），此時運動完成。

2.5.2 動畫錄制

記錄組合體的坐標，錄制動畫就有了先決條件。錄制動畫，就是依據(jù)時間指定給模型前后兩個坐標，模型就會依照設(shè)定的時間從第1 個坐標移動到第2 個坐標，圖4 所示為拆裝動畫效果。

圖4 拆裝動畫效果

2.5.3 動畫播放邏輯設(shè)置

錄制完動畫，要依靠動畫器組件對動畫進行邏輯設(shè)置保證動畫的播放順序。邏輯順序：要有一定的條件才能進行動畫播放，安裝動畫必須要在拆裝動畫播放之后才能播放。

2.5.4 腳本編寫

實現(xiàn)鼠標右鍵點擊物體達到拆裝效果的功能。主要腳本程序段如下：

2.5.5 腳本關(guān)聯(lián)動畫設(shè)置

一套拆裝動畫對應(yīng)一個觸發(fā)程序。在程序編譯完成后，將腳本添加到相對應(yīng)的零件上即可。

導(dǎo)入的模型不具備物理性質(zhì)，需要給模型添加碰撞體組件，賦予模型物理性質(zhì)，使得API能檢測到模型的存在。

2.6 轉(zhuǎn)場漸變功能

轉(zhuǎn)場漸變功能能直觀觀察到組合體和零件的制圖過程，也能很好地體會到3D模型實體與2D工程圖的異同之處。

實現(xiàn)方法：將3D 模型和2D 工程圖分別放置在兩個場景中，在3D 模型所在場景轉(zhuǎn)場到2D 工程圖所在場景時，呈現(xiàn)出漸變效果，使得在視覺上兩個場景的轉(zhuǎn)換過程更為流暢與平滑。學(xué)習(xí)者在觀看這一過程時，也就能有3D 模型慢慢“變”成2D工程圖的效果。

2.6.1 錄制模型旋轉(zhuǎn)動畫

對于3D 的模型來說，可以360°旋轉(zhuǎn)觀察特征。但對于2D的工程圖，只能從一個視角觀看。但轉(zhuǎn)場漸變功能要求攝像頭能觀察到的3D 模型場景和2D 工程圖場景的角度一致。例如當(dāng)減速器上箱體需要從3D 模型轉(zhuǎn)換到2D 的左視圖時，就需要在轉(zhuǎn)換前將減速器的角度調(diào)整到左視角度。運行場景，即可觀察到上箱體的旋轉(zhuǎn)過程。

2.6.2 匹配轉(zhuǎn)場前后場景

由于3D 模型視圖和2D 工程圖大小不一致，在進行轉(zhuǎn)場漸變的時候會顯得突兀。需進行一定的調(diào)整設(shè)置，使得兩個場景看起來大小一致，這樣進行轉(zhuǎn)場漸變就會顯得平滑、流暢了。同樣以減速器上箱體為例。首先是3D 模型的調(diào)整方法。單擊“攝像機”，在“檢查器界面投影”欄將“透視”改為“正交”，在大小欄調(diào)整視角大小，直至合適的尺寸。接著是2D 工程圖的調(diào)整方法。將圖片資源裝載到四邊形，單擊工程圖，在“檢查器坐標欄”修改合適的坐標使工程圖置于攝像機視線的最中心處。用“檢查器”調(diào)整工程圖的大小，使之與3D 模型大小相同。轉(zhuǎn)場漸變效果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)場前后對比

2.6.3 編寫轉(zhuǎn)場漸變效果腳本

設(shè)置“L”鍵轉(zhuǎn)場漸變功能，按下“L”鍵，畫面即從3D模型轉(zhuǎn)場漸變?yōu)?D 的工程圖，學(xué)習(xí)者就能直觀觀察模型圖到工程圖的過程。腳本大致分為3 個模塊；按下“L”鍵打開新場景；場景間切換的效果；效果實現(xiàn)后進行銷毀。程序段如下：

2.7 UI界面設(shè)計

主界面上設(shè)置4 個按鈕，分別鏈接到減速器、葉片泵、溢流閥和工程制圖基礎(chǔ)知識的子界面，界面分布如圖6 所示。主界面制作效果如圖7所示。

圖6 界面分布示意圖

圖7 主界面制作效果

3 《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺教學(xué)應(yīng)用

基于Unity3D 的《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺可幫助學(xué)習(xí)工程制圖基礎(chǔ)知識、組合體拆裝與工程圖繪制等內(nèi)容。根據(jù)《工程制圖》實訓(xùn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)要求，開發(fā)減速器結(jié)構(gòu)及其工程圖繪制實驗并實施到教學(xué)中。借助機電學(xué)院3D 裸眼虛擬顯示設(shè)備，增強沉浸感，實現(xiàn)更加逼真的仿真實驗，減速器拆裝實驗顯示效果如圖8所示。

圖8 拆裝實驗在3D裸眼設(shè)備顯示效果

3.1 實訓(xùn)教學(xué)項目

3.1.1 實訓(xùn)目標

學(xué)習(xí)減速器的結(jié)構(gòu)，了解減速器的內(nèi)部構(gòu)造和零件組成，提升學(xué)生的空間想象能力；對減速器整體及其主要零件的工程圖進行繪制，了解減速器模型圖與2D 工程圖的畫法區(qū)別，提升學(xué)生對工程制圖的運用能力。

3.1.2 實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

（1）學(xué)生進行減速器的拆裝操作

依次點擊螺釘、上箱體、齒輪軸，完成減速器主要組件的拆卸過程；旋轉(zhuǎn)、移動減速器，觀察研究減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組合方式，增強學(xué)生對減速器結(jié)構(gòu)的好奇心與學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對減速器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的認識，圖9 所示為學(xué)生拆卸減速器的過程。

圖9 拆卸減速器過程

（2）學(xué)生直觀體驗3D模型與2D工程圖的異同

學(xué)生進入到裝配圖模型界面，可以通過單擊“L”鍵，讓畫面由3D 模型漸變成2D 工程圖，為了強化學(xué)生對三維模型與二維工程圖的認知，該過程可重復(fù)切換操作，通過虛擬仿真技術(shù)[15-16]，學(xué)生能“身臨其境”地感受到“真實”的場景，圖10所示為減速器正視圖漸變過程。

圖10 減速器正視圖漸變過程

（3）分組探究，提升空間想象能力

將班級里的學(xué)生進行分組，4 人為一組進行合作探究，讓學(xué)習(xí)者仔細觀察各零部件的3D 模型與2D 工程圖的轉(zhuǎn)化，并讓學(xué)生進行總結(jié)和分享，以此提升學(xué)生的空間想象能力。

（4）課堂練習(xí)與課后作業(yè)

拆裝減速器，找到主要零件在里面的位置，并說明所起到的作用（教師隨機提問）。在減速器裝配圖三視圖內(nèi)找出9 個主要零件，能自主操作將零件分離開，并畫出該零件的簡圖（教師隨機提問）。參考所學(xué)減速器零件圖的畫法，繪制出圖11所示的三視圖。

圖11 課堂作業(yè)

3.2 教學(xué)效果

為探究虛擬仿真實驗平臺在《工程制圖》課程中的應(yīng)用效果，選擇機電學(xué)院20機械1班和20機械2班進行教學(xué)實驗，共80 名本科學(xué)生，兩個班上一學(xué)年綜合成績基本一致，因此符合開展本次教學(xué)實驗的條件。20 機械1 班為對照班（40 人），20 機械2 班為實驗班（40 人），對照班實施傳統(tǒng)實操教學(xué)，實驗班采用結(jié)合虛擬仿真平臺的實操教學(xué)，對兩個班進行一學(xué)期的教學(xué)實驗，表1所示為實驗班與對照班的實訓(xùn)成績對比表。

表1 實驗班與對照班的實訓(xùn)成績對比表

從實訓(xùn)成績上看，對照班學(xué)生的成績在60～69 分之間人數(shù)占比為40%，成績在80～89 分之間的人數(shù)占比為17.5%。而實驗班學(xué)生的成績在60～69 分之間的人數(shù)占比為12.5%，成績在80～89 分之間的人數(shù)占比為50%。因此，將虛擬仿真平臺應(yīng)用到本科《工程制圖》課實訓(xùn)教學(xué)中，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真實驗程制圖》課程實訓(xùn)教學(xué)效果不佳的問題。

4 結(jié)束語

《工程制圖》虛擬仿真實驗平臺實訓(xùn)教學(xué)打破了傳統(tǒng)的“教師講授”、“教師演示，學(xué)生簡單模仿”的教學(xué)模式，利用虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)生呈現(xiàn)更為直觀的學(xué)習(xí)情境，一方面不僅有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與體驗感，讓學(xué)生通過“玩”內(nèi)化知識，另一方面有利于提高學(xué)生的空間想象能力，突破思維能力不高的局限，學(xué)生通過自己動手操作，加強學(xué)生對工程制圖的運用能力。依托虛擬仿真實驗平臺開展實訓(xùn)教學(xué)，發(fā)揮了虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢和長處，打破了傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)的時空限制，有效解決了高校實訓(xùn)教學(xué)效果不佳、設(shè)備不足、學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣與體驗感不高等問題。智能制造系列課程實訓(xùn)教學(xué)改革是一個長期積累的過程，要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點不斷優(yōu)化虛擬仿真系統(tǒng)，從而促進教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。