基于Unity3D的一級減速器虛擬實驗室構建研究

郭雪建，徐國棟

（西南林業(yè)大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224）

0 引言

“工程制圖”作為理工科學生，尤其是機械專業(yè)學生的一門重要課程，而機械零部件的測繪也是一種所必需的專業(yè)技能。在傳統(tǒng)的教學模式中，任課老師一般會以物理模型和幻燈片等形式進行授課，這樣做的缺點是：很難形象地表達出模型的三維形式與二維形式的轉換過程。而在課后，由于沒有模型，學生的學習情況更加困難。一級減速器一般適用于低轉速、大扭矩的傳動設備。例如：電動機、內燃機或其他高速運轉的設備，都可以通過與減速機的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合，再用輸出軸上的大齒輪輸出動力，來達到減速的目的，普通的減速機也會有幾對相同原理齒輪達到理想的減速效果。減速器的大小齒輪的齒數(shù)之比，就是傳動比。減速器的繪制是制圖課程中非常重要一環(huán)，學生在這個課程中經(jīng)常遇到各種問題，本虛擬實驗室致力于減少其中的部分問題。

1 虛擬實驗室特點

虛擬實驗室主要有以下特點：

（1）沉浸性。又稱為“臨場感”，是指通過相應的輸出設備，給使用者營造出一種具有很高的真實度的場景，讓用戶感覺好像置身于屏幕所顯示的情節(jié)中。

（2）多感知性。即能夠使使用者在虛擬的環(huán)境中感知到多形式、多方位的信息。

（3）實時交互性。指用戶在虛擬環(huán)境中，通過各種輸入設備和輸出設備，與虛擬物體進行的相互作用的行為，以最自然的方式進行人機交互。

（4）自主性。是指設計者通過腳本控制虛擬系統(tǒng)中的各個物體，使得虛擬系統(tǒng)中的物體在獨立活動、相互作用以及用戶交互過程中的運動規(guī)律滿足自然規(guī)律或者是遵從于設計者的設定活動。

（5）想象性。在虛擬系統(tǒng)環(huán)境中，用戶可以通過系統(tǒng)反饋獲得的各種信息結合自身特點發(fā)出的行為序列。

2 虛擬實驗室的建立

2.1 模型的建立

SolidWorks 是現(xiàn)在主流的一個三維機械設計軟件，它功能強大、易學易用，且在大學的教育課程中也有教授使用，基于這些特點，我選擇使用SolidWorks 來建立物體模型。

由于文件格式不互通的問題，SolidWorks 所保存的文件不能直接導入到Unity3D 中，需要轉換格式。首先在SolidWorks 繪制完成后，保存為STEP 格式，繼而導入到3DsMax 中，導出FBX 格式，這樣即可在Unity3D 中成功導入繪制完成的模型。

2.2 操作系統(tǒng)的構建

在Unity3D 中，想要實現(xiàn)的各種功能，主要由綁定在各個物體上的組件來完成。但是組件的功能有限，不能滿足設計者的所有要求。因此，就需要設計者通過C#編程語言，來撰寫腳本代碼，再將腳本綁定在相應的物體上，并通過Unity3D 的Inspector 的面板設置各個參數(shù)，即可滿足設計者的設計要求。本虛擬實驗室共使用了以下5 個腳本。

2.2.1 旋轉縮放

完成“通過鼠標左鍵拖動控制物體旋轉，通過滾動鼠標滾輪控制物體縮放”功能的腳本Camera Control.cs。

此腳本中，Target 表示旋轉以及縮放中心的目標物體；該腳本通過控制主相機與目標物體的距離來完成物體的縮放工作，Distance 表示相機與目標物體的初始距離；Distance Max（Min）分別表示鼠標中間滑動控制的相機與物體的最大（?。┚嚯x；X（Y）Speed 分別表示鼠標滑動時物體的X（Y）軸的旋轉速度；Y Max（Min） Limit 分別表示物體在Y 軸方向的旋轉的上（下）限；Mouse Scroll Wheel Sensitivity 表示鼠標滾輪的靈敏度。其腳本框架為：

以及方法public float Clamp Angle(float angle,float min,float max)，用以把旋轉的角度限定到給定的范圍之內。

2.2.2 自由拖動

完成“通過鼠標右鍵點擊并拖動物體”功能的Remove.cs 腳本，其中主要屬性為：chai 即為所需要拖動的主物體（父物體）。但是，在虛擬拆卸時，由于虛擬零件不具備實體，不能產(chǎn)生如同現(xiàn)實世界中一樣的物理反饋，一次在零件之間常常會出現(xiàn)穿透重疊現(xiàn)象。

腳本框架為：

2.2.3 運行原理

完成“使各個零部件移動到指定位置和運動規(guī)律，并顯示主要零件的二維圖”功能的Run Principle.cs 腳本。

此腳本中的屬性為控制各個零部件的運動，例如每個零部件需要運動到的位置、速度，以及控制齒輪的旋轉速度和旋轉中心，腳本框架為：

2.2.4 零部件圖

完成“點擊主要零部件，展示對應的二維圖”功能的Pictures.cs 腳本。其腳本框架為：

2.2.5 控制腳本

完成主要控制功能的Control.cs 腳本，與Unity3D 的Scene 場景中Canvas 內的各個按鈕搭配使用，從而達到控制各個腳本實現(xiàn)/禁用的目的。腳本結構為：

2.3 虛擬實驗室成果展示

進入虛擬實驗室中，初始界面如圖1所示，界面中心為主物體“一級減速器”，右側有“自由拖拽”“運行原理”“零部件圖”三個按鈕，點擊之后可以進入對應界面，并激活相應功能腳本。在本虛擬實驗室中的任意界面中，均可實現(xiàn)“通過鼠標左鍵拖動控制物體旋轉，通過滾動鼠標滾輪控制物體縮放”功能。

圖1 初始界面

點擊“自由拖拽”按鈕后，會激活Remove.cs 腳本，可以通過鼠標右鍵隨意拖動一級減速器的各個零部件。在界面右下角會出現(xiàn)“返回”按鈕，點擊之后會返回到初始界面。如圖2所示。

圖2 自由拖拽界面

點擊“運行原理”按鈕后，會激活Run Principle.cs 腳本，此場景中各個零部件會按照給定速度移動到指定位置，以展示內部中齒輪的旋轉，還可以在此界面中通過點擊主要零件獲取其二維圖紙，如圖3所示。

圖3 運行原理界面

點擊“零部件圖”按鈕后，會激活Part Hide.cs 腳本，在此界面中，點擊任一零件，將隱藏其他零件以便于觀察該零件。如圖4所示。

圖4 零部件圖界面

3 結論

對于教育資源不夠充分的學校來說，實驗室教學的不足一直是影響學生教育的一大因素。隨著計算機技術、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，虛擬實驗室對于學生的教育越來越能起到重要的影響。本文設計的虛擬實驗室，使用Unity3D 平臺，可以生成電腦單機版的.exe 可執(zhí)行文件。解決了實驗室教學設備昂貴稀少導致的學生無法訓練的難題。