裝載機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)的研究

李皓杰，李 鋼，丁浩杰，陳子恒，賈家和，李子興，周之翔

（南京工程學(xué)院，南京 211167）

0 引言

目前，機(jī)械裝配類虛擬實(shí)驗(yàn)多以汽車、發(fā)動機(jī)、葉輪等載體，多借助爆炸圖、立體動畫以及圖文介紹等表達(dá)結(jié)構(gòu)關(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)拆裝要領(lǐng)。而機(jī)械類相關(guān)沉浸式體驗(yàn)虛擬過程、多路徑裝配的研究較少。焦祥等[1]利用Solidworks、3Ds Max 等軟件實(shí)現(xiàn)了場景模型和夾具原件模型的構(gòu)建。成功將裝配素材導(dǎo)入到Unity3D平臺中，實(shí)現(xiàn)了夾具拆裝實(shí)訓(xùn)的虛擬仿真。丁毓峰[2]利用Unity3D 的虛擬場景搭建和Web開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了Web 網(wǎng)頁和Unity3D 軟件的交互。陳晨等[3]利用VR 技術(shù)和Make Real3D軟件構(gòu)思了一種新的設(shè)計(jì)模式。獨(dú)創(chuàng)性地提出了使用動態(tài)捕捉與仿真交互的想法，合理地證明了虛擬仿真技術(shù)的不受時空限制的優(yōu)越性。杜來紅等[4]根據(jù)企業(yè)里的實(shí)際生產(chǎn)情況，利用HumanCAD 設(shè)計(jì)了虛擬裝配環(huán)境。在對分配閥的裝配過程進(jìn)行典型案例分析的過程中，證明了在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題，并且后續(xù)可以以此提出解決措施，大大減少相似錯誤的發(fā)生率。成建群等[5]通過研究Unity3D 引擎的架構(gòu)，研發(fā)了一種輕量化服務(wù)器。體現(xiàn)了虛擬仿真系統(tǒng)所具有的良好的開發(fā)前景，較好地滿足了數(shù)據(jù)庫與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁開發(fā)的需求。

通過以上的綜述可以看出，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對工程機(jī)械裝配的開發(fā)很少涉及，尤其是高校與企業(yè)迫切需要這一方面?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)模式的改革。另外，對裝載機(jī)零件建模的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及平臺的開發(fā)還很少有實(shí)際性的研究。

1 虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 Unity3D平臺的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

UI 設(shè)計(jì)是一門高深的學(xué)問，本文所展示的UI 設(shè)計(jì)是在Unity3D 環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)出的實(shí)驗(yàn)操作功能界面。本著簡潔大方的設(shè)計(jì)理念，通過canvas實(shí)現(xiàn)多個按鈕的設(shè)計(jì)，包括預(yù)期拆除、裝配的功能按鈕，也包括為了方便實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的重置與返回主視角按鈕，同時不忘預(yù)留退出按鈕的位置。報(bào)錯界面的設(shè)計(jì)也是簡約美觀，醒目的彈框報(bào)錯文本與返回主界面的按鈕，更使得操作流暢，富有人性化。字體的選擇，大小的設(shè)置都是經(jīng)過反復(fù)推敲與測試，按鈕的功能不僅與預(yù)期功能相契合，也符合簡約大方的設(shè)計(jì)理念。

1.2 數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)站搭建

在智能制造領(lǐng)域大熱的今天，數(shù)據(jù)庫技術(shù)逐漸嶄露頭角。本文所設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也在該方面進(jìn)行了少量的研究。主要運(yùn)用的技術(shù)軟件有Tomcat、Eclipse、Mysql 等，主要設(shè)計(jì)的方向是對Unity3D 所生成的WebGL 文件進(jìn)行二次開發(fā)，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)簡單服務(wù)器的搭建、網(wǎng)站式登錄界面的設(shè)計(jì)與登錄信息數(shù)據(jù)庫的連接。

1.3 虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次虛擬仿真系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要使用的是Unity3D 軟件。在版本上選擇的是Unity 2017.3.1f1，因2019版本后的Unity3D軟件，許多默認(rèn)的素材包和腳本功能需要自行下載，而一些方便快捷的素材在2019 版本后的使用中，往往要進(jìn)行版本的自適應(yīng)，代碼和導(dǎo)出exe文件時容易出現(xiàn)報(bào)錯的現(xiàn)象。

本次虛擬仿真系統(tǒng)的主要功能：實(shí)現(xiàn)主傳動裝配體的拆裝功能，實(shí)現(xiàn)裝、拆操作時視角的自由切換，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)懸停顯示零件名的功能等。

2 基于Unity3D環(huán)境下的主傳動拆裝交互實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬拆裝功能的實(shí)現(xiàn)

本次針對零件的虛擬拆裝，選用了Unity3D 的Dotween 插件，往transform 屬性方向編寫代碼來實(shí)現(xiàn)功能。通過transform拓展方法里的position 程序段，可以巧妙地預(yù)設(shè)零件的初始位置和末位置。程序設(shè)置后，使用順序語句，對各個零件進(jìn)行0～21 的設(shè)定，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件實(shí)現(xiàn)拆、裝動作的開始。另一方面，Dotween 插件也能實(shí)現(xiàn)Camera 的視角移動，不僅可以調(diào)整屏幕視角的寬高比，也可以改變相機(jī)進(jìn)切面、遠(yuǎn)切面的值，可以按照屏幕百分比計(jì)算顯示的范圍。并且在后續(xù)切換主視角的開發(fā)中Dowteen插件的運(yùn)動曲線的設(shè)置也起了一定的作用。

將FBX 格式下的文件拖入U(xiǎn)nity3D 操作界面下的Assets 文件夾下，為了方便操作，在Assets 文件下新建Scprits 文件夾預(yù)存寫好的組成代碼，同時在Game 文件下添加一個Cube，將主傳動FBX 格式的文件拖入Cube中，同時取消勾選“Mesh Renderer”使其消隱。此時調(diào)整好主攝像機(jī)和放零件的Cube 的位置關(guān)系，以確保主畫面中能夠完整顯示主傳動零件。記錄此時Inspector 功能框下的transform 坐標(biāo)，之后再預(yù)設(shè)好該零件的末位置。在Scprits文件夾中將組成代碼直接拖入該零件的Inspector 功能框下，此時即可掛上First Pos 的坐標(biāo)與Second Pos 的坐標(biāo)，即為零件拆裝前后的兩個坐標(biāo)。

在第一個零件組成代碼下應(yīng)該輸入0，聲明為第一個拆裝的零件。以此類推22 個零件，組成代碼都應(yīng)該掛好兩個坐標(biāo)與0～21 的排序。后期為了實(shí)現(xiàn)不同零件的區(qū)別展示，此時可以創(chuàng)建素材球，不同的素材球?qū)Ⅲw現(xiàn)不同的外觀色彩顯示。最重要的是，為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊不同的零件觸發(fā)不同的零件的操作指令，需要在每一個零件的Inspector 功能框下通過“Add Component”增加碰撞事件，即增加“Mesh Collider”功能。

2.2 鼠標(biāo)懸停顯示零件名稱和報(bào)錯功能的實(shí)現(xiàn)

本文交互界面框架的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)原理是通過在Game界面下右鍵后添加UI，應(yīng)當(dāng)注意的是按鈕的排布不應(yīng)該超過整個畫布的設(shè)置，而畫布大小的設(shè)置應(yīng)當(dāng)先去Game界面下在分辨率一欄中修改，本文設(shè)置為目前較常用的1 920×1 080格式。而之所以在鼠標(biāo)懸停顯示零件名稱功能和報(bào)錯功能的實(shí)現(xiàn)中，著重強(qiáng)調(diào)按鈕功能的設(shè)計(jì)，也是因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)文字顯示和報(bào)錯功能時，離不開按鈕功能選擇后的前置環(huán)境?？梢哉f在設(shè)計(jì)時是層層嵌套、環(huán)環(huán)相扣的。在對整個Canvas掛腳本的時候，會用到設(shè)置好的按鈕為目標(biāo)，也會用到0～21排序的主傳動零件，更會用到一開始便設(shè)計(jì)好的主相機(jī)的位置。在添加報(bào)錯UI時，為了使其達(dá)到觸發(fā)顯示，應(yīng)該取消勾選其的顯示性，并在其子列表下添加文本于關(guān)閉報(bào)錯按鈕于關(guān)閉報(bào)錯按鈕的文本。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊順序與預(yù)設(shè)的0～21序號順序不同時，就會觸發(fā)報(bào)錯UI的運(yùn)行，彈出報(bào)錯對話框。

而另一功能顯示零件名稱，本文是通過預(yù)設(shè)體Prefab 實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行預(yù)設(shè)時可以輸入任意零件名，合理設(shè)置字體大小與格式后，返回Word 文件，通過“Add Component”功能添加“Image”，選擇”Source Image”，導(dǎo)入找到的顯示文字的文本框圖片資源，合理設(shè)置文本框大小、透明度等功能。最后在將預(yù)設(shè)好的Word Follow 腳本拖入其“Inspector”界面，控制好顯示物體名稱功能的偏移量等設(shè)置。

2.3 視角自由移動的實(shí)現(xiàn)

Unity3D 軟件高仿真性的一個主要原因便是其強(qiáng)大的相機(jī)功能。對于本文的第一人稱視角實(shí)現(xiàn)主傳動零件的拆裝，視角的全方位移動與自由地拉近拉遠(yuǎn)，極大程度地影響著虛擬環(huán)境的視覺體驗(yàn)，本文不僅在最初導(dǎo)入FBX文件的時候就考慮到了Cube 與主相機(jī)的位置關(guān)系，同時將文件放入Cube 中也是為了通過Cube 的旋轉(zhuǎn)和位置屬性，去實(shí)現(xiàn)主相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和拉近拉遠(yuǎn)。本文的鼠標(biāo)控制視角的自由移動代碼便是由此而生，掛在了Main Camera下，作用的Target便是一開始設(shè)置的Cube。

整個實(shí)驗(yàn)的外部環(huán)境的設(shè)計(jì)，使用的是skybox功能。天空盒的資源可以從網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行下載，下載完成后通過點(diǎn)擊“assets”-“importpackage”-“skyboxes”即可導(dǎo)入虛擬環(huán)境。注意有些skybox導(dǎo)入后仍要手動修改圖片的順序才能正常使用。

3 主傳動拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

3.1 界面設(shè)計(jì)原理

本文的界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在Unity環(huán)境下通過按鈕控制多個界面切換，其主要思路是設(shè)計(jì)認(rèn)知與實(shí)驗(yàn)操作兩個模塊。認(rèn)知模塊包含主傳動拆裝的目的，主傳動結(jié)構(gòu)介紹和虛擬拆裝的順序介紹3個子界面，界面與界面之間的切換通過“返回”按鈕實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)操作模塊鏈接上一章所做的虛擬裝配環(huán)境。每個子二級界面各自擁有獨(dú)立界面，擁有一個返回認(rèn)知模塊主界面的按鈕。在實(shí)際編程之前，列好每一個界面的功能和其返回按鈕對應(yīng)的界面關(guān)系，可以較好的理清楚各個界面直接的跳轉(zhuǎn)關(guān)系，這樣既方便在Unity中進(jìn)行代碼的設(shè)計(jì)，又能起到檢查整個界面框架的完整性的功能。

3.2 界面跳轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)

本次界面設(shè)計(jì)共需要制作5 張界面，即：主界面、實(shí)驗(yàn)理論模塊界面、主傳動拆裝實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕缑?、主傳動結(jié)構(gòu)介紹界面和虛擬拆裝順序介紹界面。認(rèn)清各個界面的跳轉(zhuǎn)關(guān)系后，即可開始素材的準(zhǔn)備以及界面按鈕的設(shè)計(jì)規(guī)劃。

在通過if 判斷語句實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)按需顯示界面之后，需要對5個界面進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，基于Unity Engine.Scene Management 控件，實(shí)現(xiàn)從主界面上“虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)?zāi)K”按鈕導(dǎo)向上一章的Unity 虛擬拆裝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)從Unity 虛擬拆裝環(huán)境下的“退出”按鈕返回主界面。

在實(shí)現(xiàn)了各個模塊與對應(yīng)界面的邏輯切換后，便是對各個界面的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于Unity3D 中強(qiáng)大的UI模塊，撇去按鈕模塊，本文的界面設(shè)計(jì)還采用了text 和image 模塊。其中text 模塊實(shí)現(xiàn)的是簡單的文字顯示功能，包括所顯示文字的字體、字號、格式、顏色等。而image 模塊則是背景圖片功能的選擇，在將原素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity 項(xiàng)目之后，需要將其更改為“Sprite（2D and UI）”才可以使用。

4 服務(wù)器搭建與基于Java的網(wǎng)頁開發(fā)

4.1 Jsp網(wǎng)頁開發(fā)步驟

當(dāng)點(diǎn)擊上一章所發(fā)布的index.html 后，將直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。而對于一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)而言，仍缺少適當(dāng)?shù)挠脩舻卿浥c注冊功能，尚未實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫連接的功能，更不用說記錄一些基本的登錄用戶信息，這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是不完善的。為此，本文通過使用Eclipse 軟件，進(jìn)一步補(bǔ)充了該部分的功能。具體的開發(fā)流程如下：首先，配置適當(dāng)版本的JDK，本文使用的是version11；其次，配置Web 服務(wù)器，本文使用的是Tomcat9；最后，在Eclipse 中完成整個網(wǎng)頁界面的開發(fā)，本文使用的Eclipse版本為Eclipse2020-12-R。

4.2 JDK配置方法

在進(jìn)行JDK配置前，應(yīng)安裝好所需要的適宜版本的JDK 文件。JDK 文件的具體配置方法如下：打開控制面板—系統(tǒng)—高級系統(tǒng)設(shè)置—環(huán)境變量—系統(tǒng)變量—新建，在變量名中輸入“JAVA_HOME”，在變量值中輸入下載JDK 文件的地址，之后點(diǎn)擊確定即可。調(diào)試可以通過在命令程序符中輸入java -version進(jìn)行，JDK已經(jīng)配置完畢。

4.3 配置Web服務(wù)器

同樣地，在進(jìn)行Web服務(wù)器配置前，應(yīng)該先安裝好適當(dāng)版本的Tomcat文件。安裝完成后打開Bin 文件夾中的Startup 文件即可獲得端口，本文獲取的端口為7878。配置成功后，在瀏覽器中輸入localhost：7788，服務(wù)器搭建完成。

4.4 JDK基于Eclipse環(huán)境下的Web開發(fā)

由于本次網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)，主要是想對從Unity3D 平臺發(fā)布出來的WebGL網(wǎng)頁進(jìn)行二次開發(fā)，所以需要Eclipse版本符合web項(xiàng)目開發(fā)的要求，本文選取的是Eclipse2020-12-R的版本。

啟動后，在電腦上新建一個命名為simmis 的Workplace，之后點(diǎn)擊launch 進(jìn)入開發(fā)界面。在File 中新建一個Dynamic Web Project，命名為testsumilateMIS，version 選擇2.5，Target runtime 選擇對應(yīng)的Tomcatv9.0。至此web 工程項(xiàng)目便有了雛形，之后便需要不斷地在Webcontent文件下進(jìn)行頁面的開發(fā)設(shè)計(jì)。首先先新建一個命名為index 的首頁jsp file，注意應(yīng)將字符集改為utf-8。之后即可在Body 中進(jìn)行首頁的開發(fā)設(shè)計(jì)。本文將首頁分為4 個部分，分別是頭部（header）、菜單欄（menu）、展示區(qū)（show）與頁腳（footer）。為了避免index 命名重復(fù)，將第六章生成的Web 文件更名為“show”，同時將3個文件統(tǒng)一導(dǎo)入Webcontent 文件下。之后對header.jsp、menu.jsp 與footer.jsp 進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，達(dá)到首頁上頭部顯示歡迎來到仿真系統(tǒng)平臺，菜單欄上顯示仿真系統(tǒng)｜用戶登錄｜用戶注冊，展示區(qū)顯示Unity3D 導(dǎo)出的html 文件，頁腳處顯示版權(quán)的功能。在show.html中可以通過更改title的方法，更改右下角顯示的字符串，完成index界面設(shè)計(jì)。

完成了index 界面的設(shè)計(jì)后，應(yīng)該對該界面上的菜單欄顯示的功能按鈕進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時在考慮登錄功能的開發(fā)前，應(yīng)該先進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立，之后再進(jìn)行登錄與注冊功能的腳本開發(fā)。本文采用的數(shù)據(jù)庫為userinfo表，選用的MySQL版本為8.0。數(shù)據(jù)庫建立完成后，通過在Java Resources 文件下創(chuàng)建多個工具包與庫，逐步分層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站的注冊與登錄功能。

5 結(jié)束語

基于廣大機(jī)械專業(yè)對裝載機(jī)拆裝學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)的實(shí)際需求，本文對裝載機(jī)上主傳動部分進(jìn)行了一定程度地虛擬拆裝?；赨nity3D 平臺，對裝載機(jī)主傳動部分進(jìn)行了虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)主傳動虛擬拆裝操作、實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)自由控制視角的旋轉(zhuǎn)和距離、實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)懸停顯示零件名的功能、實(shí)現(xiàn)了拆裝順序設(shè)計(jì)與報(bào)錯功能、實(shí)現(xiàn)了拆裝過程中主視角的返回與隨時重置拆裝操作的功能?；贓clipse 平臺對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了有效連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該具備的用戶注冊與登錄功能。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于增強(qiáng)機(jī)械專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率，能讓操作者更好地掌握主傳動拆裝時的技術(shù)要點(diǎn)與結(jié)構(gòu)原理。