面向汽車底盤構(gòu)造教學(xué)的虛擬拆裝實踐教學(xué)平臺開發(fā)

韓粵華 羅國宇

摘 ?要：虛擬仿真實踐教學(xué)平臺具有較強的交互性、沉浸性、仿真性，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到以虛促實、虛實結(jié)合的教學(xué)目的。為彌補傳統(tǒng)汽車底盤構(gòu)造實踐教學(xué)中設(shè)備更新慢、數(shù)量少、易受空間限制等問題，利用虛擬仿真實踐教學(xué)手段輔助現(xiàn)實實踐教學(xué)的方法，開發(fā)了一款基于Unity3D軟件的虛擬拆裝實踐教學(xué)平臺。該平臺以現(xiàn)實實踐教學(xué)要求為依據(jù)，設(shè)置了多個教學(xué)模塊，有助于提高教學(xué)效率，降低實踐教學(xué)成本。

關(guān)鍵詞：汽車底盤構(gòu)造；虛擬現(xiàn)實；實踐教學(xué)平臺；Unity3D

中圖分類號：TP311 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：2096-4706（2023）16-0034-06

Development of Virtual Disassembly and Assembly Practice Teaching Platform for Automobile Chassis Construction Teaching

HAN Yuehua， LUO Guoyu

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang ?550025， China）

Abstract： Virtual simulation practice teaching platform has strong interaction， immersion， simulation， can effectively stimulate students' interest in learning， so as to achieve the teaching purpose of promoting reality by virtual， virtual and real combination. In order to make up for the problems such as slow equipment update， small quantity and easy to be restricted by space in the practice teaching of traditional automobile chassis construction， a virtual disassembly and assembly practice teaching platform based on Unity3D software is developed by using virtual simulation practice teaching method to assist real practice teaching. Based on the requirements of real practice teaching， the platform sets up multiple teaching modules， which helps to improve the teaching efficiency and reduce the cost of practice teaching.

Keywords： automobile chassis construction; virtual reality; practice teaching platform; Unity3D

0 ?引 ?言

近幾年，我國對經(jīng)濟發(fā)展提出了更高的要求，科技創(chuàng)新上升到了一個新的高度，機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展愈加精細(xì)化、復(fù)雜化。為達到機械自動化生產(chǎn)的目的，培養(yǎng)從業(yè)人員對高校中各種機械相關(guān)知識學(xué)以致用的能力，計算機技術(shù)與機械專業(yè)教育培訓(xùn)高度融合[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)（簡稱VR）有著獨特的沉浸性和交互性特點，是被廣泛應(yīng)用的計算機技術(shù)之一。在國家政策及行業(yè)發(fā)展的推動下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計、生產(chǎn)、培訓(xùn)等多方面得以研究和應(yīng)用，不僅幫助行業(yè)生產(chǎn)降低了成本、縮短了設(shè)計周期，還為企業(yè)生產(chǎn)營造出了安全可靠的生產(chǎn)環(huán)境[2，3]。高校作為培養(yǎng)從業(yè)人才的搖籃，也在大力發(fā)展虛擬教學(xué)來彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足。許多高校研究人員結(jié)合課程需要開發(fā)了一系列基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐教學(xué)系統(tǒng)，投入使用后取得了良好的效果[4-6]。汽修專業(yè)的虛擬教學(xué)研究涵蓋了汽車整車構(gòu)造虛擬拆裝實訓(xùn)和汽車局部系統(tǒng)虛擬實驗教學(xué)兩方面，例如徐勁力在增強現(xiàn)實環(huán)境下對汽車后橋虛擬拆卸系統(tǒng)的完善[7]、王建華針對汽車整車構(gòu)造教學(xué)的虛擬拆裝實訓(xùn)平臺的研究等[8]。

汽車底盤構(gòu)造實踐教學(xué)是高校汽修專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，其中包含了傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系四大部分的結(jié)構(gòu)拆裝與維修，有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、更新快、不同類型的汽車底盤結(jié)構(gòu)不盡相同等特點[9]。而傳統(tǒng)的汽車底盤構(gòu)造實踐教學(xué)很難保證有足夠多的新式教具，并且教學(xué)過程中操作稍有不當(dāng)便會造成教具磨損和丟失。此外，當(dāng)前正處在后疫情時代，實踐教學(xué)這一類受空間限制的課程受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致理論教學(xué)與實踐教學(xué)嚴(yán)重脫節(jié)[10]。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到汽車底盤構(gòu)造拆裝與維修實踐教學(xué)中，繼續(xù)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)克服實踐教學(xué)的不足十分有必要。

本文基于Unity3D、SolidWorks、3Ds Max等軟件搭建虛擬拆裝的實踐教學(xué)平臺，利用C#編程和XDreamer插件實現(xiàn)平臺的層級跳轉(zhuǎn)、動態(tài)交互以及主要功能邏輯控制。具有虛擬仿真效果的實踐教學(xué)平臺可與現(xiàn)實實踐教學(xué)相結(jié)合，彼此互補，不僅可擴大實踐教學(xué)的受眾范圍、提升教學(xué)的精準(zhǔn)性，還可讓學(xué)生不受時間和空間限制自主學(xué)習(xí)，重復(fù)操作，能有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

1 ?汽車底盤構(gòu)造典型結(jié)構(gòu)分析和運作原理

平臺以汽車底盤制動系統(tǒng)中的車輪制動器為對象進行案例開發(fā)。車輪制動器是制動系統(tǒng)產(chǎn)生制動力、阻礙車輪運動或運動趨勢的部件，主要有盤式制動器和鼓式制動器兩大類。為讓教學(xué)內(nèi)容貼近行業(yè)發(fā)展，盤式制動器選取奧迪S6前輪制動器，其為固定式六活塞卡鉗+通風(fēng)盤的組合結(jié)構(gòu)。鼓式制動器以東風(fēng)牌EQ3092FJ自卸車的后輪領(lǐng)從蹄式制動器為例。兩種典型制動器的結(jié)構(gòu)及運作原理如圖1所示。

盤式制動器主要由制動盤、卡鉗和制動塊組成。制動盤是盤式制動器的旋轉(zhuǎn)部件，通過螺栓與輪轂相連，與輪轂同步旋轉(zhuǎn)?？ㄣQ是執(zhí)行制動的核心裝置，制動總泵傳遞來的液壓力經(jīng)過卡鉗轉(zhuǎn)換為機械作用力。在液壓力的作用下，活塞推動制動塊夾緊制動盤，從而產(chǎn)生制動力完成制動。

鼓式制動器主要由制動蹄和制動鼓組成。制動鼓是鼓式制動器的旋轉(zhuǎn)部件，內(nèi)側(cè)與輪轂相連，與輪轂同步旋轉(zhuǎn)。制動總泵傳送到分泵的制動液壓力使制動蹄片張開壓緊在旋轉(zhuǎn)的制動鼓上，制動蹄片與鼓之間產(chǎn)生的摩擦力使制動鼓和車輪減速直至停止轉(zhuǎn)動。

2 ?平臺總體方案設(shè)計及開發(fā)流程

2.1 ?總體方案設(shè)計

開發(fā)虛擬拆裝實踐教學(xué)平臺主要用于輔助現(xiàn)實實踐教學(xué)，作為現(xiàn)實教學(xué)的補充。因此，在參考汽車底盤構(gòu)造拆裝與維修實踐教學(xué)的教學(xué)要求和課程標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)中設(shè)置了制動器認(rèn)知學(xué)習(xí)、虛擬拆裝演示、手動拆裝練習(xí)、制動器維修與檢測知識學(xué)習(xí)和虛擬拆裝考試模塊。模塊間的順序參照實際的拆裝教學(xué)順序和學(xué)生的認(rèn)知特點設(shè)置，并添加了簡潔明了的操作界面和交互功能。

2.1.1 ?制動器認(rèn)知學(xué)習(xí)模塊

認(rèn)知學(xué)習(xí)模塊的目的是加深學(xué)生對制動器結(jié)構(gòu)的理解，掌握不同類型制動器的運行原理和應(yīng)用范圍。該模塊使用UI文字對制動器的運行原理進行解釋說明，并通過動畫的形式仿真出兩種車輪制動器的內(nèi)部運作情況。在模塊的界面中設(shè)置“制動”和“松開”按鈕，學(xué)生可通過鼠標(biāo)點擊按鈕實現(xiàn)對制動器運行動畫的控制。此外，為讓學(xué)生能360°旋轉(zhuǎn)觀察制動器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將車輪及制動器的外殼等部分結(jié)構(gòu)添加了透明材質(zhì)。功能效果如圖2所示。

2.1.2 ?虛擬拆裝學(xué)習(xí)模塊

虛擬拆裝演示功能可代替教師的示范教學(xué)，手動拆裝練習(xí)功能可以幫助學(xué)生掌握拆裝步驟、拆裝流程，虛擬拆裝考試模塊可快速檢驗學(xué)生對制動器拆裝學(xué)習(xí)的掌握情況。針對這些實踐操作模塊，模塊界面中設(shè)置了拆裝步驟列表、拆裝演示進度條、拆裝考試答題列表、工具欄和提示欄等。學(xué)生通過拖動或點擊模型來進行拆裝練習(xí)，根據(jù)拆裝步驟需要選擇工具輔助拆裝，并可通過鼠標(biāo)點擊提示欄按鈕來幫助完成練習(xí)和考試，增強了虛擬拆裝的交互性和便利性。此外，在拆裝考試模塊中還提供了答題、跳過和計分等功能，學(xué)生每完成一個步驟的正確操作，便做計分處理，最后根據(jù)累計計分得出學(xué)生的拆裝考試成績。此部分效果如圖3、圖4、圖5所示。

2.1.3 ?制動器維修與檢測知識學(xué)習(xí)模塊

車輪制動器的檢測和維修主要針對制動盤厚度磨損、摩擦片磨損等方面。對于制動器常見維修知識點，在三維模型中將制動盤、摩擦片等零部件添加三維標(biāo)注點進行標(biāo)記，學(xué)生點擊標(biāo)記點便會彈出相應(yīng)的維修知識，以此來完成對車輪制動器的檢測和維修知識點的學(xué)習(xí)。維修與檢測知識學(xué)習(xí)模塊界面如圖6所示。

2.2 ?開發(fā)流程

平臺開發(fā)主要基于Unity3D引擎，但因其無法進行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建模，固先在專業(yè)機械建模軟件SolidWorks中進行三維模型構(gòu)建。構(gòu)建好的模型導(dǎo)入3Ds Max軟件中進行模型的坐標(biāo)調(diào)整和優(yōu)化，然后保存為FBX格式文件導(dǎo)入Unity3D的資源庫中備用。在Unity3D引擎中使用XDreamer插件以及給相應(yīng)模型掛載腳本的方式實現(xiàn)平臺界面跳轉(zhuǎn)、動態(tài)交互等功能，搭建好平臺后根據(jù)教學(xué)需要打包發(fā)布在多方平臺中，供教學(xué)使用。開發(fā)流程如圖7所示。

3 ?虛擬拆裝教學(xué)平臺的技術(shù)實現(xiàn)

3.1 ?制動器三維模型創(chuàng)建

盤式制動器、鼓式制動器的三維模型是平臺開發(fā)所需的主要模型。參考汽車車輪以及車輪制動器的尺寸，首先在SolidWorks軟件中使用圓角、拉伸切除、鏡像等命令進行車輪制動器的零部件建模，將構(gòu)建好的零部件通過重合、同軸心等配合關(guān)系進行裝配。兩種車輪制動器的三維模型如圖8所示。為讓虛擬拆裝實驗過程更加貼近現(xiàn)實教學(xué)，對拆裝過程所需工具（如套筒扳手等）也進行了三維模型構(gòu)建。

3.2 ?用戶界面層級跳轉(zhuǎn)

用戶界面UI（User Interface）主要負(fù)責(zé)用戶與平臺之間的交互，主要用戶界面如圖9所示。平臺將兩種制動器的虛擬拆裝分別放置在兩個場景中，在主界面設(shè)置跳轉(zhuǎn)按鈕，并在按鈕下掛載腳本實現(xiàn)場景的跳轉(zhuǎn)。實現(xiàn)場景跳轉(zhuǎn)主要引用的是SceneManager類，調(diào)用類下面的loadSceneAsync方法，獲取不同場景對應(yīng)的數(shù)值。根據(jù)教學(xué)需要設(shè)置的幾個教學(xué)模塊之間的層級跳轉(zhuǎn)也是通過在UI界面中設(shè)置的相應(yīng)按鈕上掛載層級跳轉(zhuǎn)腳本來控制操作。

實現(xiàn)模塊中層級跳轉(zhuǎn)部分代碼如下：

public class ScreensManager ：MonoBehaviour

{ publicGameObject[ ] Panels;

public void ShowLearnPanel（GameObjectnewPanel）

{ for （int I = 0; I

{ Panels[i].SetActive（false）;

} newPanel.SetActive（true）;

}

}

3.3 ?運行原理動畫仿真

實現(xiàn)該部分功能主要借助于Unity3D引擎的外部插件XDreamer。首先在插件的狀態(tài)機系統(tǒng)中創(chuàng)建制動器運行原理頁面的子狀態(tài)機，添加狀態(tài)庫中動作模塊下的移動或旋轉(zhuǎn)等工具，通過給起始點位置賦值的方式，制作出制動器中部分零件的相對路徑動畫，以此模擬出制動器的運行過程。狀態(tài)機中制動器運行原理動畫和UI按鈕控制搭建邏輯如圖10所示。

3.4 ?自動拆裝演示功能

自動拆裝演示功能是平臺搭建的基礎(chǔ)部分，因為后續(xù)拆裝手動練習(xí)模塊和拆裝考試模塊均是在此模塊的基礎(chǔ)上進行開發(fā)。以盤式制動器的拆裝為例。

3.4.1 ?前期工作

在Hierarchy面板中構(gòu)建盤式制動器的模型樹層次結(jié)構(gòu)，并將拆裝工具模型添加到場景中。在XDreamer插件的狀態(tài)機中啟用拆裝功能，然后返回插件狀態(tài)機中創(chuàng)建主邏輯控制的子狀態(tài)機，在子狀態(tài)機下創(chuàng)建拆裝任務(wù)、拆裝考題和包含模型零部件的三維模型庫以及工具包。

3.4.2 ?拆裝動畫制作

每一個拆裝考題中包含一個零部件的拆裝動畫，需先在拆裝考題下選擇對應(yīng)的零部件和拆裝工具。然后添加旋轉(zhuǎn)或者移動工具，在旋轉(zhuǎn)或移動的操作面板中輸入零部件的旋轉(zhuǎn)角度或移動距離，制作出零部件和拆裝工具的拆裝動畫。在制作拆裝動畫的過程中邊做邊測試，可減少返工程序。最后將制動器的每一個拆裝步驟動畫節(jié)點連接起來，形成一個動畫合集。拆裝演示功能創(chuàng)建邏輯如圖11所示。

3.4.3 ?后期完善

在插件工具庫的拆裝功能選項下，一鍵添加拆裝步驟列表和拆裝演示進度條等輔助功能。

3.5 ?手動拆裝及考試功能

手動拆裝及考試功能以自動拆裝演示模塊中已經(jīng)完成的制動器拆裝步驟動畫為基礎(chǔ)，在狀態(tài)機中將該模塊與拆裝任務(wù)關(guān)聯(lián)，然后添加模型拾取功能，實現(xiàn)點擊或拖拽零部件進行拆裝練習(xí)。在為模塊添加拆裝步驟列表和拆裝提示功能時，應(yīng)在Inspector面板中取消勾選Raycast Target，防止視線檢測被阻擋后模型拾取功能失效。

在完成練習(xí)后，學(xué)生可進入拆裝考試模塊測試自己的學(xué)習(xí)效果，在此模塊中不再設(shè)置提示功能，而是將每一個拆裝步驟設(shè)置成一道拆裝考題，然后生成拆裝考題列表呈現(xiàn)在模塊頁面中。拆裝實踐教學(xué)的考試流程如圖12所示。

3.6 ?平臺發(fā)布

Unity3D引擎不僅可以在多種操作系統(tǒng)中進行開發(fā)，而且還支持在PC、Android、Mac等多個平臺發(fā)布。為方便學(xué)生能隨時隨地學(xué)習(xí)和操作，以下給出在PC端以及Android平臺發(fā)布的操作步驟。

在PC端發(fā)布可根據(jù)自己需要在File菜單下的Player Settings中更換.exe文件的圖標(biāo)、更改程序的名稱以及去掉Unity3D引擎的標(biāo)識等，最后點擊Build選項直接導(dǎo)出在本地文件夾中便可使用。

在移動端發(fā)布需要考慮UI畫布與移動端屏幕的適應(yīng)問題，需將畫布的尺寸模式設(shè)置為自適應(yīng)，其他普通設(shè)置與PC端無異。其次因移動端的腳本語言是Java，因此需配置相對應(yīng)的SDK、JDK等開發(fā)工具包，再將平臺轉(zhuǎn)換為Android，點擊Build選項生成apk文件，最后安裝在移動端便可使用。

4 ?結(jié) ?論

本文以車輪制動器為例介紹了面向汽車底盤構(gòu)造教學(xué)的虛擬拆裝實踐教學(xué)平臺的搭建流程和技術(shù)要點，在平臺開發(fā)過程中使用XDreamer插件大大簡化了開發(fā)流程、縮短了開發(fā)時間。平臺中設(shè)置的大量交互性功能，能使學(xué)生最大限度地參與到學(xué)習(xí)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。該平臺的應(yīng)用還能有效彌補現(xiàn)實實踐教學(xué)設(shè)施陳舊、數(shù)量短缺等問題。

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作者簡介：韓粵華（1996—），女，仡佬族，貴州石阡人，碩士研究生在讀，研究方向：職業(yè)技術(shù)教育；通訊作者：羅國宇（1977—），男，侗族，貴州凱里人，副教授，高級工程師，博士，研究方向：機械設(shè)計與制造、力學(xué)計算與數(shù)值模擬。