液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺建設(shè)

李夢如, 陳 哲, 朱美華, 陸佳瑋, 奚 鷹

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 201804)

在高校理工科教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著至關(guān)重要的作用。然而,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等價格昂貴、實(shí)驗(yàn)過程存在安全隱患、受時間和空間的制約、教育資源分配不均、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對滯后等問題[1]。建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)信息資源等,可以有效地解決上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題,使學(xué)生獲得接近現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),并由此派生出一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,有力地推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)體制改革[2]。

液壓傳動課程是機(jī)械制造專業(yè)學(xué)生的重要專業(yè)課,與之配套的液壓實(shí)驗(yàn)課程是必不可少的。傳統(tǒng)型液壓實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生實(shí)際操作液壓元器件和液壓回路。其缺點(diǎn)：一是精密液壓元器件價格比較昂貴,學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材的種類和數(shù)量不多,學(xué)生的不正確操作也可能損壞實(shí)驗(yàn)器材；二是液壓元件通常外部造型簡單而內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,拆裝實(shí)驗(yàn)比較困難,學(xué)生往往不能很好地了解液壓系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造,不能直觀地觀察到油液的流向,難以理解回路的工作過程和原理[3-5]。

筆者采用Inventor構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)場景,以JetBrains Rider作為代碼集成開發(fā)環(huán)境、以Unity 3D作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺,建設(shè)了液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,使液壓實(shí)驗(yàn)不但能逼真、立體、全方位地展示各種液壓元件的外觀及內(nèi)部構(gòu)造,進(jìn)行復(fù)雜、有危險和破壞性的實(shí)驗(yàn),而且不受場地和時間的限制,極大地提高了實(shí)驗(yàn)的效率和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主性。

1 液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)理念

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)以國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托,借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將液壓知識從簡單到復(fù)雜、循序漸進(jìn)地展現(xiàn)給學(xué)生,幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、理解和鞏固液壓知識。

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)理念是：

(1) 以國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為建設(shè)依托,以工程機(jī)械為專業(yè)特色,以“機(jī)械專業(yè)課實(shí)驗(yàn)(下)”為課程基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、線上線下相互補(bǔ)充的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革；

(2) 面向工程機(jī)械專業(yè)人才培養(yǎng)需求,以學(xué)生為本,構(gòu)建培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和培養(yǎng)模式,開創(chuàng)知識傳授和能力培養(yǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；

(3) 作為國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的延伸,以促進(jìn)大學(xué)生的全面發(fā)展和適應(yīng)社會需要為宗旨,以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為核心,提高高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量；

(4) 以液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺為媒介,促進(jìn)跨學(xué)科、跨專業(yè)課程的交叉融合,增強(qiáng)工科專業(yè)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識的實(shí)踐能力。

2 主要建設(shè)內(nèi)容

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)主要包括：(1)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的公有架構(gòu)建設(shè)；(2)液壓虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。

2.1 公有架構(gòu)建設(shè)

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的公有架構(gòu)主要涵蓋：

(1) 前臺操作系統(tǒng)：包括用戶登錄模塊、選單模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作指南、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器介紹、虛擬實(shí)驗(yàn)介紹等；

(2) 后臺管理系統(tǒng)：包括學(xué)生管理、班級管理、教師管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)日志等；

(3) 平臺軟硬件基礎(chǔ)支撐：包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、操作系統(tǒng)軟件等。

在建設(shè)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的公有架構(gòu)過程中,要求制定公有架構(gòu)開發(fā)規(guī)范,解決好后續(xù)開發(fā)中兼容性和不一致性的問題,減少軟件開發(fā)的工作量。主要涉及資源命名規(guī)范(可分為普通資源的沖突、Resources資源的沖突以及C#命名沖突)、子模塊開發(fā)方式和場景開發(fā)流程。

2.2 液壓虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

液壓虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為6部分,分別是：流體力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)、液壓元件性能實(shí)驗(yàn)、液壓基本回路實(shí)驗(yàn)、液壓綜合實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)(見圖1)。

圖1 液壓虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3 開發(fā)工具及相關(guān)技術(shù)

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺主要采用三維建模軟件Autodesk Inventor構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)場景等物體的三維模型,JetBrains Rider作為代碼集成開發(fā)環(huán)境,Unity 3D作為虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺。將各種實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)場景虛擬化,利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特有的沉浸性、交互性和想象性[6],將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)搬到電腦屏幕及移動終端上,呈現(xiàn)液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,并編譯、發(fā)布到Windows、Linux、Android、Web等不同運(yùn)行平臺[7]。

3.1 建模軟件

由于在液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)過程中需要對液壓元件、液壓系統(tǒng)回路等進(jìn)行三維仿真建模,因此需要先對液壓元件、液壓回路、虛擬環(huán)境等進(jìn)行三維建模與裝配,然后將三維模型導(dǎo)出為Unity 3D可使用的格式。三維建模主要分為外觀建模和詳細(xì)建模,其中外觀建模主要用于液壓基本回路實(shí)驗(yàn),僅需建立液壓元件的外觀模型。

本液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺使用的建模軟件為Inventor。液壓回路的建模必然涉及管道建模,而Inventor提供了非常方便的管道布線工具,使用時只需先設(shè)計好管線屬性,然后在裝配圖中選擇管道兩段的連接點(diǎn),Inventor就會根據(jù)已裝配部件自動規(guī)劃走線并生成管道。與將管道視為零部件、進(jìn)行手動建模的方法相比,無論是準(zhǔn)確度、靈活性還是工作量,自動布管都具有不可比擬的優(yōu)越性。如果使用Inventor直接導(dǎo)出wavefront obj文件供Unity 3D使用,還可以有效地保留模型的外觀材質(zhì)特性,相比于將三維模型導(dǎo)出為stl文件,然后在3ds MAX導(dǎo)入stl模型并重新賦予其材質(zhì)特性的方法,無疑是大大減少了工作量。

3.2 obj修正工具

在Inventor導(dǎo)出obj文件的過程中存在兩種方式：模型整體導(dǎo)出和模型按零件導(dǎo)出。Inventor按模型整體導(dǎo)出,會使所導(dǎo)出的obj文件將裝配體中部件的名稱丟棄,對于后續(xù)開發(fā)過程中部件的使用造成困難。Inventor按模型零件導(dǎo)出,如果零件名稱含有中文(特別是引用的標(biāo)準(zhǔn)庫文件,Inventor會自動賦予其中文名稱),會發(fā)生材質(zhì)丟失現(xiàn)象。此外,模型按零件導(dǎo)出會導(dǎo)致導(dǎo)出文件零亂,不便管理。

綜合考慮兩種導(dǎo)出方式優(yōu)缺點(diǎn),編寫了obj修正工具,如圖2所示。通過對比兩種導(dǎo)出文件的內(nèi)容,生成新的obj文件,轉(zhuǎn)換成在單個obj文件，并在文件中保留部件名稱。

圖2 Obj修正工具界面

3.3 交互軟件

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺使用的交互軟件為Unity 3D[8-10]。這是開發(fā)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺最關(guān)鍵的開發(fā)工具,界面編輯、交互處理、代碼編譯和程序發(fā)布都需用Unity 3D完成。

Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的一種可輕松創(chuàng)建建筑可視化、實(shí)時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具,是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。其編輯器運(yùn)行在Windows和Mac OS X下,可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要HTML5)、Windows phone 8和Android平臺。也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲,支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。它的網(wǎng)頁播放器也被Mac widgets所支持[11]。

Unity 3D支持JavaScript、C#和Boo[12]等3種腳本語言。

3.4 代碼編輯與調(diào)試工具

Unity 3D雖然自帶代碼編輯與調(diào)試工具[8-10],但是其智能程度不高,建議采用專業(yè)的C#集成開發(fā)環(huán)境,例如Visual Studio或者JetBrains Rider,本教學(xué)平臺使用后者。

由于JetBrains Rider自帶Unity 3D調(diào)試工具包,因此易于系統(tǒng)調(diào)試。使用Rider進(jìn)行調(diào)試,只需要先在腳本代碼中設(shè)置斷點(diǎn),然后點(diǎn)擊Rider界面右上角的調(diào)試按鈕,而后在Unity 3D中運(yùn)行對應(yīng)的場景,當(dāng)腳本解釋到達(dá)了斷點(diǎn),即可開始調(diào)試。

3.5 發(fā)布形式

在Unity 3D主界面,選擇File選單欄中的Build Settings,進(jìn)入發(fā)布設(shè)置界面。然后添加所有需要發(fā)布的場景,要保證登錄場景處于其中的起始位置,這將是最終發(fā)布程序的首界面。系統(tǒng)選擇PC、Mac和Linux Standalone,并在右側(cè)具體選擇Windows、Linux或Android系統(tǒng)形式。目前,液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺對Windows系統(tǒng)發(fā)布x86架構(gòu)的最終程序。

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺也可以發(fā)布成網(wǎng)頁形式,但需要在安裝Unity 3D時(也可以在安裝后進(jìn)行修改性安裝)選擇啟用WebGL支持。發(fā)布過程直接使用默認(rèn)選項(xiàng)即可,但是發(fā)布為Web形式非常耗時。完成后會在選擇的路徑生成一系列Web文件,將之上傳到服務(wù)器即可通過網(wǎng)絡(luò)訪問。

4 液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的應(yīng)用

目前,液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的公有架構(gòu)已完成前臺操作系統(tǒng)所涉及的用戶登錄模塊(液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺與學(xué)校登錄系統(tǒng)相連,可通過同濟(jì)大學(xué)統(tǒng)一身份認(rèn)定登錄)、選單模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作指南以及后臺管理系統(tǒng)所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理的建設(shè),其他公有架構(gòu)所涉及的內(nèi)容有待后續(xù)建設(shè)。

目前液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺著重建設(shè)液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)和液壓基本回路實(shí)驗(yàn)這兩部分的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。已完成部分液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)中齒輪泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)、葉片泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)、軸向柱塞泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)、換向閥虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)和減壓閥虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè),以及液壓基本回路實(shí)驗(yàn)中進(jìn)油口節(jié)流調(diào)速回路、進(jìn)回油節(jié)流調(diào)速回路、旁路節(jié)流調(diào)速回路、變量泵-定量馬達(dá)容積調(diào)速回路、變量泵-變量馬達(dá)容積調(diào)速回路、容積節(jié)流調(diào)速回路、速度換接回路、調(diào)壓回路、鎖緊回路和同步回路的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)。其他虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容有待進(jìn)一步建設(shè)與完善。

4.1 液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)

每個液壓元件拆裝實(shí)驗(yàn)由2部分組成,以葉片泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)為例(見圖3),左側(cè)為液壓元件的簡要文字說明及實(shí)物圖；右側(cè)為拆裝實(shí)驗(yàn)的4個實(shí)驗(yàn)板塊：工作原理、結(jié)構(gòu)圖、元件拆裝和自我測評。

圖3 葉片泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的首界面

首先,通過工作原理和結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)板塊,讓學(xué)生了解并掌握葉片泵的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。隨后,進(jìn)入虛擬元件拆裝界面,如圖4所示。每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)步驟,系統(tǒng)自動會彈出該實(shí)驗(yàn)步驟評分窗口。在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中,如果遇到困難,可點(diǎn)擊“拆裝提示”以尋求幫助。在虛擬實(shí)驗(yàn)完成之后,系統(tǒng)會給出該虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的首評分。完成實(shí)驗(yàn)之后,可點(diǎn)擊返回葉片泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的首界面。最后,要求學(xué)生完成自我測評?，F(xiàn)有題目的種類以選擇題和判斷題為主,在正確選項(xiàng)之后,系統(tǒng)會給出題目的解釋。學(xué)生在完成自我測評之后,系統(tǒng)同樣會給出自我測評的總評分。

圖4 葉片泵虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的元件拆裝界面

4.2 液壓基本回路實(shí)驗(yàn)

每個液壓基本回路實(shí)驗(yàn)由2部分組成,以容積節(jié)流調(diào)速回路實(shí)驗(yàn)為例(見圖5),界面左側(cè)為液壓基本回路的簡要文字說明及實(shí)物圖,右側(cè)為液壓基本回路的4個實(shí)驗(yàn)板塊：回路原理、特性分析、仿真模擬和自我測評。

圖5 容積節(jié)流調(diào)速回路的首界面

首先,通過回路原理和特性分析的實(shí)驗(yàn)板塊,讓學(xué)生了解并掌握容積節(jié)流調(diào)速回路的工作原理和回路特性。隨后進(jìn)入虛擬仿真界面,如圖6所示。每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)即在實(shí)驗(yàn)界面的左上角給出該實(shí)驗(yàn)步驟評分。在虛擬實(shí)驗(yàn)完成之后,系統(tǒng)會給出該虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的總評分。完成實(shí)驗(yàn)之后,可點(diǎn)擊返回容積節(jié)流調(diào)速回路的首界面。最后,要求學(xué)生完成自我測評?，F(xiàn)有題目的種類以選擇題和判斷題為主,在正確選項(xiàng)之后,系統(tǒng)會給出題目的解釋。學(xué)生在完成自我測評之后,系統(tǒng)同樣會給出自我測評的總評分。

圖6 容積節(jié)流調(diào)速回路的仿真界面

5 結(jié)論

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的建設(shè)以國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托,以“機(jī)械專業(yè)課實(shí)驗(yàn)(下)”為課程基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享、虛實(shí)結(jié)合,構(gòu)建了課內(nèi)課外、線上線下互補(bǔ)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力,全面提高我校機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,同時積極促進(jìn)跨學(xué)科、跨專業(yè)課程的交叉融合。