基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的減速器拆裝實訓(xùn)平臺開發(fā)

王師偉, 劉雪霞, 李杰, 陳昱霖

（大連交通大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院，遼寧 大連116000）

0 引 言

工程訓(xùn)練是大學(xué)里面具有實踐意義的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，能讓大學(xué)生了解和掌握工程基礎(chǔ)知識及實際制造經(jīng)驗，是在本科階段的一門必修課，能夠培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手操作能力和工程實踐意識[1]。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練主要存在設(shè)備資源和場地有限、教學(xué)模式單一、師資水平不高及實訓(xùn)環(huán)節(jié)安全隱患較大等問題，導(dǎo)致學(xué)生在實訓(xùn)過程中存在時間浪費、缺少主動性、受益較淺等不良現(xiàn)象。

隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，虛擬計算機技術(shù)成為時代主流，通過利用三維建模軟件制作模型后，再利用虛擬現(xiàn)實軟件進行交互功能設(shè)計，該技術(shù)為教育行業(yè)帶來了全新的教育理念和教育方法。目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)許多高校根據(jù)自身需要開發(fā)了個性化虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)、平臺或APP應(yīng)用，如馮桂珍等[2-3]采用Unity3D和Cult3D分別構(gòu)建了RV減速器虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)和土木工程實驗平臺；黃海龍等[4]率先在工程訓(xùn)練中引入數(shù)字化教學(xué)資源，建設(shè)車床關(guān)鍵部件拆裝虛擬仿真實訓(xùn)平臺；何福本[5]將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程訓(xùn)練教學(xué)，開發(fā)了適用于主流移動終端操作系統(tǒng)的增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的應(yīng)用APP，用于普通車床加工工藝實訓(xùn)環(huán)節(jié)。

本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于工程訓(xùn)練教學(xué)，針對機械拆裝實訓(xùn)環(huán)節(jié)，以減速器拆裝項目為例，基于Cult3D技術(shù)，并結(jié)合使用SolidWorks、3DMAX8.0等軟件構(gòu)建了一個具有動態(tài)和交互功能的減速器拆裝虛擬實訓(xùn)平臺，學(xué)生可以登錄工程訓(xùn)練中心網(wǎng)站自主進行減速器拆裝項目的虛擬實訓(xùn)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 Cult3D軟件介紹

Cult3D軟件是由Cycore公司開發(fā)的一種新型3D交互設(shè)計和動畫仿真軟件，利用它可以在網(wǎng)頁基礎(chǔ)上建立可交互的3D對象，是一種跨平臺的3D開發(fā)引擎，能夠在網(wǎng)頁上操控3D實體對象，并以視覺的方式顯示不同的事件和功能。在控制事件模塊中，可以設(shè)置多種運動，例如移動、縮放、旋轉(zhuǎn)等一系列的動作，也可通過事件窗口設(shè)置鼠標(biāo)和鍵盤命令設(shè)計更加豐富的動作。

Cult3D軟件的最大優(yōu)點就是它所開發(fā)的程序文件非常小，并且先進的壓縮技術(shù)支持貼圖、多重陰影效果和雙線性濾鏡，可以呈現(xiàn)給用戶更加清晰、高質(zhì)量的3D仿真實體模型，另外該軟件還支持使用JAVA語言編程優(yōu)化，增強交互性，以達到更加完美的效果[6]。

2 減速器拆裝虛擬實訓(xùn)平臺

2.1 虛擬實訓(xùn)平臺功能

減速器的基本組成部件有齒輪、箱體、軸、軸承、緊固件、潤滑裝置等。工程訓(xùn)練課程中減速器拆裝實訓(xùn)的目的主要有：

圖1 Cult3D開發(fā)流程

1)了解減速器的組成、功能及其工作原理。

2)掌握減速器中齒輪及軸承的潤滑方式、軸上零件的安裝固定方式。

3)掌握減速器的拆卸和裝配的過程。虛擬實訓(xùn)平臺的設(shè)計是基于模擬真實的現(xiàn)場實訓(xùn)過程，將成果上傳到學(xué)校的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站，學(xué)生們可以隨時通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問該網(wǎng)站，可以隨時隨地進行虛擬拆裝的模擬實驗。

2.2 開發(fā)流程

基于Cult3D技術(shù)的虛擬實訓(xùn)平臺的開發(fā)主要分為兩個階段：第一個階段是素材準備，利用SolidWorks、3DMAX和PhotoShop等軟件制作三維模型、二維圖片等素材；第二階段是利用Cult3D 工具進行交互功能設(shè)計，基本開發(fā)流程如圖1所示。

2.3 建模工作

由于Cult3D沒有自主建立三維模型的功能，所以我們可以通過市面上主流的三維軟件進行建模，比如Pro/E、SolidWorks、UG 等，再通過格式的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入到三維動畫軟件中。目前，3DAMX和MAYA等三維模型建模軟件可以支持Cult3D，通過安裝Cult3D Export Plugin輸出插件后，就能夠?qū)⑷S動畫軟件中的模型導(dǎo)出c3d格式文件。

本項目使用的是SolidWorks2018作為三維建模工具，完成所需要的三維零部件制作，然后將三維模型導(dǎo)入3DMAX8.0中進行燈光、材質(zhì)、外觀顏色等渲染工作，提高視覺可視效果，使模型更加逼真。同時也是將3DMAX8.0作為模型格式轉(zhuǎn)化中間工具，需要注意SolidWorks軟件與3DMAX8.0軟件之間是通過wrl格式進行傳遞。

詳細的傳遞的過程是：第一步，在SolidWorks中建立好三維實體模型之后，輸出為3DMAX8.0支持的wrl格式文 件 ； 第 二 步 ，3DMAX8.0導(dǎo)入wrl格式文件進行進一步的編輯之后，輸出為Cult3D Designer所支持的c3d格式文件，完成建模工作，一級減速器的模型如圖2所示。

2.4 動態(tài)和交互功能設(shè)計

Cult3D Designer是Cult3D的設(shè)計交互制作軟件，它可以對3DAMX導(dǎo)出的c3d格式文件進行編輯，可以在事件窗口加上很多的交互性動作，例如聲音、粒子效果、移動、旋轉(zhuǎn)等，而且該軟件的界面簡潔、易懂，便于制作一般的交互效果，還可以使用Java語言編寫腳本進行高級交互設(shè)計。

圖2 一級減速器

Cult3D Designer的主工作區(qū)由6個不同的子窗口組成：事件規(guī)劃圖、場景圖表、預(yù)覽、動作、事件、對象屬性。其操作完全采用拖放方式，從場景圖表窗口中拖出要進行設(shè)置的對象實體，將實體拖到事件規(guī)劃窗中，然后在動作窗口選擇需要的動作，也拖入到事件規(guī)劃窗中并且將其疊加在觸發(fā)該事件的命令上，即可完成交互功能設(shè)計[6-7]。

減速器拆裝虛擬實訓(xùn)平臺開發(fā)的主要交互功能設(shè)計有：

1）視角的微調(diào)。為了微調(diào)三維的位置，可以建立用鍵盤的上下左右來控制三維模型的視角，在動作中選擇旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)的動作設(shè)為上下方向鍵，如圖3所示。

2）拆裝動作的 實 現(xiàn)。 在Cult3D Designer的動作窗口中選擇需要的動作模式，并進行相應(yīng)的設(shè)置，將鍵盤上對應(yīng)的字母做成控制零件的一個動作，鼠標(biāo)的左、中、右鍵也可以設(shè)置動作，但是在操控的時候鼠標(biāo)必須點擊對應(yīng)的零部件才能激發(fā)其動作，如圖4所示。在將減速器的每一個零件的動作制作完成之后，我們可以在演示窗口中進行預(yù)演，來找出這些動作的設(shè)置是否有問題。另外，我們也可以在交互動作中選擇添加隱藏某個零件這個功能，在動作模塊的渲染菜單欄中，選擇隱藏，選擇對應(yīng)的零件和激活鍵，然后必須設(shè)定一個對應(yīng)的顯現(xiàn)動作，因為模型的復(fù)位不能顯示隱藏零件。

圖3 視角微調(diào)控制

圖4 減速器拆裝動作事件規(guī)劃圖

3）模型的復(fù)位。在進行拆裝動作之后，需要將一級減速器進行復(fù)位。在動作窗口的對象運動中，選擇復(fù)位動作，并將減速器的Vsep01拖入到復(fù)位的標(biāo)識圖片上，然后設(shè)置按下鍵盤的R鍵為復(fù)位鍵，將復(fù)位動作拖入到小R鍵上完成復(fù)位指令，如圖5所示。

4）模型的放大與縮小。為了清晰地看到三維模型的詳細結(jié)構(gòu)，設(shè)置了模型放大和縮小的指令。具體實現(xiàn)方法：在動作窗口中，選擇放大、縮小動作將一級減速器的Vsep01拖入此動作并設(shè)置其激活鍵，如圖6所示。

圖5 復(fù)位動作設(shè)置

圖6 縮放動作設(shè)置

5）背景顏色的設(shè)定。在動作模塊的渲染中，可以看到設(shè)置背景動作，在WorldStart命令中加入設(shè)置背景，調(diào)成需要的顏色，如圖7所示。

2.5 平臺發(fā)布

在Cult3D Designer中完成了交互設(shè)計之后，通過運行、測試后，導(dǎo)出co格式文件，該格式的文件占用空間極小，非常適合于網(wǎng)絡(luò)傳輸，還能保持良好的材料質(zhì)感表現(xiàn)。在Cult3D軟件的菜單欄中，選擇發(fā)布Internet文件，即可導(dǎo)出網(wǎng)頁文件。

3 結(jié) 論

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到工程訓(xùn)練教學(xué)，采用Cult3D技術(shù)，開發(fā)了基于網(wǎng)頁的減速器拆裝虛擬實訓(xùn)平臺。利用該平臺，學(xué)生可以自主隨時隨地完成減速器拆裝訓(xùn)練，不僅充分調(diào)動了學(xué)生的積極主動性，還可以提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果，還有效緩解了高校工程訓(xùn)練中心實訓(xùn)設(shè)備緊缺、時間和場地有限等問題，為工程實踐教學(xué)提供了新型且有效的教學(xué)手段，值得進一步研究和應(yīng)用。

圖7 背景顏色設(shè)置