動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘偉

摘 要：制動(dòng)夾鉗是動(dòng)車組制動(dòng)指令的最終執(zhí)行部分，是盤形制動(dòng)三大部件之一。維修作為設(shè)備管理的重要環(huán)節(jié)，能使動(dòng)車組保持規(guī)定技術(shù)狀態(tài)，預(yù)防事故。傳統(tǒng)的動(dòng)車組設(shè)備檢修教學(xué)培訓(xùn)采用圖像和視頻的方式講解，缺乏真實(shí)感和互動(dòng)感。綜合利用Solidworks，3ds Max，Unity3d等軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)提高了教學(xué)效果，彌補(bǔ)了實(shí)踐教學(xué)的不足。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組;制動(dòng)夾鉗;仿真

0 引言

在動(dòng)車組檢修教學(xué)和培訓(xùn)中，受到設(shè)備緊缺、鐵路現(xiàn)場(chǎng)安全要求等因素限制，教師只靠圖像和視頻講解，不能充分展示設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造和動(dòng)作原理。針對(duì)教學(xué)和培訓(xùn)中的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)制動(dòng)夾鉗的理論認(rèn)識(shí)，還可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維觀察、分解、組裝，并按動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)夾鉗的檢修，達(dá)到了培訓(xùn)教學(xué)目的。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

開發(fā)動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)，主要根據(jù)教學(xué)和培訓(xùn)需求設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，仿真教學(xué)主要包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作兩大模塊。一是通過文本和圖片進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，二是通過三維仿真互動(dòng)進(jìn)行實(shí)際操作練習(xí)。圖1所示為動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)用例圖。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)登錄、主菜單、系統(tǒng)簡(jiǎn)介、制動(dòng)原理、制動(dòng)夾鉗等主要界面組成[1]。系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)現(xiàn)主要基于Unity3d軟件，利用 Solidworks進(jìn)行制動(dòng)夾鉗的三維建模，3ds Max對(duì)模型進(jìn)行渲染和制作需要的三維動(dòng)畫片段，用C#和JavaScript編寫腳本實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中的交互。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 創(chuàng)建三維模型

Solidworks是一款功能強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，可以將現(xiàn)有的動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗AutoCAD平面圖導(dǎo)入，再進(jìn)行拉伸等操作快速生成三維模型，大大提高了建模效率[2]。建好的三維模型可以利用Solidworks導(dǎo)出為step格式的文件，step格式基本保持了模型的完整，失真較少。3ds Max2014以上版本可以直接導(dǎo)入step格式的三維模型，在3ds Max中對(duì)模型進(jìn)行渲染和動(dòng)畫制作，以達(dá)到仿真系統(tǒng)所需要的效果。

2.2 模型的導(dǎo)入

制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)使用Unity3d軟件開發(fā)，Unity3d可以導(dǎo)入.FBX格式的模型文件，所以先將在3ds Max中渲染的模型和動(dòng)畫導(dǎo)出為.FBX格式文件。Unity3d導(dǎo)入三維模型素材后要注意以下幾點(diǎn)。

在3ds Max中渲染中使用的貼圖圖片素材也要導(dǎo)入到Unity3d的Project工程面板下，否則無法顯示渲染效果。

三維動(dòng)畫模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3d后在場(chǎng)景中不顯示動(dòng)畫，這要先改變模型的屬性。在模型的Inspector面板下選Rig標(biāo)簽，將Animation Type屬性改為L(zhǎng)egacy。

在Unity3d中可以用腳本按設(shè)計(jì)要求控制三維動(dòng)畫，三維動(dòng)畫模型先在Inspector面板下Animations標(biāo)簽Clips中對(duì)三維動(dòng)畫模型進(jìn)行分割處理，以便在仿真系統(tǒng)中交互處理。

2.3 系統(tǒng)UI界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)使用Unity3d自帶的UGUI系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，靈活快速，運(yùn)行效率高。系統(tǒng)界面主要有登錄界面，動(dòng)態(tài)菜單界面，理論知識(shí)界面，制動(dòng)夾鉗操作界面組成。登錄界面包括注冊(cè)功能。注冊(cè)和登錄功能的實(shí)現(xiàn)方法是在Unity3d中新建C#腳本創(chuàng)建xml格式文件，用于保存用戶信息。

創(chuàng)建和讀取xml文件，要在腳本中引入以下命名空間。

using System.IO

using System.Xml;

先在腳本中聲明xml文件路徑變量

private string _userpath;

在void Start （）方法中創(chuàng)建user.xml文件

xmlpath=Application.dataPath+”/user.xml”;

動(dòng)態(tài)菜單界面實(shí)現(xiàn)菜單界面與各場(chǎng)景及子菜單的動(dòng)態(tài)切換效果（見圖2），菜單的進(jìn)入和退出動(dòng)畫是將各選項(xiàng)按鈕作為Image物體的子物體，在Unity3d菜單Window中選Animation功能，在Animation動(dòng)畫面板中對(duì)Image物體位置進(jìn)行位置動(dòng)畫錄制。動(dòng)畫文件Inspector面板下的Loop Time循環(huán)播放取消，打開動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)，對(duì)Image物體動(dòng)畫狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，新建main_windows_out和main_windows_in兩個(gè)Bool型變量，通過C#腳本判斷變量實(shí)現(xiàn)菜單的進(jìn)入和退出控制。

菜單退出代碼如下，菜單進(jìn)入代碼布爾變量真假判斷設(shè)置相反。

ani_main_window.SetBool （“main_windows_out”， true）;? //播放主菜單退出動(dòng)畫

ani_main_window.SetBool （“main_windows_in”， false）;? //不播放主菜單進(jìn)入動(dòng)畫

2.4 制動(dòng)夾鉗檢修仿真設(shè)計(jì)

制動(dòng)夾鉗檢修仿真包括結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、單元檢查、實(shí)訓(xùn)考核3個(gè)部分。結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)界面可以對(duì)制動(dòng)夾鉗三維模型進(jìn)行分解和組合，透明顯示，用鼠標(biāo)放大縮小及360度旋轉(zhuǎn)模型，使學(xué)生能細(xì)致地觀察制動(dòng)夾鉗各部件和構(gòu)造，當(dāng)鼠標(biāo)指向不同的部件后可以顯示其名稱。鼠標(biāo)經(jīng)過物體顯示名稱要先給制動(dòng)夾鉗各個(gè)模型添加碰撞檢測(cè)，通過Add Componet下的Physics添加Mesh Collider和Collider。在C#腳本中通過編寫鼠標(biāo)事件OnMouseEnter（） 顯示部件名稱的功能。

GUI.Label（new Rect（Input.mousePosition.x，Screen.height - Input.mousePosition.y-20，120，40），“過渡座體”）;? ?//在鼠標(biāo)位置處顯示物體名稱。

單元檢查界面模擬一個(gè)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗一級(jí)維修的各個(gè)項(xiàng)目，包括使用手電工具對(duì)制動(dòng)夾鉗整體外觀、螺栓防松標(biāo)記和各管路的檢查。利用直尺工具測(cè)量閘片厚度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，用塞尺工具檢查閘片與制動(dòng)盤間隙是否合格。還可以仿真實(shí)驗(yàn)制動(dòng)夾鉗在牽引、緩解、制動(dòng)3個(gè)狀態(tài)是否正常。

實(shí)訓(xùn)考核有兩個(gè)部分，一是制動(dòng)夾鉗的組裝考核，二是理論考核。通過考核可以使學(xué)生加強(qiáng)理論認(rèn)識(shí)，以及對(duì)各部件組裝的熟練操作。

3 系統(tǒng)發(fā)布與測(cè)試

系統(tǒng)完成后可利用Unity3d發(fā)布功能打包發(fā)布為可執(zhí)行程序。發(fā)布PC版本前要先進(jìn)行以下設(shè)置。在Build Settings面板下點(diǎn)擊Player Settings按鈕，打開發(fā)布設(shè)置面板，將Api Compatibility Level選項(xiàng)的值改為.Net 2.0，否則在發(fā)布程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示。

發(fā)布后的動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)安裝到仿真機(jī)房，通過教師和學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用測(cè)試，修改完善了畫面和操作流程，使系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢，演示和操作步驟無漏洞，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

針對(duì)鐵道車輛檢修教學(xué)和培訓(xùn)中的實(shí)際問題和困難，利用Unity3d設(shè)計(jì)開發(fā)的動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗仿真教學(xué)系統(tǒng)，能讓學(xué)生直觀地了解制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)組成和制動(dòng)原理，通過仿真系統(tǒng)的虛擬檢修和拆裝，可以使學(xué)生快速地掌握對(duì)制動(dòng)夾鉗的檢修過程。學(xué)生可以多次利用虛擬系統(tǒng)進(jìn)行檢修操作，減少了對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞，降低了教學(xué)和實(shí)訓(xùn)成本。通過本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，今后可以擴(kuò)展開發(fā)更多動(dòng)車組檢修項(xiàng)目仿真教學(xué)，為我國(guó)鐵路培養(yǎng)更多專業(yè)技術(shù)人才。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鐵道部人才服務(wù)中心.動(dòng)車組機(jī)械師[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

[2]佚名.CRH系列動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)辦法 [M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2019.

（編輯 何 琳）