Virtools软件在开发减速器虚拟拆装实验教学平台中的应用

邬宗鹏（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002）

Virtools软件在开发减速器虚拟拆装实验教学平台中的应用

邬宗鹏
（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002）

以减速器拆装实验教学平台为例，展示了Virtools软件在教学领域的应用及其开发步骤，制作出的虚拟实验仿真文件具有极强的交互性及灵活性，为机械设计课程教学及学生自学提供了帮助。

Virtools；减速器拆装；虚拟现实；实验教学

由法国达索公司发布的虚拟现实开发软件Virtools，是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、教育训练、仿真与产品展示等，具有功能强大、画面质量高、接口丰富及支持众多硬件的优点［1］。实验教学是培养学生实践能力与创新精神的重要教学环节，减速器作为机械设计课程中典型的实验设备，拆装过程十分重要，但由于实验课时有限、设备数量不足等原因，设备拆装几乎省去，这在一定程度上影响了教学质量，造成理论与实践脱节、效果不明显的现象，因此，我们根据教学内容开发了减速器虚拟实验教学平台，作为丰富教学手段的一种是途径。

一、平台设计思路

建立一个能够演示直齿轮减速器拆装过程的虚拟操作平台，参阅相关图纸和减速器实物零件测量，搜集相关尺寸数据、图片和音频信息，使用Pro／E软件建立减速器的三维实体模型，相较于3DMAX、Pro／E在尺寸精度控制等方面更加方便，更加适合机械零部件的建模。

建立的三维模型如图1所示，为了更加清晰的展示减速器内部结构，对上箱体进行了透明处理。模型建立完成之后通过3DMAX软件导入到Virtools软件。在Virtools中进行实时渲染、界面设计、交互脚本编写等交互设置，最后进行发布输出。工作流程如图2所示。

图1 减速器三维模型图

图2 工作流程图

二、平台开发步骤

1.减速器三维模型导入Virtools

将Pro／E软件制作的减速机零件及装配三维模型保存为stl文件格式，然后直接导入到3DMAX中。利用3DMax Eporter插件将max文件转换成nmo格式文件，导入到Virtools中。

2.模型灯光及材质设置

模型打开后是黑色的，因而首先需要设置模型的灯光和材质。Virtools里灯光有三种类型：Point（点光源）、Spot（聚光灯）和Directional（平行光），这三种类型光源需要合理搭配使用，才能建立逼真的现实光影环境。灯光的建立主要是设置合理的位置和强度参数，注意需要勾选specular（反光）选项，渲染时模型材质才会呈现高光反射的特性，更加逼真。

灯光建立完成后紧接着就是建立材质，在Virtools中材质主要包括模型材质和图片材质，模型材质贴图主要是通过拍照和Photoshop来共同完成。图片材质是虚拟交互时的一些界面和标示的材质，其主要是通过Photoshop制作完成。同时贴图时需注意更改图片的尺寸大小，用以降低文件的大小，提高读取速度［2］。

3.平台场景驱动

（1）标签和界面。为了更好地辅助学生们熟悉减速器的结构，编写了如图3（a）所示的脚本，效果是当鼠标指针指向某一部件时就可以显示某一部件的名称，鼠标移开时隐藏名称。名称是以2D frame形式显示的。后面提到的界面、操作说明都是以show、hide两种脚本来完成的。

图3 主要脚本

（2）摄像机的设置。为了更加全面的虚拟体验，视角的移动和旋转必不可少，在Virtools中视角的改变是通过改变摄像机的位置和姿态来实现的，编写了如图3（c）、（e）所示的脚本。在图3（c）中，该BB（Building Block行为模块）使得摄像机可以沿着某一轨道进行旋转，从而使视角进行旋转。核心思路是当按下鼠标中键后，系统通过Get Mouse Displacement不断的获得鼠标移动的位移量，将获得的位移量通过Multiplication进行数量转换，转换成合适的数值进行输出，将此值输出给摄像机的参考目标3D frame，这一点很关键，此时就可以实现摄像机能够跟随鼠标的移动而移动。

（3）拆卸和装配。拆装是平台演示核心部分，采用直接在Virtools中驱动物体模型的方法，编写如图3（d）的脚本。驱动零部件在拆装过程的移动、旋转等动作，在过程中加入了Bezier Progression模块，对旋转和移动的变化速度进行调节，使得显示效果更加真实自然。

4.操作按钮

平台系统的界面如图4（a）所示。共有四个功能按钮，分别是装配、拆卸、暂停和关闭，点击装配或拆卸按钮会出现如图4（b）所示的效果。暂停按钮是对减速器虚拟装配过程作短暂停止，让操作者清楚拆装顺序，关闭按钮则表示退出整个操作平台。

5.系统发布

系统制作完成以后，通过外挂程序 VirtoolsMakeExe.exe和CustomPlayer.exe文件将系统文件打包转换成exe可执行文件，这样可以在Windows平台上使用，方便以后查看和移植。此外，可将整个系统以vmo文件格式保存，再以HTML文件格式保存成另外一份，通过 Virtools Web Player插件发布到网络上。

制作的虚拟演示平台的界面如图4（a）、（b）所示，可以进行装配、拆卸和演示等虚拟操作。

图4 界面图

三、结语

本文以Virtools软件为基础，开发了安全、无成本的减速器虚拟实验教学平台，既可打破时空的限制，又可使学生们获得真实的体验效果。展现了虚拟现实技术极其强大的功能以及虚拟实验领域未来发展的巨大潜力，为后续的实验教学提供了解决方法和思路。

［1］徐英欣，杨建文，张安鹏.Virtools虚拟互动设计实例解析［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

［2］肖武，吴静谧，冉慧丽，张永策，李焕，毛金群，贺高红.基于Virtools的氨合成塔模拟及虚拟系统构建［J］.实验室研究与探索，2013，（32）：68-71.

Application of Virtools Software in the Reducer Assembly and Disassembly in Experiment Teaching

Wu Zong-peng
（Anhui University of Technology，Ma’anshan Anhui 243002，China）

This paper taking a reducer disassembly experiment teaching platform as an example，shows the application of Virtools software in the field of education and its development steps，the simulation file virtual experiment produced with interactivity and strong flexibility，provides help for teaching of mechanical design course and students＇self-study.

Virtools；reducer assembly and disassembly；virtual reality；experimental teaching

TP391.9；TH132.46

A

1672-0547（2015）02-0109-02

2015-03-02

邬宗鹏（1980-），男，安徽六安人，安徽工业大学工程实践与创新教育中心助理实验师，硕士，研究方向：工程实践教学、数控技术及快速成型技术。