基于Pro/E和Virtools的液压虚拟实验系统的设计

王记彩+沈斌

摘要：传统的液压实验教学无法满足现在高职院校的教学需求，而虚拟技术的发展为改变这一现状提供了一条新的途径。本课题利用Pro/E和Virtools软件搭建了虚拟液压实验平台，主要包含液压泵、液压缸等液压元件的虚拟装配和机械手的动作仿真实验等。本文以液压泵的虚拟装配为例，验证了利用三维模型技术和虚拟现实技术构建虚拟实验平台的可行性。

关键词：虚拟实验平台；Pro/E；Virtools

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）34-0277-02

一、引言

液压与气动是机电类专业的专业必修课，在工程实际中应用广泛，然而对于大多高职院校，传统的液压实验教学都存在校内外实训基地有限、设备陈旧且数量不足、教师队伍数量和水平不够等问题，很大程度上限制了实验教学质量的提高。通过虚拟技术搭建的虚拟平台，因其高仿真性、强大的人机交互功能、逼真感等优点，且不受时间空间约束，一定程度上弥补了传统液压实验教学的不足，为实验教学开辟了一条新的途径。

本文中采用虚拟现实技术Virtools，构建了基于网页形式的虚拟实验平台。

二、基于Virtools虚拟实验的关键性技术

Virtools是一个虚拟现实软件，利用它开发的虚拟系统，操作简单、界面美观、容易实现人机交互。当液压元件及虚拟场景模型创建完毕并设置材质后，通过导出插件输出到Virtools中，利用Virtools中的BB模块和VSL编程，实现交互功能，如液压泵和液压缸等液压元件的虚拟装配、机械手的动作仿真等。

三、虚拟实验平台开发

本文以液压泵的装配为例，建立基于Virtools的虚拟实验平台。

1.三维模型的制作与优化。Virtools没有建模功能，所以使用Pro/E创建液压泵的三维模型并进行预装配，保证了零件模型结构和位置的准确性。

本虚拟实验平台包含许多液压元件的三维模型和一些虚拟场景模型，大量模型直接影响了系统的交互速度，使实验效果大打折扣。因此，通过以下几种方法对模型进行优化：（1）减少模型个数，如将具有相同材质的物体，在设置材质和贴图后进行合并。（2）删除一些重叠的面或看不见的面，减少模型面数。（3）采用合理的贴图方式来共享相同的贴图和材质，避免大量贴图占用资源。（4）尽可能采用分辨率低的贴图。

2.虚拟装配交互功能的实现。因液压元件组件较多，装配时进行分组装配，将液压泵的各个组件按组依次提取，并显示在设置的位置，通过鼠标点选、拖拽，使原对象与处于初始位置的辅助参考对象融合，完成装配。

虚拟装配重点解决的问题：液压各组件的分组提取和定位；原对象与辅助参考对象的碰撞检测；原对象与辅助参考对象的融合。

（1）虚拟分组装配的实现。将组件按组进行提取、显示和定位，一组装配完后进入下一组，主要采用Counter、Get Row、Set Position等模块的组合来实现。同时，通过复制每组组件并置于初始位置的方式来设置辅助参考目标，从而实现装配关系的精确定位，主要采用Object Copy、Set Position等模块来编译，并通过Set Material设置不同的材质与原对象进行区分。脚本框图如图1。

（2）碰撞检测。被选对象与辅助参考对象的碰撞检测主要是距离判断，通过鼠标点选对象，Get Nearest In Group来获取距离被选对象最近的辅助参考对象，在Identity和Test模块对被选对象与参考对象是否相同进行检测后，进行距离判断，实现被选对象与参考对象在设定的距离范围内，参考对象的材质发生改变。脚本框图如图2。

（3）对象融合。通过Bezier Progression、Interpolator与Set Position模块，被选对象以过渡的形式，由当前位置自动移动到向初始位置，完成融合。脚本框图如图3。

（4）交互功能的实现。该虚拟装配中的人机交互主要体现在用鼠标对液压元件拖拽、移动、旋转等操作，通过点击平面按钮实现信息的发送与接收、主/次界面的切换、虚拟装配脚本的开启/关闭等。大多利用BB模块来实现交互控制，以液压元件观察角度的变化为例来说明，脚本框图如图4。

Mouse Waiter模块可按需要对鼠标左/右键、滚轮等进行设置，该例中左键实现对象的点选和移动，右键实现观察角度的变化，滚轮实现缩放。Parameter Selector中Pin0选項中将Degree设置为30，实现观察角度的变化。

3.系统的发布。该虚拟液压实验平台使用网页形式进行发布，学生们只需要安装插件，即可在电脑上进行虚拟实验，有利于虚拟实验的推广和远程教学的应用。

四、结论

本文提供了一条借助于虚拟技术Virtools开发虚拟液压实验平台的途径，该平台一定程度上弥补了现有实验教学的不足，对真实的液压实验实训起到了一定的补充作用，学生在课余时间也可以自由使用该平台进行实验和技能练习，有助于学生技术技能的培养。

由于个人精力有限，该平台尚有不足之处：

（1）虚拟实验要与真实实验结合起来，相辅相成，才能真正发挥虚拟实验平台的优势；

（2）液压元件模型太多，影响了平台的运行速度，影响了实验效果；

（3）虚拟平台中的实验内容少，需要补充和更新，以满足教学需求。

参考文献：

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