基于全息台的虚拟机械装配VR内容制作研究*

江方记，孙宗恒

（1.深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055；2. 深圳中视典数字科技有限公司，广东 深圳 518053）

基于VR技术的虚拟装配是近年来比较热门的虚拟设计和制造研究的方向之一，它以机械产品的装配技术为研究方向，以提高机械产品设计制造过程的质量为根本，同时综合运用CAD技术、VR技术、计算机三维建模技术和先进的网络信息技术等，创建一个接近真实情境的虚拟操作平台[1]．机械工程师可以在VR环境中完成机械产品的装配操作，同时检验和规划机械产品的装配工艺，完成最合理的机械产品的装配解决方案．基于VR技术的虚拟装配的研究和实际应用是与VR技术、计算机软硬件技术、AI技术、信息技术和CAD设计等诸多学科的技术发展相关的[2]．目前研究主要包括虚拟装配的关键性技术、虚拟装配的软硬件环境和虚拟装配技术在产品设计制造中的应用等方面[3]．

高职院校的机械类课程教学过程与 VR虚拟装配的发展密切相关，例如高职院校机械类专业的学生在学习了机械制图专业基础课程以后，还会安排一定的实训课时，让学生熟读装配图，并根据装配图完成其装配体的拆装实训，从而达到提高学生读机械装配图的工程能力和素养[4]．但是这种传统的机械装配教学存在很明显的弊端，如教学用的装配体的数量有限、装配体实体模型的定期更新比较慢、装配体的定制加工周期比较长、装配体拆装场地有限、装配体的零件容易丢失和课程需要配置大量的装配工具等．随着虚拟现实技术的广泛应用，将VR虚拟机械装配技术应用到高职院校的教学实践中，这无疑是解决这些弊端比较理想的办法之一[5]．

1 虚拟机械装配VR内容制作的框架设计

基于 VR技术的虚拟机械装配是以机械产品的3D模型为基础，运用VR技术，在VR环境中完成虚拟机械装配操作的全过程，同时还可以在VR环境中完成机械产品的装配顺序设计、装配路径设计、装配干涉检查等装配工艺设计过程，最终制定合理的产品装配方案．图 1为虚拟机械装配过程框图．

虚拟装配技术源于 VADE（Virtual Assembly Design Environment），1995 年华盛顿州立大学和NIST 联合进行了虚拟装配方面的技术和实验，并且研究开发出虚拟装配设计环境VADE．VADE原型系统的面世和广泛应用，标志着 VR技术在机械装配领域得到了成功的应用．图2为VADE系统应用示意图．VADE试图建立用于装配工艺设计系统等功能模块的虚拟环境，然后运用虚拟现实技术研究开发机械产品的装配过程．如果 VADE在机械产品的设计中得以运用和实现，那么机械工程师在机械产品的初级设计阶段就可以将产品的拆装工艺因素考虑进来，从而避免产品的设计和制造缺陷．VADE可以在机械产品CAD的设计数据和装配工艺分析之间实现数据共享，通过分析和提取CAD设计环境中的产品装配约束等信息，实现机械产品零部件的装配工艺规划，反过来也为机械产品零部件的改进设计提供有用的反馈数据．

图1 虚拟机械装配过程框图

图2 VADE系统应用示意图

2 虚拟机械装配 VR内容制作的系统方案设计

基于 VR技术的中视典全息台实时依赖于一定的虚拟情景，同时基于虚拟现实引擎，可以开发出虚拟教室情景的软硬件环境和辅助操作工具（如VR立体眼镜或 3D操作手柄等）．如果充分利用VR软硬件环境和辅助设备，同时运用Solidworks等三维建模软件，就可以快速开发出适合高职教学需求的VR教学环境．图3为基于中视典VR全息台的虚拟机械装配解决方案框图．

基于VR技术的中视典全息台，它应用适合教学体验的设备进行教学模拟，同时利用虚拟现实引擎表现出机械产品的“真实”结构，为学生提供一种可操作和互动性极强的教学实训环境，改变了目前传统机械课程生硬、枯燥和被动的教学现状，同时也使得多媒体课程教学从二维变成三维立体交互，最终构建一个虚拟的、境界逼真的VR教学环境．基于VR技术的全息台在高职机械课程教学上的应用，必将开创“虚拟教学”的崭新局面，它当然也是教育高科技化的展现和应用，也是未来教育途径走向深层次现代化和信息化的标志性成果之一．图 4为基于VR技术的虚拟机械装配教学系统流程图．

基于虚拟现实的理论分析，同时结合中视典VR全息台虚拟现实硬件设备，本研究完成了多套典型机械产品的虚拟装配的VR内容制作任务，包括带轮传动装置、传动机构、蝴蝶阀、手压阀、双向开关、转子泵、调压阀、自动闭锁式塞阀、齿轮油泵和虎钳等．

图3 基于VR技术的虚拟机械装配解决方案框图

图4 基于VR技术的虚拟机械装配教学系统流程图

3 虚拟机械装配 VR内容制作的关键步骤分析

基于VR技术的虚拟机械装配的内容制作过程比较复杂，研制过程用到的软件就至少包括AutoCAD、Solidworks、3dsmax和 VRP Builder等，研制过程主要包括如下几个步骤：

1）使用AutoCAD等软件，将机械产品的装配图拆画成零件图，图5所示为带轮传动装置装配图中的带轮零件图．

2）使用 Solidworks三维绘图软件，完成零件和装配体的三维建模．图6所示为带轮和带轮装置装配体的三维模型图．

3）将第二步创建的三维实体模型导入到3dsmax软件中，然后使用预装的VRPlatform插件，将编辑好的 3dsmax模型导出为 VRP文件．

4）最后将VRP文件导入到VRP Builder编辑器中，完成VR内容的后期制作任务，即可在中视典全息台设备中运行VR内容，图7所示为带轮传动装置VR虚拟装配运行效果图．

图5 带轮零件图

图6 带轮和带轮传动装置的三维模型图

图7 带轮传动装置VR虚拟装配运行效果图

4 结 论

1）本研究是以目前高职院校机械制图等课程的实际教学需求作为为研究的核心点，利用企业成熟的VR技术和设备，同时基于机械专业类虚拟现实的教学课件需求，对机械制图等课程的教学过程、实训环境和技能训练等方面进行了全过程的虚拟现实重构．

2）利用虚拟现实场景的交互性、多感知性和可操作性等优点，实现现有高职课程的全部教学内容和场景，充分调动了学生学习机械制图等专业课程的主动性和积极性，解决教学中存在多年的难点．

3）促进教师积极建构新一代基于虚拟现实的未来教学课件，优化自己的教学过程，提高专业课程的教学质量，让“教”与“学”结合得更加紧密和精彩．

[1] 黄静．虚拟现实技术及其实践教程[M]．北京：机械工业出版社，2016：35-65．

[2] 李建广，夏平均．虚拟装配技术研究现状及其发展[J]．航空制造技术，2010（3）：23-25．

[3] 冀盼．VR开发实战[M]．北京：电子工业出版社，2017：21-83．

[4] 周晓成．虚拟现实交互设计[M]．北京：化学工业出版社，2016：15-83．

[5] 张承霖，曾飞国，刘韬，等．VR技术在工程训练中的应用实践[J]．高等继续教育学报，2017（3）：46-49．