基于机械设计基础教学系统研究

摘 要：文章主要对在实践教学中应用增强现实技术的有效路径进行了探索，基于该技术完成了智能手机端教学辅助系统的设计和开发。系统的主要集成开发环境及软件开发工具包分别采用了Unity3D和Vuforia，零件三维模型通过零件图纸的扫描进行显示，同时介绍了模型的旋转、缩放与剖视功能的实现路径，为工艺课程设计提供包括辅助制订零件工艺路线在内的基本功能支撑。

关键词：“机械制造工艺”;机械设计教学系统;增强现实技术

作为高校机械类专业必修课，“机械制造工艺”课程设计属于重要的实践教学环节，在课程教学中不可或缺，在培养机械加工及设计能力（工艺规程和机床夹具）方面起到重要作用。实际教学过程中学生普遍存在缺乏实践理论及能力的问题，实践性较强的课程设计增加了课程的难度，不利于提高学生对课程设计的兴趣。在机械设计实践教学中提高教学效果及实践能力成为亟待解决的问题[1]。

1 系统设计

本文设计的机械设计教学辅助系统的总体架构如图1所示，主要包括人机交互、信息输入、融合显示几个功能模块。

图1 系统总体设计

人机交互模块的主要功能在于帮助用户通过移动终端界面完成同教学辅助系统间的触控（包括虚拟模型的旋转、缩放、剖视及零件加工相关信息资料的查看等）和互动过程、辅助制订零件加工工艺路线。

信息输入模块主要负责实现真实环境标志物特征点信息（通过摄像头采集）以及服务器端虚拟模型信息（通过处理和匹配标志物特征点信息完成）两部分信息的获取。

融合显示模块的主要功能在于对真实世界中注册虚拟信息的位置进行实时跟踪（根据输入信息），并在此基础上完成真实和虚拟信息间的叠加融合显示。此外，该系统能够根据用户制订的工艺路线（基于选择的加工工序）对工艺路线制订的合理性进行评价。

2 系统开发与实现

本文软件运行系统基于手机Android系统，为确保该系统在其他智能手机系统中运行，本文选用Unity3D作为系统的集成开发环境，软件开发工具包选用了Vuforia SDK（高通公司），采用SolidWorks完成三维建模操作。移动增强现实的应用主要包括：

（1）离线处理，主要负责完成标志物的选取和预处理、虚拟三维模型及场景的建立和生成，主要通过使用Unity3D完成。

（2）在线处理，主要负责完成识别标志物、生成反馈信息、叠加虚拟对象，主要通过使用Vuforia SDK实现人机交互。

2.1 总体流程

本文系统的实现流程如图2所示，主要包括创建云端数据库、目标管理、Vuforia集成与发布3个环节。使用Java语言（需要先下载和安装JDK以及Android SDK）完成基于Android平臺系统的应用开发。

图2 系统实现流程

2.2 融合显示、旋转、缩放和剖视功能的实现

本文基于CA6140车床拨叉介绍系统功能的实现过程，针对所需展示零件，通过使用SolidWorks（一种三维建模软件）完成建模工作，先将.spt格式的模型文件转换为.fbx文件（Unity3D能够识别的模型格，通过Deep Exploration软件完成），再将该文件导入到Unity3D中。接下来注册Vuforia，在此基础上完成云端数据库和管理标志物的创建以及License Key，Imagetarget包的获取，然后将其导入到Unity3D中，并将.fbx模型文件同Imagetarge相对应，最后进行相应设置（调整位置、大小及灯光）并打包发布，通过滑动触摸屏即可由Unity3D脚本控制相应组件实现旋转及缩放功能，本文采用C#作为脚本编辑语言;点击剖视按钮通过Rotate（）函数实现剖视功能。通过建立一个并列独立剖视三维模型实现直接在Unity3D中进行剖视显示，通过按钮组件激活状态的设置转换整体与剖视模型。

2.3 工艺路线制订辅助功能的实现

将各加工工序由指示体模型来代表，点击各指示体完成加工工序的排序、实时显示以及合理性评分，通过Unity3D 中射线法的使用使被触发的操作会产生一条射线（从摄像头发出）指向触摸点，选中在射线路径上同射线相撞的碰撞体模型，即可选中相应的加工工序，进而完成加工工序的排序及工艺路线的制订[2]。

2.4 系统操作流程

点击手机端APP进入主界面，通过扫描图纸后完成零件三维模型的融合显示，根据实际需要进行旋转、缩放、剖视模型及完整三维模型视图的显示，剖视图相应加工工序上通过制订工艺路线按钮即可实现工序指示体的显示，在此基础上完成工艺路线的排布，屏幕右上角会显示排序结果及评分。

3 结语

本文所设计的机械设计教学辅助系统主要基于AR技术实现，通过在实践教学中运用虚拟仿真资源，实现了零件三维模型的显示功能，具体零件加工工艺路线以实际教学内容为依据完成制订过程，满足沉浸式的教学目标。通过该系统能够使机械制造工艺课程设计质量得以显著提高，为创新教学模式和方法提供了参考。

作者简介：李新淼（1982— ），女，河北衡水人，讲师，硕士;研究方向：机械设计制造及自动化，数控机床编程教学。

[参考文献]

[1]周成，居里锴.机械安全防护虚拟现实教学系统的设计[J].工业和信息化教育，2019（8）：77-85.

[2]崔玉鑫，李风，杨彬，等.现代机械设计技术之机械系统动力学教学改革实践与探索[J].中国教育技术装备，2018（6）：88-92.

Research on the basic teaching system based on the mechanical design

Li Xinmiao

（Liaoning Institute of Technicians， Fuxin 123000， China）

Abstract：This paper mainly explores the effective path of applying augmented reality technology in practical teaching， and completes the design and development of smart phone teaching assistant system based on this technology. The main integrated development environment and software development kit distribution of the system are displayed by scanning the part drawings of Unity3D and Vuforia， parts， at the same time， the realization path of model rotation， scaling and section view function is introduced. Provide basic functional support for process course design， including auxiliary formulation of part process route.

Key words：“Mechanical Manufacturing Process”; mechanical design teaching system; augmented reality technology