液压虚拟仿真实验教学平台建设

李梦如, 陈 哲, 朱美华, 陆佳玮, 奚 鹰

(同济大学 机械与能源工程学院, 上海 201804)

在高校理工科教学中,实验教学起着至关重要的作用。然而,传统的实验教学存在实验仪器设备等价格昂贵、实验过程存在安全隐患、受时间和空间的制约、教育资源分配不均、实验教学模式相对滞后等问题[1]。建设虚拟仿真实验教学平台,利用虚拟仿真技术构建虚拟的实验环境、仪器设备、实验对象和实验信息资源等,可以有效地解决上述实验教学中的问题,使学生获得接近现实的学习体验,并由此派生出一种全新的实验教学模式,有力地推动实验教学体制改革[2]。

液压传动课程是机械制造专业学生的重要专业课,与之配套的液压实验课程是必不可少的。传统型液压实验是让学生实际操作液压元器件和液压回路。其缺点：一是精密液压元器件价格比较昂贵,学校实验器材的种类和数量不多,学生的不正确操作也可能损坏实验器材；二是液压元件通常外部造型简单而内部结构异常复杂,拆装实验比较困难,学生往往不能很好地了解液压系统内部构造,不能直观地观察到油液的流向,难以理解回路的工作过程和原理[3-5]。

笔者采用Inventor构建了虚拟实验仪器、实验场景,以JetBrains Rider作为代码集成开发环境、以Unity 3D作为虚拟仿真实验开发平台,建设了液压虚拟仿真实验教学平台,使液压实验不但能逼真、立体、全方位地展示各种液压元件的外观及内部构造,进行复杂、有危险和破坏性的实验,而且不受场地和时间的限制,极大地提高了实验的效率和学生实验的自主性。

1 液压虚拟仿真实验教学平台的建设理念

液压虚拟仿真实验教学平台的建设以国家级实验教学示范中心为依托,借助虚拟现实技术,将液压知识从简单到复杂、循序渐进地展现给学生,帮助学生更好地学习、理解和巩固液压知识。

液压虚拟仿真实验教学平台的建设理念是：

(1) 以国家级实验教学示范中心为建设依托,以工程机械为专业特色,以“机械专业课实验(下)”为课程基础,实现虚实结合、线上线下相互补充的新型实验教学模式的改革；

(2) 面向工程机械专业人才培养需求,以学生为本,构建培养创新型人才的虚拟仿真实验教学体系和培养模式,开创知识传授和能力培养协调发展的新型实验教学模式；

(3) 作为国家级实验教学示范中心建设的延伸,以促进大学生的全面发展和适应社会需要为宗旨,以培养创新精神和实践能力为核心,提高高等教育人才培养质量；

(4) 以液压虚拟仿真实验教学平台为媒介,促进跨学科、跨专业课程的交叉融合,增强工科专业学生综合运用多学科知识的实践能力。

2 主要建设内容

液压虚拟仿真实验教学平台的建设主要包括：(1)液压虚拟仿真实验教学平台的公有架构建设；(2)液压虚拟实验项目建设。

2.1 公有架构建设

液压虚拟仿真实验教学平台的公有架构主要涵盖：

(1) 前台操作系统：包括用户登录模块、选单模块、虚拟实验平台操作指南、虚拟实验仪器介绍、虚拟实验介绍等；

(2) 后台管理系统：包括学生管理、班级管理、教师管理、实验项目管理、数据管理、系统日志等；

(3) 平台软硬件基础支撑：包括网络服务器、操作系统软件等。

在建设液压虚拟仿真实验教学平台的公有架构过程中,要求制定公有架构开发规范,解决好后续开发中兼容性和不一致性的问题,减少软件开发的工作量。主要涉及资源命名规范(可分为普通资源的冲突、Resources资源的冲突以及C#命名冲突)、子模块开发方式和场景开发流程。

2.2 液压虚拟实验项目建设

液压虚拟实验项目分为6部分,分别是：流体力学基础实验、液压元件拆装实验、液压元件性能实验、液压基本回路实验、液压综合实验和拓展实验(见图1)。

图1 液压虚拟实验项目

3 开发工具及相关技术

液压虚拟仿真实验教学平台主要采用三维建模软件Autodesk Inventor构建虚拟实验仪器、实验场景等物体的三维模型,JetBrains Rider作为代码集成开发环境,Unity 3D作为虚拟实验开发平台。将各种实验仪器及实验场景虚拟化,利用虚拟现实技术特有的沉浸性、交互性和想象性[6],将传统的实验搬到电脑屏幕及移动终端上,呈现液压虚拟仿真实验教学平台,并编译、发布到Windows、Linux、Android、Web等不同运行平台[7]。

3.1 建模软件

由于在液压虚拟仿真实验教学平台的建设过程中需要对液压元件、液压系统回路等进行三维仿真建模,因此需要先对液压元件、液压回路、虚拟环境等进行三维建模与装配,然后将三维模型导出为Unity 3D可使用的格式。三维建模主要分为外观建模和详细建模,其中外观建模主要用于液压基本回路实验,仅需建立液压元件的外观模型。

本液压虚拟仿真实验教学平台使用的建模软件为Inventor。液压回路的建模必然涉及管道建模,而Inventor提供了非常方便的管道布线工具,使用时只需先设计好管线属性,然后在装配图中选择管道两段的连接点,Inventor就会根据已装配部件自动规划走线并生成管道。与将管道视为零部件、进行手动建模的方法相比,无论是准确度、灵活性还是工作量,自动布管都具有不可比拟的优越性。如果使用Inventor直接导出wavefront obj文件供Unity 3D使用,还可以有效地保留模型的外观材质特性,相比于将三维模型导出为stl文件,然后在3ds MAX导入stl模型并重新赋予其材质特性的方法,无疑是大大减少了工作量。

3.2 obj修正工具

在Inventor导出obj文件的过程中存在两种方式：模型整体导出和模型按零件导出。Inventor按模型整体导出,会使所导出的obj文件将装配体中部件的名称丢弃,对于后续开发过程中部件的使用造成困难。Inventor按模型零件导出,如果零件名称含有中文(特别是引用的标准库文件,Inventor会自动赋予其中文名称),会发生材质丢失现象。此外,模型按零件导出会导致导出文件零乱,不便管理。

综合考虑两种导出方式优缺点,编写了obj修正工具,如图2所示。通过对比两种导出文件的内容,生成新的obj文件,转换成在单个obj文件，并在文件中保留部件名称。

图2 Obj修正工具界面

3.3 交互软件

液压虚拟仿真实验教学平台使用的交互软件为Unity 3D[8-10]。这是开发本实验教学平台最关键的开发工具,界面编辑、交互处理、代码编译和程序发布都需用Unity 3D完成。

Unity 3D是由Unity Technologies开发的一种可轻松创建建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具,是一个全面整合的专业游戏引擎。其编辑器运行在Windows和Mac OS X下,可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要HTML5)、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页游戏,支持Mac和Windows的网页浏览。它的网页播放器也被Mac widgets所支持[11]。

Unity 3D支持JavaScript、C#和Boo[12]等3种脚本语言。

3.4 代码编辑与调试工具

Unity 3D虽然自带代码编辑与调试工具[8-10],但是其智能程度不高,建议采用专业的C#集成开发环境,例如Visual Studio或者JetBrains Rider,本教学平台使用后者。

由于JetBrains Rider自带Unity 3D调试工具包,因此易于系统调试。使用Rider进行调试,只需要先在脚本代码中设置断点,然后点击Rider界面右上角的调试按钮,而后在Unity 3D中运行对应的场景,当脚本解释到达了断点,即可开始调试。

3.5 发布形式

在Unity 3D主界面,选择File选单栏中的Build Settings,进入发布设置界面。然后添加所有需要发布的场景,要保证登录场景处于其中的起始位置,这将是最终发布程序的首界面。系统选择PC、Mac和Linux Standalone,并在右侧具体选择Windows、Linux或Android系统形式。目前,液压虚拟仿真实验教学平台对Windows系统发布x86架构的最终程序。

液压虚拟仿真实验教学平台也可以发布成网页形式,但需要在安装Unity 3D时(也可以在安装后进行修改性安装)选择启用WebGL支持。发布过程直接使用默认选项即可,但是发布为Web形式非常耗时。完成后会在选择的路径生成一系列Web文件,将之上传到服务器即可通过网络访问。

4 液压虚拟仿真实验教学平台的应用

目前,液压虚拟仿真实验教学平台的公有架构已完成前台操作系统所涉及的用户登录模块(液压虚拟仿真实验教学平台与学校登录系统相连,可通过同济大学统一身份认定登录)、选单模块、虚拟实验平台操作指南以及后台管理系统所涉及的实验项目管理的建设,其他公有架构所涉及的内容有待后续建设。

目前液压虚拟仿真实验教学平台着重建设液压元件拆装实验和液压基本回路实验这两部分的虚拟实验项目。已完成部分液压元件拆装实验中齿轮泵虚拟拆装实验、叶片泵虚拟拆装实验、轴向柱塞泵虚拟拆装实验、换向阀虚拟拆装实验和减压阀虚拟拆装实验项目的建设,以及液压基本回路实验中进油口节流调速回路、进回油节流调速回路、旁路节流调速回路、变量泵-定量马达容积调速回路、变量泵-变量马达容积调速回路、容积节流调速回路、速度换接回路、调压回路、锁紧回路和同步回路的虚拟实验项目建设。其他虚拟实验项目的内容有待进一步建设与完善。

4.1 液压元件拆装实验

每个液压元件拆装实验由2部分组成,以叶片泵虚拟拆装实验为例(见图3),左侧为液压元件的简要文字说明及实物图；右侧为拆装实验的4个实验板块：工作原理、结构图、元件拆装和自我测评。

图3 叶片泵虚拟拆装实验的首界面

首先,通过工作原理和结构图实验板块,让学生了解并掌握叶片泵的工作原理及其结构特点。随后,进入虚拟元件拆装界面,如图4所示。每完成一项实验步骤,系统自动会弹出该实验步骤评分窗口。在虚拟实验过程中,如果遇到困难,可点击“拆装提示”以寻求帮助。在虚拟实验完成之后,系统会给出该虚拟拆装实验的首评分。完成实验之后,可点击返回叶片泵虚拟拆装实验的首界面。最后,要求学生完成自我测评。现有题目的种类以选择题和判断题为主,在正确选项之后,系统会给出题目的解释。学生在完成自我测评之后,系统同样会给出自我测评的总评分。

图4 叶片泵虚拟拆装实验的元件拆装界面

4.2 液压基本回路实验

每个液压基本回路实验由2部分组成,以容积节流调速回路实验为例(见图5),界面左侧为液压基本回路的简要文字说明及实物图,右侧为液压基本回路的4个实验板块：回路原理、特性分析、仿真模拟和自我测评。

图5 容积节流调速回路的首界面

首先,通过回路原理和特性分析的实验板块,让学生了解并掌握容积节流调速回路的工作原理和回路特性。随后进入虚拟仿真界面,如图6所示。每完成一项实验,系统即在实验界面的左上角给出该实验步骤评分。在虚拟实验完成之后,系统会给出该虚拟拆装实验的总评分。完成实验之后,可点击返回容积节流调速回路的首界面。最后,要求学生完成自我测评。现有题目的种类以选择题和判断题为主,在正确选项之后,系统会给出题目的解释。学生在完成自我测评之后,系统同样会给出自我测评的总评分。

图6 容积节流调速回路的仿真界面

5 结论

液压虚拟仿真实验教学平台的建设以国家级实验教学示范中心为依托,以“机械专业课实验(下)”为课程基础,实现了优质实验教学资源开放共享、虚实结合,构建了课内课外、线上线下互补的新型实验教学模式。该实验教学模式有利于学生自主学习、培养创新意识和实践能力,全面提高我校机械类专业实验教学质量,同时积极促进跨学科、跨专业课程的交叉融合。