基于VR技术的机械类课程实验项目设计与实例

江本赤 梁利东 贾文友 王建彬 刘有余

摘  要 鉴于虚拟现实技术日益广泛的工程应用现状，为增强机械类课程实验教学的生动性，加深学生对复杂设备机械结构和原理的感性认识，对基于虚拟现实技术的实验教学项目设计与实施方法进行探讨。为验证所提方法的有效性和实用性，以CA6140车床为例，开发一套VR模块化装调系统，以期为机械专业相关课程的实验教学改革提供参考。

关键词 虚拟现实技术;机械类课程;实验项目设计;仿真实验;Unity3D;CA6140车床

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）02-0036-03

1 引言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种集计算机技术、图形图像技术、人机交互技术及传感技术于一体的综合性多学科交叉技术[1-2]。2016年被认为是中国虚拟现实元年，硬件市场规模近21亿元[3]。VR技术由于可交互的临场感，其工程应用正在向诸多领域渗透，在机械工程中亦得到日益广泛的应用[4]。用户首先需进行模型创建，明确虚拟场景中各物理要素的几何信息，并进行三维建模;然后搭建虚拟环境，将模型以一定的格式导入可视化软件开发环境，并确定各要素间的位置拓扑关系;最后通过专用设备“进入”虚拟环境，可根据需要与场景中的要素进行交互，同时监测和评价场景的状态拓扑。如图1所示，相对于传统的计算机仿真技术，VR技术的沉浸感在交互性方面具有明显优势[5]。

基于上述原理开发的虚拟机械实验，无须直接接触机械设备，而是借助VR技术的沉浸感达到实验教学的目的。鉴于机械类课程实验设备成本较高，复杂机械装备的工作原理枯燥难懂的特点，开发虚拟实验项目，对于降低实验成本，提高实验教学质量具有重要意义。

本文在分析机械类课程中典型实验特点的基础上，探讨基于VR技术的实验项目设计方法，旨在降低实验成本，帮助学生了解新技术;通过运用对CA6140车床的虚拟拆装系统，验证可视化交互仿真实验的可行性。

2 虚拟实验的环境搭建

机械类课程实验中常涉及复杂机械装备的结构组成、运动传递和工作原理等问题。在设计虚拟实验时，需结合实验任务特点，选择合适的应用软件，配置好VR硬件参数，搭建出经济适用的沉浸式可视化可交互实验平台。

软件选择与场景建模  首先对实验相关各物理要素进行三维建模。三维模型的获取方法有很多，在此不再赘述。对于机械类专业的VR仿真实验，本专业学生所熟悉的三维造型軟件即可满足要求，如UG、Pro/E、SolidWorks等。

然后选择实现虚拟现实技术的支撑软件。完成场景的三维建模之后，还需要选择VR实验项目的开发环境。目前市场上有多款功能相似的VR应用程序开发引擎，如Unity3D、Quest3D、Virtools等。其中，Unity Techno-logies公司推出的Unity3D是一种可创建实时三维动画、建筑可视化、三维视频游戏等互动内容的多平台综合型开发工具，其编辑器可运行在Windows和Mac OS X下，并可发布Windows和Android等平台支持的可执行文件。Unity3D

是当今在虚拟现实领域应用最为广泛的跨平台应用程序开发引擎，本文将选用该软件进行VR实验案例开发。

在完成三维建模之后，通常得到的是prt或stl等格式的模型数据，一般需要将其转换成开发环境所接受的中间文件格式。如Unity3D需要格式转换成fbx格式，该格式文件占据的存储空间相对较小，有利于提高程序处理速度。目前有多款软件支持这种格式转化。

硬件配置与通信测试  虚拟现实系统硬件一般包括双通道投影系统、3D眼镜、头盔显示器、数据手套/手柄以及位置跟踪器等。借助头盔显示器或投影系统与3D眼镜可体验虚拟场景的沉浸感，可用于被动观测;在此基础上，借助数据手套/手柄及位置跟踪器，可用于可视化交互，操作者可在虚拟场景中干预各三维模型要素的状态，如移动某零部件的位置。完成软件部分的准备工作之后，进行硬件连接并调试硬件与软件的通信，测试数据传输的实时性以及硬软件的兼容情况。

3 实验教学项目设计与实例

机械类VR实验包括装备的静态观测、虚拟拆卸及装配、工作原理演示和机械仿真加工等内容。针对具体的交互性实验任务，需编写脚本程序驱动运动部件按照既定的轨迹运动，通过VR硬件完成可视化临场感交互。下面以图2所示的CA6140车床为例，选择Unity3D软件开发环境进行模块化虚拟装调试验。

面向实验任务的程序设计  CA6140车床是一款典型的传统机床，许多现行教材仍以其为例进行传动链等机械基础知识的讲解，大多数高校机械类专业学生的金工实习也直接操作过该设备。为便于学生从功能的角度认识机床结构，此处将整个车床结构分为主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、床体和尾座六大组件。依据教学需要所设定的实验任务，将驱动程序划分为拆卸装配、运动传递、漫游和交互四大功能模块，所设计的程序结构如图3所示。

CA6140车床模块化虚拟装调实例  对车床的主要功能部件进行建模，转换成fbx格式之后，导入Unity3D环境，机床整体外观效果见图4。整个虚拟装调系统包括整机和组件的整体场景漫游，以及分步和连续装调的过程演示，其模块化拆卸效果如图5所示，移除车床表层覆盖件可显示内部整体结构，如图6所示。图7是主轴箱内部主要结构，可进一步显示主轴子模块和换向装置的三维结构，可分别显示变速机构和制动装置。

上述四个子模块界面中可进一步进行交互式拆卸和装配。进给箱外形和溜板箱内部结构如图8和图9所示。刀架和尾座部分的结构分别如图10和图11所示。床身模块如图12所示。

4 结语

基于虚拟现实技术的机械仿真实验，具有成本低、灵活性强、效果直观及安全性好等优点。实践表明，合理设计VR实验，可帮助学生快速理解复杂的机械结构原理与操作方法，有助于激发学生的积极性和创造性，并可为其他实践教学环节的改革提供参考。

参考文献

[1]申蔚.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]邸馗，于天彪，陈培媛，等.虚拟现实技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（10）：10-12.

[3]2016年是中国虚拟现实元年，硬件市场规模近21亿元[DB/OL].https：//www.ithome.com/html/vr/283239.htm

[4]张菊.虚拟现实技术在实训中的应用研究[J].计算机光盘软件与应用，2014（4）：310，312.

[5]吴悦明，何汉武，孙健，等.基于VRML的数控机床的虚拟操作研究[J].机械科学与技术，2005，24（6）：723-729.