动车组制动夹钳仿真教学系统设计与实现

潘伟

摘 要：制动夹钳是动车组制动指令的最终执行部分，是盘形制动三大部件之一。维修作为设备管理的重要环节，能使动车组保持规定技术状态，预防事故。传统的动车组设备检修教学培训采用图像和视频的方式讲解，缺乏真实感和互动感。综合利用Solidworks，3ds Max，Unity3d等软件设计开发的制动夹钳仿真教学系统提高了教学效果，弥补了实践教学的不足。

关键词：动车组;制动夹钳;仿真

0 引言

在动车组检修教学和培训中，受到設备紧缺、铁路现场安全要求等因素限制，教师只靠图像和视频讲解，不能充分展示设备内部构造和动作原理。针对教学和培训中的问题，设计开发了动车组制动夹钳仿真教学系统，不仅实现了对制动夹钳的理论认识，还可以对其结构进行三维观察、分解、组装，并按动车组一级检修作业标准完成对夹钳的检修，达到了培训教学目的。

1 系统总体结构设计

1.1 系统需求

开发动车组制动夹钳仿真教学系统，主要根据教学和培训需求设计各个模块，仿真教学主要包括理论学习和实践操作两大模块。一是通过文本和图片进行理论学习，二是通过三维仿真互动进行实际操作练习。图1所示为动车组制动夹钳仿真教学系统用例图。

1.2 系统结构

根据系统需求分析，系统总体结构由系统登录、主菜单、系统简介、制动原理、制动夹钳等主要界面组成[1]。系统开发的实现主要基于Unity3d软件，利用 Solidworks进行制动夹钳的三维建模，3ds Max对模型进行渲染和制作需要的三维动画片段，用C#和JavaScript编写脚本实现场景中的交互。

2 系统功能设计与实现

2.1 创建三维模型

Solidworks是一款功能强大的机械设计软件，可以将现有的动车组制动夹钳AutoCAD平面图导入，再进行拉伸等操作快速生成三维模型，大大提高了建模效率[2]。建好的三维模型可以利用Solidworks导出为step格式的文件，step格式基本保持了模型的完整，失真较少。3ds Max2014以上版本可以直接导入step格式的三维模型，在3ds Max中对模型进行渲染和动画制作，以达到仿真系统所需要的效果。

2.2 模型的导入

制动夹钳仿真教学系统使用Unity3d软件开发，Unity3d可以导入.FBX格式的模型文件，所以先将在3ds Max中渲染的模型和动画导出为.FBX格式文件。Unity3d导入三维模型素材后要注意以下几点。

在3ds Max中渲染中使用的贴图图片素材也要导入到Unity3d的Project工程面板下，否则无法显示渲染效果。

三维动画模型导入Unity3d后在场景中不显示动画，这要先改变模型的属性。在模型的Inspector面板下选Rig标签，将Animation Type属性改为Legacy。

在Unity3d中可以用脚本按设计要求控制三维动画，三维动画模型先在Inspector面板下Animations标签Clips中对三维动画模型进行分割处理，以便在仿真系统中交互处理。

2.3 系统UI界面设计

系统界面设计使用Unity3d自带的UGUI系统设计开发，灵活快速，运行效率高。系统界面主要有登录界面，动态菜单界面，理论知识界面，制动夹钳操作界面组成。登录界面包括注册功能。注册和登录功能的实现方法是在Unity3d中新建C#脚本创建xml格式文件，用于保存用户信息。

创建和读取xml文件，要在脚本中引入以下命名空间。

using System.IO

using System.Xml;

先在脚本中声明xml文件路径变量

private string _userpath;

在void Start （）方法中创建user.xml文件

xmlpath=Application.dataPath+”/user.xml”;

动态菜单界面实现菜单界面与各场景及子菜单的动态切换效果（见图2），菜单的进入和退出动画是将各选项按钮作为Image物体的子物体，在Unity3d菜单Window中选Animation功能，在Animation动画面板中对Image物体位置进行位置动画录制。动画文件Inspector面板下的Loop Time循环播放取消，打开动画状态机，对Image物体动画状态进行设置，新建main_windows_out和main_windows_in两个Bool型变量，通过C#脚本判断变量实现菜单的进入和退出控制。

菜单退出代码如下，菜单进入代码布尔变量真假判断设置相反。

ani_main_window.SetBool （“main_windows_out”， true）;  //播放主菜单退出动画

ani_main_window.SetBool （“main_windows_in”， false）;  //不播放主菜单进入动画

2.4 制动夹钳检修仿真设计

制动夹钳检修仿真包括结构认识、单元检查、实训考核3个部分。结构认识界面可以对制动夹钳三维模型进行分解和组合，透明显示，用鼠标放大缩小及360度旋转模型，使学生能细致地观察制动夹钳各部件和构造，当鼠标指向不同的部件后可以显示其名称。鼠标经过物体显示名称要先给制动夹钳各个模型添加碰撞检测，通过Add Componet下的Physics添加Mesh Collider和Collider。在C#脚本中通过编写鼠标事件OnMouseEnter（） 显示部件名称的功能。

GUI.Label（new Rect（Input.mousePosition.x，Screen.height - Input.mousePosition.y-20，120，40），“过渡座体”）;   //在鼠标位置处显示物体名称。

单元检查界面模拟一个实训场环境，可以实现对动车组制动夹钳一级维修的各个项目，包括使用手电工具对制动夹钳整体外观、螺栓防松标记和各管路的检查。利用直尺工具测量闸片厚度是否符合标准，用塞尺工具检查闸片与制动盘间隙是否合格。还可以仿真实验制动夹钳在牵引、缓解、制动3个状态是否正常。

实训考核有两个部分，一是制动夹钳的组装考核，二是理论考核。通过考核可以使学生加强理论认识，以及对各部件组装的熟练操作。

3 系统发布与测试

系统完成后可利用Unity3d发布功能打包发布为可执行程序。发布PC版本前要先进行以下设置。在Build Settings面板下点击Player Settings按钮，打开发布设置面板，将Api Compatibility Level选项的值改为.Net 2.0，否则在发布程序时会出现错误提示。

发布后的动车组制动夹钳仿真教学系统安装到仿真机房，通过教师和学生的实际运用测试，修改完善了画面和操作流程，使系统运行更加流畅，演示和操作步骤无漏洞，达到了设计要求。

4 结语

针对铁道车辆检修教学和培训中的实际问题和困难，利用Unity3d设计开发的动车组制动夹钳仿真教学系统，能让学生直观地了解制动夹钳的结构组成和制动原理，通过仿真系统的虚拟检修和拆装，可以使学生快速地掌握对制动夹钳的检修过程。学生可以多次利用虚拟系统进行检修操作，减少了对实训设备的损坏，降低了教学和实训成本。通过本系统的实现，今后可以扩展开发更多动车组检修项目仿真教学，为我国铁路培养更多专业技术人才。

[参考文献]

[1]铁道部人才服务中心.动车组机械师[M].北京：中国铁道出版社，2015.

[2]佚名.CRH系列动车组一级检修作业办法 [M].北京：中国铁道出版社，2019.

（编辑 何 琳）