基于虚拟技术的减速器仿真系统的研究与开发
发布时间：2020-04-10
摘要:为了解决高校实践教学受经费、时间、空间等因素限制的问题，以典型机械产品减速器为例，在分析其基本结构的基础上，采用虚拟技术基于Unity3D构建了减速器虚拟仿真实践教学系统.系统实现了PC端和移动端多平台浏览操作、结构展示、虚拟拆装、AR呈现及课程知识考核等教学实践功能.该系统充分发挥虚拟现实和增强现实技术的优势，提升了学生的学习兴趣，节约了经费投入，为高校信息化建设提供了有益的尝试，具有较好的研究价值和应用前景.
关键词:Unity3D;减速器;虚拟现实;增强现实
减速器是一种较为常用的机械部件，一般用于降低转速和增加扭矩的场合，应用领域涉及工程机械、冶金、石化、船舶等行业，减速器的种类按啮合方式可以分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器及蜗轮蜗杆减速器等，按级数可分为单级和多级减速器[1].基于减速器的结构组成特点，其可作为机械类学生在教学和实践环节中的重要研究对象，如结构认知和拆装实验、课程设计等.目前国内高校都有针对其原理、结构和性能进行的课程教学，不过教学模式基本上还停留在较为传统的形态，存在着学生实践时间短、设备资源紧张等诸多问题，在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养[2-3].随着计算机技术和信息技术的发展，采用虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等新技术应用于教学，逐渐成为高校实践教学改革的一个重要方向.
国内外对虚拟技术及其在教育领域的应用已做了一定的研究.OUYANG[4]使用Unity开发环境构建虚拟机器人，大大改善游戏中机器人仿真设计的流程和可实现性;冯立艳等[5]采用虚拟现实和增强现实技术，基于Unity3D开发了机械基础虚拟实验平台，可全方位地观察减速器内部结构，实现异地协作和实验资源共享;张宗波等[6]利用Unity3D、3dsMAX等软件及C#编程工具开发了适用于线上教学的工程图学虚拟交互平台，为课程信息化建设提供了参考;李俊文等[7]将UG软件应用于机械设计课程设计中完成减速器结构设计，培养了学生运用现代设计手段进行产品设计的能力.基于此，以减速器为研究对象，基于Unity3D把虚拟现实和增强现实技术与减速器实践课程相结合，开发具有交互性和沉浸性的减速器虚拟仿真教学系统，以提高学生的设计实践能力.
1减速器结构分析
减速器结构如图1所示，主要由箱座、箱盖、输入和输出轴、输入和输出齿轮、轴承等部分组成.
工作原理:减速器是一种把较高的转速转变为较低转速的专门装置.输入齿轮轴的轮齿与输出轴上大齿轮互相啮合，而输入齿轮的齿数少于输出齿轮的齿数，根据齿数比与转数比成反比的相互关系，当动力源(如电机)或其他传动机构的高速运动，通过输入轴传递到输出轴后，输出轴便获得到了低于输入轴的转速，从而达到减速并增矩的目的.减速器结构及工作原理简单且较为典型，因此运用先进的VR和AR技术来协助完成减速器的结构认知、虚拟拆装等工作将对机械类实践教学起到很大的辅助作用
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2方案设计
2.1总体研究思路
以减速器为研究对象，以虚实结合为总体思想，将虚拟仿真技术与传统的减速器相关课程相结合，运用VR和AR技术开发具有交互性和沉浸式的减速器虚拟仿真教学系统，最终实现减速器结构认知、虚拟拆装以及零部件AR呈现等功能.系统总体框架及设计思路如图2所示.图中包括现有教学资源、软件平台、硬件平台及系统功能等几大部分.
2.2开发平台与工具
系统开发环境为Unity3D，三维建模使用西门子公司的UGNX软件，渲染优化使用3DsMax，以Vuforia作为软件开发工具包.Unity3D可实现Windows、Android或者ios等多平台的系统发布.具体开发平台和工具如表1所示.
3、系统开发与实现
3.1开发流程
系统开发流程:以Unity3D为开发平台进行VR和AR模型系统制作，首先运用UGNX建模软件建立减速器三维模型，导入3DsMax进行模型渲染及优化，采用Photoshop进行贴图绘制，然后将贴图和模型导入Unity3D平台后通过C#来编写相关交互程序，并对AR和VR进行差别化制作，最后利用虚拟现实和增强现实设备对虚拟仿真实践教学系统进行功能效果展示.系统开发流程图如图2软件平台部分所示.
3.2三维建模
减速器主要包括下面3类零件:轴类(输入轴、输出轴等)、箱体类(箱盖、箱座)和齿轮类(输入齿轮、输出齿轮等).主要零件再加上轴承、端盖、紧固件等就可以装配出完整的减速器模型.
采用UGNX三维建模软件，使用拉伸、旋转、凸台、打孔等诸多混合建模方法构建准确的各零件三维模型，零件及装配图如图3所示.
3.3虚拟场景搭建
将UGNX中建好的三维模型转换成.stl格式，导入3DsMax软件中完成Z轴方向调整、材质处理等操作后导出.fbx格式文件.在Unity3D软件中将.fbx文件导入，并添加模型相关的声音、贴图等文件.创建新的场景并将工程文件目录下的模型放入Scene窗口当中，通过管理场景模型完成模型状态实时显示.减速器虚拟现实场景开发流程及效果图如图4、图5所示.
3.4虚拟拆装功能实现
虚拟拆装需符合减速器实际拆装的逻辑顺序，因此需要首先完成逻辑判断，整个拆装过程必须具有动态性、交互性和逻辑性并符合实际拆装工艺要求.虚拟拆装功能主要包括预设路径自动拆装和手动拖动拆装两种方式，虚拟拆装流程如图6所示.
图7(a)、(b)为手动拆装减速器螺栓零件的前后对比图，(c)为预设路径自动拆装效果图.其中，基于拖动的手动交互拆装是通过鼠标点击、手指触屏或头盔手柄等方式选择想要拆装的零件，直接拖动零件模型到松开位置，实现对零件模型的拆卸，并记录拆卸顺序和位置，拖曳的位置即为零件实时摆放位置，最终实现对模型的交互装配，这种操作方式让用户拥有更直观、更具沉浸感的体验.预设路径的自动拆装是先为零件预设拆卸位置，通过顺序控制自动拆装.
3.5增强现实功能呈现
基于VuforiaSDK增强现实工具包完成二维图纸的跟踪注册，并利用手机触屏的交互操作在移动设备上与虚拟场景进行交互，完成移动设备上的减速器零部件三维增强现实呈现，AR设计流程如图8所示.减速器的AR呈现效果如图9所示，在移动端界面可完成模型旋转、缩放、复位以及零件信息查询等功能，通过点击这些按键实现相应操作.
3.6用户界面设计
用户界面可实现用户与系统的交互.通过编写脚本构建层级界面进行相应场景的跳转，最终实现相应的目标功能.减速器虚拟仿真教学系统图形用户界面如图10所示.
用户界面包含结构展示、自动拆装、手动拆装、知识考核、退出系统、返回及AR扫描等功能按键，通过按键点击可进入相应功能模块.
3.7系统发布
系统可通过Unity3D发布在Android、IOS、Windows等多个平台，以Android平台发布为例，点击File栏里面的Buildsettings并选择发布场景和Android平台，进行属性设置后可发布生成一个.apk应用程序，在Android系统手机上安装此文件后即打开系统实现减速器相应的虚拟现实功能，其他平台同理.还可通过软件选择左右分屏效果，实现在VR头盔上的立体显示，学生可通过VR头盔和控制手柄实现更为沉浸式的交互操作.
4结语
把虚拟现实和增强现实技术与机械专业实践教学相结合，将Unity3D、UGNX、C#、3DsMax集成应用于虚拟教学系统的开发，构建出一套具有良好沉浸感、交互性和跨平台能力的虚拟仿真教学系统.利用本系统学生可完成机械产品的结构展示、虚拟拆装、知识考核等教学任务，提高了学生的学习兴趣和主动性，有效缓解了高校资金短缺、实验场地不足、学生操作危险等问题.为应用型人才培养提供了新的手段，为实践教学改革提供了新的参考.
下一阶段本研究将针对更多的机械产品和机械类实践课程进行相关虚拟仿真教学系统的开发，完成本专业虚拟仿真教学体系的构建，为机械类实践教学改革提供参考.
