基于虚拟现实的机械零部件装配实验室开发

徐卫国，张 良，张 法

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405）

基于虚拟现实的机械零部件装配实验室开发

徐卫国，张 良，张 法

（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405）

高职院校工科机械类专业学生对机械零部件认识、表达及装配问题普遍缺乏感性认识，虚拟实验室可弥补实验室实际设备的不足，提升学习效率。本软件开发依托Visual Studio 2010、VC++、VRP等软件和PC硬件设备搭建零部件展示平台，具有显示精度高、质感好、实时交互性比较强的特点。软件构建思路是：先采用三维造型软件SOLIDWORKS实体建模，再将造型数据导入3Dsmax，对模型修改优化和烘焙渲染，最后在VRP中进行虚拟场景设计，实际使用效果达到设计要求，受到学生欢迎。

虚拟现实；三维建模；部件装配；VR-Platform

机械零部件是高职工科机电类（含机械、机电、模具、数控等）专业重要的研究对象，典型机械零部件的表达、拆装是学生必须要掌握的一项重要职业技能。一般传统机械零部件的装拆基本在拆装实验室或实习车间（工厂）完成，由于设备笨重体积大，装拆不便，内部结构展示受到限制，加之适合教学的零部件数量较少，一定程度上影响学习了学习效果。随着现代计算机技术虚拟可视化技术的发展，虚拟实验室的研发越来越受到重视，现就虚拟现实的技术背景和本软件的开发过程作简单介绍。

1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实（Virtual Reality)是利用电脑产生一个三度空间虚拟环境，人们可以在仿佛置身于虚拟环境中的活动，虚拟环境中的物体也能与使用者产生互动。使用虚拟现实技术在工程上逐渐受到开发与重视。在建筑上可模拟建筑物代替模型场景制作，在产品设计上，可将产品展示在虚拟环境中，省却制造原型产品成本。虚拟现实系统种类，就呈现方式主要分为四类：融入式虚拟现实（Immersion VR）、桌上型虚拟现实（Desktop VR）、第三人称虚拟现实（Third Person VR）和投影式虚拟现实（Projection VR）。

虚拟现实应用广泛，医学方面可利用断层扫描、核磁共振、超声波等扫描得到的平面影像建成立体模型，再以虚拟现实重现；科学研究方面可用于实验模拟，如虚拟风洞、分子架构等；教育训练方面，可利用虚拟现实让训练更生动、减低学习成本，取得更好学习效果，如虚拟教室等，本软件就是虚拟现实的一个应用；工程应用方面，虚拟现实可用于CAD/CAM领域，用来加速产品开发降低生产成本；商业应用及娱乐应用，如VR眼镜等。

本软件“机械零部件装配实验室”，依托Visual Studio 2010、VC++、虚拟现实平台VRP等软件，结合PC硬件开发而成。

2 总体框架和基本功能

分析原有学校机械零件实验室及设备拆装实验室硬件环境，学生做实验的一般流程，应该具有的基本功能：

2.1 实验教学管理功能

实体环境实验环境和要求，建立集实验管理、教学和答疑功能为一体的虚拟仿真平台（如图1所示），使原来传统实践教学扩展为创新平台实习，提高学员实践技能水平。

图1 实验室教学管理

2.2 实验内容演示操作互动功能

软件能够根据课程教学大纲要求，交互演示典型机械部件工作原理和过程（如千斤顶的上升、下降），交互演示部件的拆卸和装配，能够自己动手装配和拆卸装配体（操作者在虚拟场景中移动零件，体验装配和拆卸）。针对机械部件实行虚拟装配与和虚拟拆卸仿真，系统人机界面（HMI）组成如图2所示。

图2 实验室HMI界面组成

2.3 软件的技术实现

（1）对象分析。本软件实验素材从机械类专业教材和实践教学中进行筛选，精心挑选具有典型意义的十个装配体（①千斤顶、②滑动轴承、③铣刀头、④油压阀、⑤机用虎钳、⑥转子油泵、⑦夹线体、⑧换向阀、⑨钻模、⑩安全阀），对其零部件的形状特征、内外结构、工作原理、工作过程、装拆顺序等进行分类和分析。

以千斤顶（如图3所示）为例，分析以下元素种类（螺旋式和液压式；整体式和分离式）、原理（斜面摩擦自锁机械原理）、组成（手柄、螺杆、升降套、机架、底座等）、应用（结构紧凑、携带方便、操作方便、广泛应用于车间、仓库、码头、工地、矿井等场所、支撑、起重或移动重物）、结构（回转类结构加标准件为主）、表达（装配体主视图全剖、俯视图拆卸画法、其他局部视图等）等方面进行研究分析；特别是装拆顺序（拆卸依次螺钉、挡圈、螺杆、螺母、顶垫、底座）。

图3 千斤顶装配体分析

装配采用自下而上、由简至繁的方法，对简单零部件提供单独进行装配，之后再装配上一级零部件，最后再进行整机装配。这样既方便学生深入认识学习千斤顶各层次结构，又可在逐级装配过程中，在开发环境中逐步隐藏部件的内部零件，以降低系统开销。

（2）关键过程。通过对装配体分析，解决要实现的装拆功能，设计运行脚本语言及软件的具体内容，如装配体的安装及拆卸顺序的动画、路线规划、需要实现的消隐、剖视等要展示功能的内容。根据以上分析，选择合适的软件开发平台，本软件选用Visual Studio 2010、VC等软件构建，首先利用三维工程设计软件（AUTOCAD、SOLIDWORKS、UG、PRO/E、CATIA等）进行实体建模（方法：拉伸、扫掠、放样、抽壳等），模型数据以xt等通用格式导出到3dmax中，然后在虚拟现实软件中开发，下面以中视典（VRP）为例，说明模型导入到VRP后的过程。①建模。模型可由三维工程设计软件建模后数据导入或由3dmax本身建立，注意模型的大小与真实一致，模型的数量不要太多太复杂，以减少场景的模型量与贴图工作量，将模型、贴图量的质量和速度间做好平衡。②材质添加。可使用库中的标准材质和纹理贴图，将物体烘焙为LightingMa、CompleteMap，贴图允许使用jpg、bmp、png等格式。③灯光设置。按需要设置合理的灯光和阴影参数，一般使用VRaylight灯光设置，灯光参数通常按作图的布光方式设置。④相机设置。可在3dsMax中渲染，用3dsMax默认的渲染器Scanline渲染，也可用高级光照渲染，以加强真实感。⑤烘焙。在渲染后对场景进行烘焙，把3ds MAX中物体的光影以贴图方式带到VRP环境中，以求真实感。⑥VRP编辑。利用VRP-for-Max插件，把场景中的模型导出至VRP-Builder中。导入VRP后，可结合界面和脚本编辑器，制作出丰富绚丽的场景交互效果。⑦Exe打包。VRP-Builder中，用户可方便地将场景从3dsMax中导出，在VRP-Builder中对最终产品进行编辑和运行预览，还能将最终产品打包，编译成独立的Exe文件。⑧合成发布。虚拟场景设计完成后（VR编辑、后期处理材质、时间轴设置、按钮设计等），对软件界面合成、测试、发布，软件合成效果如图4所示。

图4 千斤顶虚拟展示

3 软件开发的意义

研究利用先进的虚拟现实技术结合现代三维CAD技术创建的机械部件虚拟装配实验室，解决了传统实验室部件体积大，拆装不便；部件数量较少，更新扩充不便，无法交互展示，不便学生课后学习的缺点，与实体实验室相互补充，可突破时间空间限制，提供开放便利的使用环境，可缓解实验设备紧张，节省资金，虚拟部件精度高、质感好、形象逼真、实时动态观察展示，激发学生兴趣，提高学习效率，具有公共平台的作用和意义，软件项目成果可在我院机械制造专业群各专业中使用，对其它专业虚拟实验室的建设提供借鉴意义。

［1］张良，徐卫国.基于VB环境的机械零部件图纸库的开发［J］.无锡职业技术学院学报，2016，（11）.

［2］徐卫国.基于SolidWorks的机械制图虚拟模型库教学应用［J］.黑龙江科技信息，2008，（31）.

［3］中视典发布虚拟现实平台软件VRP12.0［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2012，（6）.

Development of Mechanical Parts Assembly Laboratory Based on Virtual Reality

XU Wei-guo，ZHANG Liang，ZHANG Fa
（Jiangyin Vocational and Technical College，Jiangyin，Jiangsu 214405，China）

In this paper，the students of engineering machinery in vocational colleges are not aware of the sensibility of the understanding，expression and assembly of mechanical parts.The virtual laboratory can make up the shortage of laboratory equipment and improve the learning efficiency.This software development relies on Visual Studio 2010，VC++，VRP and other software and PC hardware equipment to build parts display platform，with high precision，good texture，real-time interactive relatively strong features.The software construction idea is to use the 3D modeling software SOLIDWORKS solid modeling，then the modeling data into 3Dsmax，the model to modify and optimize the baking rendering，and finally carries out virtual scene design in the VRP，which makes the actual use of the results to meet the design requirements，welcomed by students.

virtual reality；3D modeling;component assembly；VR-Platform

TP391.72

A

2095-980X（2017）04-0072-02

2017-03-09

本文系江阴职业技术学院科研项目“基于虚拟现实的机械部件装配实验室”（项目编号：15-E-JD-22），江阴职业技术学院大学生科研基金项目“零件图自主学习系统开发”的研究成果。

徐卫国（1965-），男，江苏江阴人，副教授，主要研究方向：机械、图学，CAD/CAE。