虚拟技术的汽车发动机装配平台的设计分析

闭荣富

摘  要：与计算机仿真、传感器及人工智能等诸多技术日益完善过程相伴随的是虚拟技术应用范围的拓展，特别是在一些危险系数高、体量大、投用及后期维护成本高、数次操作的领域中，虚拟技术应用期间表现出良好效能。汽车发动机装配符合虚拟技术的质感逼真、可交互性及便利等特征，基于人机交互规划、三维立体建模、程序设计及发动机装配理论等知识，建设出视觉动态渲染与逼真度很高的发动机装配模拟平台，以供同行参考。

关键词：汽车;发动机;装配平台;发动机拆装;虚拟技术;平台设计

引言

虚拟技术（VR）是20世纪末兴起的一种综合性信息技术，其以计算机、网络、三维呈现及人机交互等诸多技术为支撑，将存在或不存在于自然界的物件整合至一个虚拟化环境内，可以采用传感器与多种感知行为和虚拟环境进行交互。既往的机械制造业装配技术培训阶段，操作者直接触及设备与器材，通过数次训练后方能捕获装配经验与技术。现如今，传统装配培训形式已经难以迎合新型汽车产品的研发与生产需求，暴露出成本高、适用性差等弊端。本文设计开发的汽车发动机装配平台于Unity 3D引擎内建设一个虚拟化情景，采用三维交互技术，实现呈现发动机自由角、演示结构拆装流程及智能化测评等多项功能。

一、平台的功能设计与开发程序

现如今，活塞式发动机在现代汽车制造领域中有广泛应用，其构成以机体、曲柄连杆机构、燃油供给及润滑系统等为主。以平台布设的实训教学项目为支撑，通过对发动机重要部件进行检查、维修及拆装等操作，协助广大学生对发动机的构造、运作机理及维修等有更全面的认识。

（一）规划设计平台的功能

该平台界面上设置的GUI能为人机交互过程创造便利条件，界面能清晰的呈现出发动机的构成及不同机构系统各部件所要达成的功能，主要有：

结构呈现：能从各个角度自由呈现出发动机整体与局部构件，持有旋转、缩放、部件信息方位及安装提示等诸多功能。

智能拆装：具体是以Unity引擎内的Animation动画功能为支撑，实现呈现发动机多个机构智能化拆装与安装过程的功能。

人工拆装：这是人机交互持有的重要功能之一，碰撞检测是重要的技术手段之一，为减少或规避用户群体手动装设零件阶段，不同模型之间出现穿行越过情况，建议将碰撞检测器增设于各模型上，拟编与之相配套的脚本流程，这样通过操作鼠标就能顺利拖动目标构件，改变零部件方位，并结合前期相关提示信息将其安设至指定部位。

实训测评：即于该平台上，广大用户不仅能训练自己的手动拆装能力，也能检验自己对装配相关知识的学习、掌握情况，后台自动录入准确的安装次序，依照数据正确与否将软件持有的计分功能充分发挥出来。

部件检查维修：故障检查、维修是发动机课程教材中的重难点之一，本平台以发动机气缸盖的形体改变为实例加以分析，可以利用塞尺与钢尺检测气缸盖体的翘曲度，也可以动画为载体演示汽缸盖的拆卸、组装过程。

（二）研发程序

基于理论和实践相整合的形式研究与推进课题，理论研究阶段循序推进，勇敢的做出假定并试图论证，其目的在于提升发动机虚拟装配平台结构、功能的完善度。具体是在高端的虚拟现实技术支撑下，基于专业化建模与交互设计软件，有针对性的整改与完善平台的最后成效，实现预定目标。本平台的研发流程见图1^[1]。

（一）组织专人开展市场调研活动，采集多方材料，通过查找相关材料内容与检索专利，规划平台设计理论、拟编整体方案。

（二）基于发动机检修手冊内设定的标准要求，通过拍摄形式录入大众1.4TSI发动机的正确操作过程。

（三）为捕获精准度更高的零部件零部件数据信息，本课题研究决定使用天远扫描设备收集有关数据。

（四）参照扫描数据，以三维软件3d Max为支撑开发模型，具体包括重建部件系统模型、勾画模型贴图。拆分模型UV，借此方式去改善模型的质地，使平台呈现出的效果更为逼真。针对汽车发动机不同零部件模型予以装配、整合措施，以上是各模型于软件内畅通运转的重要基础，也能提升空间的有效利用率，针对最后完善好的模型，将其整合成模型资源库。

（五）设计交互界面上的GUI，主要涵盖呈现三维结构、演示智能化拆卸与组装、人工拆装方法训练、检测考评、零部件检查与维修等功能。

（六）探讨该平台于理实一体化内的应用情况。

二、建模

设计建设虚拟装配平台过程，侧重点是提升场景交互的合理性与强化逼真感，为达成以上目标就需有专业化三维建模软件的辅助，并认真落实高超的建模标准。本课题拟定选用3d Max软件建设发动机部件、检修器具及实训室内常用他类仪器的三维模型。

（一）建模的常规流程

装配情景内主要有二维图片与多种三维模型，结合平台功能规划及不同模型建建设的装配相关性，依照一定次序进行组装，合力建成虚拟装配平台的最后运用情景。建设发动机零部件模型主要历经如下过程：

1、纹理素材：纹理材质设计情况影响着虚拟情景内各模型的真实度，拍摄目标对象的纹理图片。Unity 3D引擎对诸多格式的纹理图片表现出较强大的支撑作用，结合其渲染性能与取得的成果及最后于虚拟请境内呈现出的运转速率，选择格式最适宜的类型。

2、采用基础、多边形、复合式、面片等多种方法建设3D物体模型。具体是先结合扫描模型勾画出零部件的大体样态，而后于修整器列表内有针对性的修正点、边、面、多边形等元素。

3、材质贴图，在业内，“材质”即物体表层的属性信息，即物体构成物质属于哪种类型，包括表层纹理，物体对光的特性，比如反光强度、形式及区段等。贴图可以理解为一种把图形信息投影至曲面上的方法。材质贴图的作用主要是将繁杂模型的表层真切、清晰的呈现出来，宗旨是降低能源耗损量与压缩关键零部件建模时间长度。

3d Max能智能传送出配置的贴图坐标，对于曲面这种结构形态繁杂的目标对象而言，其无法给出特定的贴图坐标，若想要精准调控不同形态对象的贴图形态，需在UVW展开修改器的协助下进行，其能于一个平面上自由编辑目标对象贴图的展开情况。图2是燃油泵UVW展开后的图示。

4、渲染

将材质、灯光等因素融合至一个情景后，并不能于试图内清晰的观察到以上元素呈现出的效果，需对情景实施最后的渲染操作，方能更好的呈现出灯光、材质对应的特殊效应。在情景模型建设过程中，渲染是重要一个环节，其作用以情景内储留的各类成效为主，以图像的样式呈现出来。图3为燃油泵的渲染成效^[2]。

5、模型集成化

在发动机零部件建模结束后还没有整合到装配平台情景内时，不同模型间运行模式相互独立，集成模型是应对发送机各模型整合问题的有有效方法之一，结合检修手册内设定的要求，落实发动机整个模型的组合、装配任务，科学规划各机构系统所属类别。

（二）处理模型

1、优化

这是虚拟装配平台设计、建设过程中最重要的一环，加强模型文件体量大小的把控，过于庞大将会减缓其运行速度。发动机零部件模型构造复杂，倒角、切角、圆角、通孔等曲面属性较为常见，为确保各模型于平台上顺畅运作，应有规划的优化模型。

本课题研究中，采用Optimize（优化）或MultiRes（高级优化）指令定量调控顶点数目及面数。具体是先采用Optimize指令把模型转型为可被编辑的多边形，在确认对物件模型状态、功能不形成明显影响的基础上，尽量减少模型顶点、三角面数目，整改优化选项内的面阈、边阈、位移偏量及边长最大值。MultiRes指令的作用是利用修改器设施采用降低顶点、多边形数的形式，压缩模型渲染环节的空间，其能自主选定减面所占比重，将顶点所占比例降到50%，修改后顶点、三角面数依次为16180、31780。

在改进、优化模型材质及贴图过程中，于平台上需要有序整合材质等同的模型，降低勾画调用的频次。至少需要一张贴图去支撑发动机所有零部件的模型，利用Photoshop软件把贴图拼凑成一个整体。在以上操作过程，尽量维持纹理贴图四边等同，长度值尽量为2的整数幂次，采取以上方法方能将优化操作的效能发挥至最大。针对螺栓等部件的模型，整合并保留单个后，删减冗余模型，通过复制文件以达到检索模型、节省计算机内部空间的目的。

2、导出模型

具体是于3d Max完成模型贴图操作并制作相对应帧动画以后，采用FBX格式将模型放置于文件夹Assets内，现已经证实该种格式对数个软件的兼容和转化过程起到较好的支撑作用，并且还能整体的存储动画、材质等信息。于3d Max内点击“导出”，选中事前设定的导出渠道、重命名模型名称，比如于3d Max完成某个构件机构拆卸、组装动画的制作任务，选中“Animation”后勾“Bake Animation”属性，便能顺利的对动画实施烘焙操控处理。

（三）规划设计发动机模型零件

1、机油滤清器

在建设模型之前，应结合零部件外部轮廓选择适宜的标准基体，先建设一个圆柱体，将高程分段设定为2，伴随边数增加过程，曲面顺滑度也有不断上升趋势。在勾画凸出部位时，相关人员可以选定“轮廓”指令减缩拉出平面，而后选定“挤出”指令下拉延展减缩后的多边形，直到其和扫查模型高程统一，最后通过操控“倒角”指令削弱物体平面的棱角。

2、机体

在发动机内，机体即被定义为气缸体和曲轴箱两者的連铸体，可以将其看成是构造复杂的箱形零部件，可以适度调整侧壁、前后壁的加强肋的顶点方位，单独勾画圆柱体后，将对曲轴起支撑作用的主轴承座及孔洞附加于机体上，采用布尔运算的差集（A-B）指令落实机体局部（圆柱体、主体）的建模任务。

3、气缸盖

气缸盖是汽车发动机的重要构成，也是构造极为复杂的箱形零部件，上方设有进、排气座孔，气门导管孔等，内部有水套、燃烧室等构件。气缸盖的外部轮廓类似长方体，基于布尔测算、顶点整改等方法完成建模任务。图4是汽缸盖模型^[3]。

三、汽车发动机虚拟装配平台的具体设计

（一）Unity 3D引擎

本课题选用Unity Technologies公司自主研发的专业化虚拟交互式引擎促进虚拟装配平台功能逐一实现过程，明显提升运转速度与交互成效。Unity 3D在Windows、Mac OS X及Linux等诸多平台上均表现出良好实用性，也可以将相关信息上传至Mac与Windows平台上。

本虚拟装配平台由数个有相互关联性的情景构成，不同情景之间存在密切的层级关系，能

相互跳转，各情景内还含有材质、脚本、模型目标对象、动画等诸多资源。为使情景内各项功能发挥至最大化，需严格依照相关规程拟编脚本流程，并将其添加到各目标目标对象上。

1、情景

Unity 3D引擎可以被视为将多个模型汇聚在一起的场合，为程序压阀过程中的最基本构成单位，一个平台可以是数个情景构成的集合体。

2、物体对象

我们将显现在情景内的所有实物体均称之为物体对象，例如系统自身带有的模型球体、平面、立方体等。Unity 3D基于“面向目标对象程序”加以规划设计，任何对象均和Object对象之间建设了相互承接的关系，也囊括物体对象自身，Object持有多样化属性，脚本对其行为方式起到调控作用。

3、Unity 3D脚本

Unity引擎支持的脚本语言有JavaScript、C#、Boo，其中C#语言持有庞大的net

类库，为微软公司面向对象编程研发的一类语言，是当下国内外众多程序员研发软件首选的语言类型，本平台开发设计时均拟定选用C#语言。

4、摄像机

Unity 3D内摄像机的作用以呈现视觉成效为主。摄像机能基于任一次序与方位完成渲染，通过增设脚本程序在平台界面上取得良好的交互效果。

5、组件

功能以实现各物体对象的特性为主，从本质上分析各个组件为一个类的实例，通过调整物体对象属性的形式，精确操控相关行为^[4]。

（二）Unity 3D工作视图界面

1、情景视图

作用以规划设计情景及安防物体对象模型、灯光、摄像机等因素为主，为建设虚拟装配情景的部位，在这个视图内用户群体能结合主观意愿转变目标物体对象的方位，从最基础环节保证情景视图部署的科学性。

2、游戏视图

情景内相机设施负责渲染游戏画面，为本平台对外发布以后用户群体用肉眼能观察到的内容，具体是在平台发布后按下工具栏内的“播放”按钮，于游戏视图内动态预览目标物体对象的状态，为平台的调试与研发过程创造便利条件。

3、层级视图

作用是呈现当下情景内全部物体对象之间存在的层级关系，将当下情景内各个虚拟对象囊括于其中。能提供父子化关系时该视图持有的强大功能之一，使数个目标对象方位转移与编辑过程创造便利条件，且较明显的提升处理结果的准确度。

4、项目视图

归纳总结工程运行全过程产生的各种可用资源，存储了情景塑造过程中采用的3D模型、脚本、动画、材质等资源。在这里笔者所重点提及的内容是，要减少或规避于Unity编辑器外移动或者对项目资源文件进行重命名处理的行为，若有必要再行组织规划或者迁徙某一资源，则推荐要在项目视图内操控完成，要么可能会打破资源文件与Unity工程前期建设的关联性，严重时可能对整个工程构成损伤^[5]。

5、检视视图

功能在于呈现虚拟情景内当下选中目标物体对象持有的具体信息与属性设置情况，常见的有目标对象名称、标签、旋转角度、组件、坐标方位、缩放比重等。

（三）Unity 3D的特征分析

1、专业化的物理引擎

拟化现实的物理情景是虚拟软件必备的基础功能之一，Unity 3D内设置了物理引擎系统NVIDIA，当目标物体对象在情景内运转过程中，加速度或碰撞过程中需呈现出最为真切的物理效应^[6]。重力、刚体及各碰撞器等均是常见的物理相关属性，笔者如下简单阐述碰撞、刚体、材料的特征：

（1）碰撞：为触发现象发出的最基础物理条件，碰撞现象发生的基础条件有三个：一是产生碰撞行为的两物体一定携带Collider;二是要有≥一个物体为刚体;三是两个物体一定要产生相对运动。

（2）将刚体施加于目标物体对象，这是促进情景内不同物体对象交互的重要基础条件，承载着重力及其他外力因素的影像。

（3）于情景内，为提升真实度与渲染成效，应有针对性的调整模型材质将引擎资源整合至3d Max软件内，需对材质球进行染色处理，并科学调整模型与摄像机所处方位。

2、3A级图像渲染技术

Unity 3D中添置了一百组着色器，其作用是调控可编程图形对管线构件的渲染流程，灵敏度、有效性均处于较高水平^[7]。针对引擎内全部渲染任务，均要依托于Shader落实，基于此广大用户能取得较满意的画面渲染效果，并且拓展过程较便利。

3、实时光照技术

利用CI算法将实时全局光照技術整合至引擎内，该先进技术不仅能削弱因其性能的耗损量，还能提升情景的丰富度、逼真性。

4.路径插件

Unity 3D引擎对iTween等多类型插件运作过程能起到较好的支撑作用，持有的功能也表现出多样化特征，以缩放、旋转、移动、颜色转换及音频处置等为主。数值插值为iTween的核心思想。可以iTween. path模块为基础取得发动机智能拆装的预期成效，合理规划设计发动机内部关键部件于X、Y、Z轴向的路径轨迹位点^[8]。

（四）零部件建模的前期准备工作

本课题选定的研究对象为大众1.4TSI发动机，其主要采用燃油直喷及涡轮增压技术，有结构严谨、质量轻微、能耗低级排放量分少、动力输出强等诸多优势，本研究设计建设的虚拟装配平台的拆装目标对象采用的便是该款发动机模型。

1、准备的内容

本虚拟装配平台上运行的数据始源于三维扫描仪对发动机模型精确扫查后获得的结果，利用3dMax软件再次制作模型^[9]。为确保装配平台能顺畅运转、准确的呈现出仿真虚拟效果，平台规划设计时未对其尺寸规格提出严格要求，文件的格式也设定为常规，便于在3d Max内整改模型，建模结束后要确保导出结果均是受3 d Max和Unity 3D引擎支持的.FBX格式。众所周知，汽车发动机由两大机构、五大系统共同构成，在建完很多零部件后，还需再次予以命名与分组处理。

2、命名和分组

大部分情况下，Unity 3D内中文命名文件的兼容性很差，零部件类型、数目繁多时会增加系统崩溃情况发生的风险，故而同意用英文名称进行命名，为后期设置部件模型、脚本捆绑操作创造便利性。

3、处理模型

利用建模软件整合至Unity 3D引擎内的模型在X轴向位置会出现一定偏转（-90°），这就预示着需于虚拟情景内做出适度整改。当下国内国内生产实践中发动机部件的制作材料以铝制或铸铁为主，为复原现实成效，建模选用金属材质，无形中增加了精确辨识零部件界限的难度，削弱了视觉效果，故而为保证用户能清晰观察到不同零部件的具体构成，针对模型制造材质的差异性，采用不同颜色加以区别。见图5^[10]。

（五）平台界面的具体设计

用户群体和机械设备之间的交互过程就是基于图形用户界面（GUI）实现的，故而可以认为GUI起到了枢纽作用。提升GUI的交互设计水平，是强化视觉功能与操控体验竞争优势的重要基础。GUI也能通过拟编脚本形式建设健全层级界面，顺利的完成相关情景之间跳转任务，达成预定的运作目标。

1、设计 GUI界面

在GUI界面的正确引领下，用户群体能对虚拟装配平台的正确操作规程有更全面掌握，结合实际状况选定适宜的情景，并且对角色做出科学定位，达成与之相配套的漫游功能。本课题设计的虚拟装配平台需要落实的项目类别较多，且不同层级之间建设了复杂的关系，这就对GUI的便捷性、逻辑性提出更高的要求，也要以操控过程为支撑把平台的基础信息传递给用户，这样呈现在用户眼前的界面更美观、舒适度更高^[12]。

依照虚拟装配平台事前设定的功能，对该平台GUI的层级结构做出科学规划，从宏观上主要将其细化为如下三个界面，即为初始、一级与二级界面。按下初始界面内的“Let's begin”钮能够直接跳转至一级界面，而基于一级界面内不同机构、系统，用户就会进入至相关教学项目内需要学习的模块，实质上就是二级界面。各层级均有“返回”按钮，按下该按钮能顺利的返回到上个界面。

2、界面的基本构成

为提升装配平台上有限空间的利用率，可以将背景图片增设到初级平面上，该界面上储有基本信息及所需实现的功能。创设一个Quad平面，于默认状态下该平面隶属于背向剔除模式，用户 只有从单个方向上方能观察到，适度调整视角后方能观察到整个平面，移去Mesh Collider组件，将图片之间触发与碰撞情况发生率降至最低。在对图片加载前处理前认真检查纹理图像规格尺寸，并预防在牵拉作用下图片失真的问题，严格依照宽高比拓展平面，最后将纹理的Shader模式设计成Unlit/Texture。设置流程见图6^[13]。

（1）初始界面：右下角位置呈现出“1.4TSI发动机虚拟装配平台”字样，附加单张发动机透视图，操控人员按下“Let's begin”按钮便能顺利进入至下级界面，即为一级界面。

（2）一级界面：观察该界面，最先映入眼帘的是装配平台的全部教学项目，基于传统发动机规划其所属类别，即两机构、五系统。于该层级界面中内，“整体”实质上就是教学项目内的发动机总成，在该项目的支撑下用户能捕获到与发动机所有拆卸、组装知识与运作原理，点击菜单内任一选项均能顺利步入至相应部分，即二级界面^[13]。

（3）二级界面：可以将該层级界面理解为虚拟装配平台实现自身功能时所需做出的设计行为，界面规划了预览窗口，其能笼统的介绍相关专业学生应学习掌握的教学项目、预览图等有关信息，同时还呈现出结构呈现、智能拆装、手动拆装、实训测评与零部件检修五大功能选项。

①结构呈现：本文这里以汽车发动机机油泵为实例，分析器及结构组成，相关人员可以通过自主调整观测角及旋转、缩小与放大等，掌握部件具体名称、功能提示等。

②智能拆装：等同于观察机油泵组件拆卸、安设过程，还能较真切的演示机油泵运作过程中内、外转子的相对运功动画。

③手动拆装：这是实现人机交互的主要环节，等同于用户对发动机零部件实施拖、拽处理，依照检修手册设定的规程对机油泵组件进行规范正确拆装，人工拆装过程中带有零件提示功能。

④实训考评：于该情景内主要完成计分、计时操作，具体考评实践中，若发现发动机零部件安装方位或次序存在错差，则直接记作为0分，此时也不会做出零件提示等有关信息，后台咨询过存储数据，最后将其纳入至总分^[14]。

⑤零部件的检查与维修：步入至该画面后，本文以机油泵为实例进行具体化研究，有一项检修项目是采用塞尺检查转子和机油泵体两者存在的缝隙，检测结果判断磨损度是否处于限定范围中。动画效果呈现出正确检查、维修流程。

（六）界面功能的实现

在规划设计虚拟装配平台全过程中，均要秉持简洁原则，仅留置传送信息过程所需的级必要的操作按钮。

利用平面排布法部署 一级界面，具体是把装配平台上所有教学项目与器械整体设作为界面设计阶段选定的主要内容。点击任何机构或系统便能顺利的进入至相应流程，按下“返回”按钮即返回到主界面。在以上过程中我们选定“整体”教学项目。

步入至“整体”项目后，便是二级界面，能够观察到发动机模型的全貌，可结合主观需求按下结构呈现、智能拆装、手动拆装、实训考评、零部件检修按钮，实现有关功能，按下“返回”按钮就能快速返回至上层级界面，“退出系统”即由平台系统退出^[15]。步入至二级界面后，本文以“智能拆装”为实例加以分析，利用Animation动画制作结束后，能播出发动机的标准化拆卸与装设流程。

（七）平台结构展示功能

1、三维立体展示视角

三维立体展示视角明确鼠标能动态化操作摄像机转动过程，进而达到360°自由全方位旋角的功能，滚轮有缩放模型大小的功能，于程序脚本内需详细录入各帧的数据，各帧均有调用鼠标的缩放与旋转变量、摄像机方位的功能。依照以上程序调用计算机内部资源，当测得调用各帧的频率>30帧/s时，于视图就能观察到360毒平滑呈现视角的效果。

2、零部件信息显示

当鼠标经由某个零部件时，便能够清晰的呈现出该零件持有的有关信息。调取鼠标悬停事件，等同于触发OnMouseOver（）方法。鼠标停放于某一零件时，屏幕底层便能清晰的呈现出该零件的具体命名，本文以冷却液泵为实例拟编代码，将Mesh Collider碰撞器增设于冷却液泵模型内，鼠标悬停于该处时，游戏视图上就会呈现出肉眼清晰可见的“冷却液泵”字样;鼠标脱离此物时，零件名称随即消失。也可以把冷却液泵所属系统、拆装器具等信息增设于脚本CoolantPump内。

结束语：

本文介绍了引擎Unity 3D 的功能特征，对发动机模型做出优化处置、命名与分组等前期准备工作;在设计GUI界面时，结合发动机相关专业教学项目制作与跳转不同层级界面，最后达成虚拟装配平台的主要功能，即结构呈现、智能拆装、人工手工拆装、考评系统与故障检查与检修。在故障检修环节中，以检查、测量气缸体翘曲度指标为实例加以分析，构建出完整化的虚拟装配系统，希望能为相关专业课程教学活动开展创造辅助平台。

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