基于虚拟现实技术的减速器拆装实训平台开发

王师伟, 刘雪霞, 李杰, 陈昱霖

（大连交通大学a.机械工程学院；b.创新创业教育学院，辽宁 大连116000）

0 引 言

工程训练是大学里面具有实践意义的一门技术基础课，能让大学生了解和掌握工程基础知识及实际制造经验，是在本科阶段的一门必修课，能够培养大学生的创新意识、动手操作能力和工程实践意识[1]。传统的工程训练主要存在设备资源和场地有限、教学模式单一、师资水平不高及实训环节安全隐患较大等问题，导致学生在实训过程中存在时间浪费、缺少主动性、受益较浅等不良现象。

随着计算机和网络技术的蓬勃发展，虚拟计算机技术成为时代主流，通过利用三维建模软件制作模型后，再利用虚拟现实软件进行交互功能设计，该技术为教育行业带来了全新的教育理念和教育方法。目前虚拟现实技术在现代的实践教学环节得到广泛应用，国内许多高校根据自身需要开发了个性化虚拟实训系统、平台或APP应用，如冯桂珍等[2-3]采用Unity3D和Cult3D分别构建了RV减速器虚拟仿真实践教学系统和土木工程实验平台；黄海龙等[4]率先在工程训练中引入数字化教学资源，建设车床关键部件拆装虚拟仿真实训平台；何福本[5]将虚拟仿真技术应用于工程训练教学，开发了适用于主流移动终端操作系统的增强现实（AR）技术的应用APP，用于普通车床加工工艺实训环节。

本文将虚拟现实技术应用于工程训练教学，针对机械拆装实训环节，以减速器拆装项目为例，基于Cult3D技术，并结合使用SolidWorks、3DMAX8.0等软件构建了一个具有动态和交互功能的减速器拆装虚拟实训平台，学生可以登录工程训练中心网站自主进行减速器拆装项目的虚拟实训，取得了良好的教学效果。

1 Cult3D软件介绍

Cult3D软件是由Cycore公司开发的一种新型3D交互设计和动画仿真软件，利用它可以在网页基础上建立可交互的3D对象，是一种跨平台的3D开发引擎，能够在网页上操控3D实体对象，并以视觉的方式显示不同的事件和功能。在控制事件模块中，可以设置多种运动，例如移动、缩放、旋转等一系列的动作，也可通过事件窗口设置鼠标和键盘命令设计更加丰富的动作。

Cult3D软件的最大优点就是它所开发的程序文件非常小，并且先进的压缩技术支持贴图、多重阴影效果和双线性滤镜，可以呈现给用户更加清晰、高质量的3D仿真实体模型，另外该软件还支持使用JAVA语言编程优化，增强交互性，以达到更加完美的效果[6]。

2 减速器拆装虚拟实训平台

2.1 虚拟实训平台功能

减速器的基本组成部件有齿轮、箱体、轴、轴承、紧固件、润滑装置等。工程训练课程中减速器拆装实训的目的主要有：

图1 Cult3D开发流程

1)了解减速器的组成、功能及其工作原理。

2)掌握减速器中齿轮及轴承的润滑方式、轴上零件的安装固定方式。

3)掌握减速器的拆卸和装配的过程。虚拟实训平台的设计是基于模拟真实的现场实训过程，将成果上传到学校的互联网网站，学生们可以随时通过互联网来访问该网站，可以随时随地进行虚拟拆装的模拟实验。

2.2 开发流程

基于Cult3D技术的虚拟实训平台的开发主要分为两个阶段：第一个阶段是素材准备，利用SolidWorks、3DMAX和PhotoShop等软件制作三维模型、二维图片等素材；第二阶段是利用Cult3D 工具进行交互功能设计，基本开发流程如图1所示。

2.3 建模工作

由于Cult3D没有自主建立三维模型的功能，所以我们可以通过市面上主流的三维软件进行建模，比如Pro/E、SolidWorks、UG 等，再通过格式的转换，导入到三维动画软件中。目前，3DAMX和MAYA等三维模型建模软件可以支持Cult3D，通过安装Cult3D Export Plugin输出插件后，就能够将三维动画软件中的模型导出c3d格式文件。

本项目使用的是SolidWorks2018作为三维建模工具，完成所需要的三维零部件制作，然后将三维模型导入3DMAX8.0中进行灯光、材质、外观颜色等渲染工作，提高视觉可视效果，使模型更加逼真。同时也是将3DMAX8.0作为模型格式转化中间工具，需要注意SolidWorks软件与3DMAX8.0软件之间是通过wrl格式进行传递。

详细的传递的过程是：第一步，在SolidWorks中建立好三维实体模型之后，输出为3DMAX8.0支持的wrl格式文 件 ； 第 二 步 ，3DMAX8.0导入wrl格式文件进行进一步的编辑之后，输出为Cult3D Designer所支持的c3d格式文件，完成建模工作，一级减速器的模型如图2所示。

2.4 动态和交互功能设计

Cult3D Designer是Cult3D的设计交互制作软件，它可以对3DAMX导出的c3d格式文件进行编辑，可以在事件窗口加上很多的交互性动作，例如声音、粒子效果、移动、旋转等，而且该软件的界面简洁、易懂，便于制作一般的交互效果，还可以使用Java语言编写脚本进行高级交互设计。

图2 一级减速器

Cult3D Designer的主工作区由6个不同的子窗口组成：事件规划图、场景图表、预览、动作、事件、对象属性。其操作完全采用拖放方式，从场景图表窗口中拖出要进行设置的对象实体，将实体拖到事件规划窗中，然后在动作窗口选择需要的动作，也拖入到事件规划窗中并且将其叠加在触发该事件的命令上，即可完成交互功能设计[6-7]。

减速器拆装虚拟实训平台开发的主要交互功能设计有：

1）视角的微调。为了微调三维的位置，可以建立用键盘的上下左右来控制三维模型的视角，在动作中选择旋转，将旋转的动作设为上下方向键，如图3所示。

2）拆装动作的 实 现。 在Cult3D Designer的动作窗口中选择需要的动作模式，并进行相应的设置，将键盘上对应的字母做成控制零件的一个动作，鼠标的左、中、右键也可以设置动作，但是在操控的时候鼠标必须点击对应的零部件才能激发其动作，如图4所示。在将减速器的每一个零件的动作制作完成之后，我们可以在演示窗口中进行预演，来找出这些动作的设置是否有问题。另外，我们也可以在交互动作中选择添加隐藏某个零件这个功能，在动作模块的渲染菜单栏中，选择隐藏，选择对应的零件和激活键，然后必须设定一个对应的显现动作，因为模型的复位不能显示隐藏零件。

图3 视角微调控制

图4 减速器拆装动作事件规划图

3）模型的复位。在进行拆装动作之后，需要将一级减速器进行复位。在动作窗口的对象运动中，选择复位动作，并将减速器的Vsep01拖入到复位的标识图片上，然后设置按下键盘的R键为复位键，将复位动作拖入到小R键上完成复位指令，如图5所示。

4）模型的放大与缩小。为了清晰地看到三维模型的详细结构，设置了模型放大和缩小的指令。具体实现方法：在动作窗口中，选择放大、缩小动作将一级减速器的Vsep01拖入此动作并设置其激活键，如图6所示。

图5 复位动作设置

图6 缩放动作设置

5）背景颜色的设定。在动作模块的渲染中，可以看到设置背景动作，在WorldStart命令中加入设置背景，调成需要的颜色，如图7所示。

2.5 平台发布

在Cult3D Designer中完成了交互设计之后，通过运行、测试后，导出co格式文件，该格式的文件占用空间极小，非常适合于网络传输，还能保持良好的材料质感表现。在Cult3D软件的菜单栏中，选择发布Internet文件，即可导出网页文件。

3 结 论

将虚拟现实技术应用到工程训练教学，采用Cult3D技术，开发了基于网页的减速器拆装虚拟实训平台。利用该平台，学生可以自主随时随地完成减速器拆装训练，不仅充分调动了学生的积极主动性，还可以提升学生们的学习效果，还有效缓解了高校工程训练中心实训设备紧缺、时间和场地有限等问题，为工程实践教学提供了新型且有效的教学手段，值得进一步研究和应用。

图7 背景颜色设置