基于虚拟现实的3D铸造仿真实训系统

季 娟，陈清奎，王 利，胡彦超

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

0 引言

铸造是国民经济中不可代替的产业，让学习者进入车间学习是必不可少的过程，目前高校的学习仍是课堂理论知识与铸造车间实习相结合的方式以加强学习者对铸造的理解，实际的铸造车间对初学者是陌生庞大，易导致意外事故的发生。在铸造课程中，铸造方式繁多，知识点较为琐碎，学习者难以理解消化，而铸造仿真实训系统将知识点分条细化，有逻辑性地呈现在学习者面前；铸造车间环境复杂，铸造过程危险系数较大，在系统中模拟铸造过程可降低实际的危险系数。

3D铸造仿真实训系统借助虚拟现实平台展示铸造车间，让学习者置身于沉浸、交互和想象于一体的虚拟车间中。系统为学习者提供视觉、听觉等模拟感受的人机交互，既防止学习者在实习过程中发生意外又可以加强其对铸造知识的理解。

1 铸造车间的开发

1.1 开发目的

教学系统依据铸造的理论知识，还原了铸造车间、加工设备以及造型工具。学习者通过鼠标与键盘对系统进行控制，可实现实训室内漫游行走、了解铸造的整体过程、对铸件进行加工改造，真实还原铸造流程。为帮助学习者循序渐进地接纳新知识，铸造仿真系统分为基本知识、基本操作、知识拓展、仿真实训及实训自测题五大模块，知识层面逐级递进，实现铸造知识的自主获取与学习。

1.2 功能介绍

（1）基础知识模块。系统通过文字、视频与动画的形式，对铸造的基本概念、技术要求、工艺过程、常用设备工具以及造型工具进行了详细讲解。学习者将鼠标放置在想要了解的造型工具上，工具会出现高亮效果，点击可进入知识讲解。图文结合的介绍能加强学习者的理解。

（2）基本操作模块。系统给出了5种造型的详细讲解，通过动画真实地还原了铸造的操作步骤。铸造车间内的漫游方式由键盘进行控制，可实现在场景内的前后左右及升降动作[1]。

（3）知识拓展模块。系统展示了特种铸造方法与铸件质量检验，4种铸造方法均以动画视频的方式展现，铸造质量检验中利用3D建模技术展示了3种检测器与6种缺陷铸件，简洁明了，给学习者带来直观的视觉体验。

（4）仿真实训模块。系统展示了铸造需要的基本工具，学习者根据系统提示选择当前步骤所需工具，并用鼠标拖拽的方式放置到正确的位置。此模块带有一定的娱乐性与趣味性，能激发学习者的学习兴趣。

（5）实训自测题模块。系统收集了铸造的易错知识，以判断题的形式对学习者进行检测，目的是对铸造知识点进行查缺补漏。

以上每个模块均可满足学习者针对铸造知识的不同需求。

1.3 结构分析

铸造仿真实训系统的设计目的是以铸造实训的基本知识为基础，结合三维建模平台及虚拟现实技术，以“VR+教育”模式打造一套完整的铸造仿真教学系统。系统包含基本知识、基本操作、知识拓展、仿真实训及实训自测题五大模块[2]，如图1所示，基本知识包括铸造概念、砂型铸造工艺过程、浇注系统与冒口、常用设备工具；知识拓展主要展示特种铸造方法与铸件质量检验；基本操作是以分步骤的形式分别展示整模造型、分模造型、挖沙造型、活块造型及三箱造型，而仿真实训以人机交互的形式进行铸造仿真实训操作。

图1 铸造仿真实训系统组成

1.4 开发流程

铸造仿真实训系统依据真实比例还原模型，Solidworks与3Ds Max三维建模平台完成铸造实训车间及机床建模，构建模型的数据库。其中模型的优化与坐标轴调整应用3Ds Max，可在保持模型精度的条件下对模型无法直接展示的部分进行画面删减，减小存储体积[3]。

借助Photoshop软件完成贴图制作及界面设计，在Flash插件与3Ds Max中实现视频渲染与动画制作，并将绘制完成的模型及动画导入Unity 3D中，选择程序编写工具Visual Studio，选择C#语言实现交互功能[4]，经过调试、测试，最终打包发布。系统开发流程如图2所示。

图2 系统开发流程

2 关键技术

2.1 界面设计

为方便学习者对铸造仿真实训系统的使用与了解，系统界面通过UI设计，利用Photoshop软件对界面进行整体美工与优化。由于知识点繁多，系统设置了一级、二级与三级菜单，鼠标点击相对应按钮即可跳转到相应模块。菜单以列表的形式进行有逻辑性的展示，交互界面友好，使整个系统清晰明了，学习者操作体验感良好。

2.2 模型建立及优化

在铸造仿真实训系统模型设计中，借助Solidworks软件绘制车间的总体模型，根据在铸造车间的考察，调整机床、机器、模具及各种工具的摆放位置。由于Solidworks建立的模型为实体模型，导入Unity 3D中需要处理的数据量较大，因此，将三维模型以STL格式输出，并导入3Ds Max中，实体模型自动转换为三角面模型，降低Unity平台的数据处理量，完成模型优化[5-7]。

为了让学习者在铸造车间中有身临其境的感觉，对优化后的模型附着贴图，图库如图3所示。绘制完成的铸造仿真车间以FBX格式导出，铸造仿真车间如图4所示。将导出的模型导入Unity 3D中，并在虚拟现实平台中附着材质。

图3 贴图图库

图4 铸造仿真车间

2.3 交互技术

Unity 3D平台选择C#语言进行程序的开发与发布。铸造仿真实训系统的交互功能由程序脚本与按钮、交互部件相互关联实现[8]。为了避免穿墙现象在漫游时发生，破坏学习者在铸造车间的沉浸感，系统内也采用了碰撞检测技术[1]。

3 系统测试

对系统进行测试是为了检测系统是否具有合理性与可操作性，若三级菜单所在界面不存在失误与紊乱，则说明系统开发成功且运作正常，该仿真实训系统基于PC端进行教学[1]，图5所示为测试的界面。

图5 测试界面

（1）进入一级菜单选择界面，鼠标点击任意模块进入。

（2）鼠标随意放置在铸造常用工具上会出现高亮效果，点击工具会出现其模型与介绍。

（3）“基本操作”模块中选择“整模造型”，系统自动演示铸造过程，且每一个步骤配合文字详解，此模块通过键盘控制可实现场景内的漫游。

（4）选择“铸件缺陷分析”三级菜单，系统给出相应带有缺陷模型并在右上角给出缺陷原因。

（5）“仿真实训”模块中，界面下方给出了铸造的常用工具，学习者可以按照铸造顺序选择工具进行操作。

经过实际测试，铸造仿真实训系统可以满足学习者对铸造知识的需求，且与虚拟现实相结合是该系统最突出的特点，能通过直观感受加强学习者的理解。

4 结束语

铸造仿真系统参考实体铸造车间，结合铸造课程培训大纲，借助三维建模软件，虚拟现实平台开发的铸造仿真实训系统涵盖了铸造概念、工艺过程、常用工具、各种铸造方法、仿真实训及实训自测等。这种“VR+教育”的教学模式改变了传统教学方式，不仅提高了教师的教学效率，同时也实现了学习者不受时间和地点限制的自主与反复学习，为当代学习者提供了实质性的平台资源与学习保障[9]。