基于Unity3D的减速器虚拟仿真实验平台开发

陈爱群 张敏

摘要：分析了高校机械类实验课程教学中普遍存在的难题，结合Unity3D虚拟引擎开发了减速器虚拟仿真实验平台，该平台分6个模块：新手上路，实验守则，软件简介，软件说明，结构认知，实验教学，其中实验教学分2个子模块：减速器结构与工作原理，减速器拆装，两个子模块都配有练习考试环节。该文详细介绍了减速器虚拟仿真实验平台减速器结构与工作原理，减速器拆装的教、练、考环节的操作方法及该平台的开发流程。

关键词：减速器;unity3d;虚拟仿真;实验教学

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0049-03

机械原理与设计课程实验是高校机械原理与设计课程中必不可少的实践教学环节，通过实验能够使学生认识并了解机械零件内外部结构及组成，并近距离观察机器运转过程，同时掌握机器操作和拆装的方法，达到理论联系实际的目的，使学生实践能力得到锻炼。然而，机械原理与设计课程中涉及的仪器设备有的笨重庞大，有的精密仪器贵重易坏，存在管理繁杂和购置等各方面的困难，在设备数量有限的情况下，不可能使每位学生都能近距离观察和操作，随着计算机技术的飞速发展，虚拟仿真实验教学资源开发的软件及设备不断更新，机械仿真实验平台已经走进高校实验室，本文提出的减速器虚拟仿真实验，利用Unity3D技术将减速器拆装及操作过程进行了虚拟呈现，使学生不但在实验室，还可以在手机上随时随地可以进行仿真实验。

1 减速器虚拟仿真实验项目概况

减速器虚拟仿真实验平台功能设计，如图1所示。

2 平台典型模块设计

减速器虚拟仿真实验平台主要分6个模块进行设计：新手上路，实验守则，软件简介，软件说明，结构认知，实验教学，其中实验教学分2个子模块：减速器结构与工作原理，减速器拆装，两个子模块都配有练习考试环节。平台主菜单包含了8个引导功能：任务，考试切换，观察模式，最佳视角，帮助，系统配置，关于我们，退出，在任务下拉菜单中有6个选项：新手上路，实验守则，软件简介，软件说明，結构认知，试验教学，如图2所示。

2.1 新手上路

单击主菜单栏“任务”，在下拉菜单选择“新手上路”。使用第一人称视角漫游功能，按W键前移，按S键后退，按A键左移，按D键右移，按Q键旋转。向前滚动鼠标中轴场景缩小，向后滚动鼠标中轴场景放大，同时按住鼠标中轴和右键平移场景。

2.2 软件简介

单击“任务”下拉菜单的第3个选项“软件简介”，主要介绍了减速器结构分析与拆装仿真软件的功能。

2.3 软件说明

单击“任务”下拉菜单的第4个选项“软件说明“，介绍了减速器结构与工作原理仿真实验软件是基于Unity5.5.2开发的仿真系统，具有教、练、考的功能，设置了新手上路、结构认知、试验教学演示的功能，学习者可通过仿真实验了解减速器的基本结构及工作原理。

2.4 减速器结构认知

选择“任务”下拉菜单的“结构认知”，将鼠标移到仿真实验平台的减速器上蓝色大齿轮，会出现一根引导线及说明文字“大齿轮”，再分别移到减速器其他零部件，用户可清楚地了解端盖、轴承、锥齿轮、锥齿轮轴、小齿轮、机体、轴等主要部件及所在位置，如图3所示。

2.5 实验教学

实验教学分为两个部分：减速器工作原理和结构分析，也是该虚拟仿真平台的主要内容。

2.5.1 减速器工作原理

单击主菜单“任务”→“实验教学”→“减速器工作原理”，进入工作原理动态演示界面，第1步减速器端大小齿轮的端盖螺丝闪烁，提示用户点击螺丝，螺丝全部拧开，系统语音提示“拧开螺丝”，螺丝移出并停留三秒消失，第2步机盖闪烁向上移动停留三秒后消失，第3步输入轴驱动，为了观察方便，在屏幕右上角会出现圆形区域，将输入轴驱动过程放大显示，第4步锥齿轮转动，特写区域演示锥齿轮转动细节，第5步小齿轮转动，第6步大齿轮转动，提示红色的顺时针旋转箭头，第7步输出轴转动，每一步连动演示都会出现相应零部件闪烁点击动画区域→动画演示→字幕显示→语音提示，步骤清晰，并且细节展示完整，仿真度较高，全程要求用户参与人机交互，使用鼠标点击相应部件产生动画，如图4所示。

2.5.2结构分析

单击主菜单“任务”→“实验教学”→“结构分析”，系统按顺序逐个显示输入轴à齿轮→输出轴→底座四个主要部件，并且对相应部件边缘轮廓以黄色高亮闪烁进行重点强化显示。

2.5.3减速器拆卸

单击主菜单“任务”→“实验教学”→“减速器拆卸”，系统按减速器拆卸的步骤提示用户进行交互，拧开螺丝→拆卸端盖拆→卸前盖→拆卸轴承→搬开机盖→拆卸输入轴→拆卸锥齿轮→拆卸小齿轮→拆卸输出轴→拆卸大齿轮，每步操作过程相应零部件闪烁→用户点击动画区域→拆卸动画演示→字幕显示→语音提示，界面友好，可操作性强，如图5所示。

2.6 练习环节

练习环节是用户在没有高亮提示及语音讲解情况下，凭记忆进行减速器工作原理、拆卸过程操作，从而达到强化训练的目的。单击“同步练习”选项，会弹出解密权限的登录窗口，输入用户名和密码，操作中如出现操作错误，系统会提示“此操作错误”窗口。

2.6.1 工作原理同步练习

进入“工作原理”同步练习环节，按以下顺序完成7个练习点：单击螺栓（拧出） à鼠标左键上移机盖à单击输入轴à单击锥齿轮à单击小齿轮à单击大齿轮à单击输出轴，如图6所示。

2.6.2 减速器拆卸练习环节

进入减速器拆卸同步练习环节，按以下顺序完成10个练习点：单击扳手拧开螺丝→单击端盖拆卸端盖→单击前盖拆卸前盖→单击轴承拆卸轴承→单击机盖搬开机盖→单击输入轴拆卸输入轴→单击锥齿轮拆卸锥齿轮→单击小齿轮拆卸小齿轮→单击输出轴拆卸输出轴→单击大齿轮拆卸大齿轮。

2.7 考试环节

考试环节也分为工作原理和减速器拆卸两个部分，单击“考试”按钮，弹出输入考试信息窗口，输入姓名和学号，进入考试环节。

2.7.1 工作原理

工作原理考试环节按7个考点进行考核：单击螺栓拧开螺栓à单击机盖抬起机盖à单击输入轴输入轴转动à单击锥齿轮锥齿轮转动à单击小齿轮小齿轮转动à单击大齿轮大齿轮转动à单击输出轴输出轴转动，操作过程中屏幕右下角会出现当前操作时长，向右奔跑的卡通人，当这一步操作迅速而且正确，卡通人会吃掉一个水果，有3种水果，草莓计1分，苹果计2分，西瓜计3分，训练用户操作速度操作完成后系统弹出交卷窗口，点击“确定”按钮交卷，即弹出排行榜，显示当前考试成绩及排名及获得的水果数，如图7所示。

2.7.2 减速器拆卸

减速器拆卸考试环节按10个考点进行考核：输入考试信息à单击扳手拧开螺丝à单击端盖拆卸端盖→单击前盖拆卸前盖→单击轴承拆卸轴承→单击机盖搬开机盖→单击输入轴拆卸输入轴→单击锥齿轮拆卸锥齿轮→单击小齿轮拆卸小齿轮→单击输出轴拆卸输出轴→单击大齿轮拆卸大齿轮→交卷→成绩排名。

3 减速器虚拟仿真实验平台的实现

减速器虚拟仿真实验平台运用了Unity3D技术进行开发，开发步骤为：

1）在Pro/E软件中参照减速器实物进行三维建模，并将文件另存为dwg格式;

2）3dsmax可识别Pro/E生成的dwg文件，将减速器三维建模导入3dsmax软件中，删除不需要的线条和图层，不需要设置材质和贴图，也不需要制作动画，再将文件导出为FBX格式;

3）将减速器三维建模的FBX格式文件导入Unity3D中，用英文标注减速器各零部件的名称，以便在编程和参数设置过程中便于Unity3D识别;

4）使用C#编程语言编写Unity3D的交互代码，如旋转、消失、高亮显示、弹窗等，在Unity3D相应的参数面板进行参数设置即可完成各种仿真实验的交互。

4 结束语

当今是“互联网+”的时代，云物大智移各项技术都在为各行各业服务，采用虚拟仿真技术开发教学资源已逐渐成为大中小学课程资源的必要条件，特别对于高校工科类课程，本文设计的减速器虚拟仿真实验平台，运用了Unity3D技术进行开发，可以生成電脑单机版exe可执行文件，也可导出apk在手机客户端直接运行，既解决了实验室教学设备昂贵稀少，学生无法训练的难题，也丰富了教师课堂教学实验内容，操作简单仿真度高，增加了学生的学习兴趣，也强化了学生对知识点的掌握，该平台可为其他同类型虚拟仿真实验项目的开发提供借鉴。

参考文献：

[1] 刘赣华，包世阳，黄云生.机械手减速器行星架组仿真与试验研究[J].机械设计与研究，2020，36（3）：72-76.

[2] 张俊，孙树礼.基于虚拟技术的减速器仿真系统的研究与开发[J].西安文理学院学报（自然科学版），2019，22（6）：36-40.

[3] 张俊，孙树礼，吴央芳.基于Unity3D的RV减速器虚拟仿真系统研发[J].组合机床与自动化加工技术，2019（9）：120-123.

【通联编辑：王力】