基于Unity3D的一级减速器虚拟实验室构建研究

郭雪建，徐国栋

（西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

0 引言

“工程制图”作为理工科学生，尤其是机械专业学生的一门重要课程，而机械零部件的测绘也是一种所必需的专业技能。在传统的教学模式中，任课老师一般会以物理模型和幻灯片等形式进行授课，这样做的缺点是：很难形象地表达出模型的三维形式与二维形式的转换过程。而在课后，由于没有模型，学生的学习情况更加困难。一级减速器一般适用于低转速、大扭矩的传动设备。例如：电动机、内燃机或其他高速运转的设备，都可以通过与减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合，再用输出轴上的大齿轮输出动力，来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果。减速器的大小齿轮的齿数之比，就是传动比。减速器的绘制是制图课程中非常重要一环，学生在这个课程中经常遇到各种问题，本虚拟实验室致力于减少其中的部分问题。

1 虚拟实验室特点

虚拟实验室主要有以下特点：

（1）沉浸性。又称为“临场感”，是指通过相应的输出设备，给使用者营造出一种具有很高的真实度的场景，让用户感觉好像置身于屏幕所显示的情节中。

（2）多感知性。即能够使使用者在虚拟的环境中感知到多形式、多方位的信息。

（3）实时交互性。指用户在虚拟环境中，通过各种输入设备和输出设备，与虚拟物体进行的相互作用的行为，以最自然的方式进行人机交互。

（4）自主性。是指设计者通过脚本控制虚拟系统中的各个物体，使得虚拟系统中的物体在独立活动、相互作用以及用户交互过程中的运动规律满足自然规律或者是遵从于设计者的设定活动。

（5）想象性。在虚拟系统环境中，用户可以通过系统反馈获得的各种信息结合自身特点发出的行为序列。

2 虚拟实验室的建立

2.1 模型的建立

SolidWorks 是现在主流的一个三维机械设计软件，它功能强大、易学易用，且在大学的教育课程中也有教授使用，基于这些特点，我选择使用SolidWorks 来建立物体模型。

由于文件格式不互通的问题，SolidWorks 所保存的文件不能直接导入到Unity3D 中，需要转换格式。首先在SolidWorks 绘制完成后，保存为STEP 格式，继而导入到3DsMax 中，导出FBX 格式，这样即可在Unity3D 中成功导入绘制完成的模型。

2.2 操作系统的构建

在Unity3D 中，想要实现的各种功能，主要由绑定在各个物体上的组件来完成。但是组件的功能有限，不能满足设计者的所有要求。因此，就需要设计者通过C#编程语言，来撰写脚本代码，再将脚本绑定在相应的物体上，并通过Unity3D 的Inspector 的面板设置各个参数，即可满足设计者的设计要求。本虚拟实验室共使用了以下5 个脚本。

2.2.1 旋转缩放

完成“通过鼠标左键拖动控制物体旋转，通过滚动鼠标滚轮控制物体缩放”功能的脚本Camera Control.cs。

此脚本中，Target 表示旋转以及缩放中心的目标物体；该脚本通过控制主相机与目标物体的距离来完成物体的缩放工作，Distance 表示相机与目标物体的初始距离；Distance Max（Min）分别表示鼠标中间滑动控制的相机与物体的最大（小）距离；X（Y）Speed 分别表示鼠标滑动时物体的X（Y）轴的旋转速度；Y Max（Min） Limit 分别表示物体在Y 轴方向的旋转的上（下）限；Mouse Scroll Wheel Sensitivity 表示鼠标滚轮的灵敏度。其脚本框架为：

以及方法public float Clamp Angle(float angle,float min,float max)，用以把旋转的角度限定到给定的范围之内。

2.2.2 自由拖动

完成“通过鼠标右键点击并拖动物体”功能的Remove.cs 脚本，其中主要属性为：chai 即为所需要拖动的主物体（父物体）。但是，在虚拟拆卸时，由于虚拟零件不具备实体，不能产生如同现实世界中一样的物理反馈，一次在零件之间常常会出现穿透重叠现象。

脚本框架为：

2.2.3 运行原理

完成“使各个零部件移动到指定位置和运动规律，并显示主要零件的二维图”功能的Run Principle.cs 脚本。

此脚本中的属性为控制各个零部件的运动，例如每个零部件需要运动到的位置、速度，以及控制齿轮的旋转速度和旋转中心，脚本框架为：

2.2.4 零部件图

完成“点击主要零部件，展示对应的二维图”功能的Pictures.cs 脚本。其脚本框架为：

2.2.5 控制脚本

完成主要控制功能的Control.cs 脚本，与Unity3D 的Scene 场景中Canvas 内的各个按钮搭配使用，从而达到控制各个脚本实现/禁用的目的。脚本结构为：

2.3 虚拟实验室成果展示

进入虚拟实验室中，初始界面如图1所示，界面中心为主物体“一级减速器”，右侧有“自由拖拽”“运行原理”“零部件图”三个按钮，点击之后可以进入对应界面，并激活相应功能脚本。在本虚拟实验室中的任意界面中，均可实现“通过鼠标左键拖动控制物体旋转，通过滚动鼠标滚轮控制物体缩放”功能。

图1 初始界面

点击“自由拖拽”按钮后，会激活Remove.cs 脚本，可以通过鼠标右键随意拖动一级减速器的各个零部件。在界面右下角会出现“返回”按钮，点击之后会返回到初始界面。如图2所示。

图2 自由拖拽界面

点击“运行原理”按钮后，会激活Run Principle.cs 脚本，此场景中各个零部件会按照给定速度移动到指定位置，以展示内部中齿轮的旋转，还可以在此界面中通过点击主要零件获取其二维图纸，如图3所示。

图3 运行原理界面

点击“零部件图”按钮后，会激活Part Hide.cs 脚本，在此界面中，点击任一零件，将隐藏其他零件以便于观察该零件。如图4所示。

图4 零部件图界面

3 结论

对于教育资源不够充分的学校来说，实验室教学的不足一直是影响学生教育的一大因素。随着计算机技术、虚拟现实技术的发展，虚拟实验室对于学生的教育越来越能起到重要的影响。本文设计的虚拟实验室，使用Unity3D 平台，可以生成电脑单机版的.exe 可执行文件。解决了实验室教学设备昂贵稀少导致的学生无法训练的难题。