基于Unity 3D的钳工教学虚拟仿真实验系统

颜宗欢　张士杰　黎鑫

关键词：仿真系统；虚拟技术；金工实习；钳工教学

中图法分类号：TP391 文献标识码：A

1引言

“钳工实训”是机械类各专业必修的一门基础性实践课程，旨在提升学生动手操作、创新、解决问题等能力。学生不仅需要了解钳工（包括锯削、锉削、划线等）的基本原理，同时需要对其规范操作进行实践和掌握。但由于钳工设备价格较高且某些操作的危险性很高，导致教学往往侧重于掌握基本的原理，这严重影响了教学效果，也降低了学生的参与度和体验感，没能实现培养其实践能力的目标。

针对以上问题，很多高校已经开始了相关研究与应用。随着交互性应用的发展，虚拟仿真技术有了突破性的进步，在各行各业都有成功的应用，并取得了相应的经济效益。

虚拟仿真系统主要包含硬件和软件2个部分，其中软件作为控制，硬件作为仿真对象。其优势在于以钳工教学作为理论基础，以虚拟现实的仿真系统作为技术支持，基于Unity软件构建3D实验室，连接手机与平台进行交互，实现与真实环境相似的效果。相对于其他虚拟平台，本文虚拟平台在一定程度上更有助于实践性课程的训练，同时成为全国高校金工实习首个线上线下共同教学平台，填补了金工实习线上虚拟现实教学的空白。

2虚拟仿真技术

虚拟现实技术，又称作虚拟实境技术。该技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统（Computer Simulation System）。该技术主要是由计算机技术、传感器技术、人类心理学和生理学等综合而成。因此，其能够向用户提供视觉、嗅觉、味觉等感知功能，让用户完全沉浸在虚拟环境中，实现身临其境的效果。该技术通过计算机仿真系统尽可能地还原现实环境，让用户能够在虚拟环境中进行交互，并为用户提供各种信息。

虚拟现实技术包含3个主要特点：交互性（Interaction），沉浸感（Immersion），想象性

3实验系统设计

3.1系统构思

系统的初步构思：前端开发系统登录界面的设计，后端建立mysql数据库，存放用户信息，利用Unity实现用户注册登录并进入实验平台。通过三维建模软件solidworksUnity构建3D实验室环境，即操作平台界面。插入实训教学的音频，用户可以在实验操作前观看具体的操作步骤。然后将手机与计算机进行连接，通过移动手机端，实现虚拟工具的移动，从而对元件进行打磨。后端数据库记录整个实验操作过程，实验结束后，根据建立的数据库对其操作进行评分，并给出具体的扣分原因。

该系统主要是基于Unity平台，结合硬件和软件设计而成的虚拟仿真实验系统。虚拟仿真实验系统主要实现以下功能。

（1）通过三维建模软件solidworksUnity搭建虚拟现实3D钳工虚拟车间场景。学生可从计算机端进入虚拟现实车间场景，选择工具，并对虚拟毛坯材料进行打磨加工，连接传感器与虚拟工具进行匹配，可以实现对钳工操作的模拟。

（2）虚拟仿真实验系统能够提供友好的交互功能，使用手机中的Unity remote APP与unity场景交互实现体感交互功能。学生手持传感器即可以模拟真实的金工实习操作。例如，学生通过手机模拟锉，即可完成锉削动作。

（3）基于mysql数据库和Unity上传的数据，对学生的钳工操作进行评分。当学生的操作出现锉削角度有误、速度掌握不当、工件损坏等错误时，系统会基于Unity3D数据库进行判断，并对其纠正错误。实习完成后，系统自动将成品与Unity3D中的标准件进行比对，并完成评分。

3.2设计实现

3.2.1虚拟实验室场景

为了还原实际车间的真实场景，我们采用了SolidWorks三维建模，对实验室的环境和工具进行搭建，并利用3D MAX为实验工具添加对应的贴图材质。此外，为了有助于后续编程，在开始搭建环境时就对各类模型进行分类。因为实验操作分为不同阶段，各个阶段所需要的工具不同，所以在后面的系统设计过程中，需要采用合理的建模方式。例如，交互编程中的平移和转动会受到创建模型大小的影响，虚拟实验室的环境优化问题会受到模型细化的影响。

在开发了一些3D场景后，我们创建了虚拟实验室环境，用户可以在其中选择实验工具。如图1所示，该场景看起来像是一个简单真实的实验室，实验桌上放有实验操作的工具。

3.2.2交互界面

完成虚拟实验室模型的创建后，还需要对该虚拟场景进行交互编程。交互编程主要分为以下2个方面。

（1）在虚拟实验过程中实验工具和实验材料属于基本属性的交互编程，如实验材料的选择，实验工具的更换，对实验器材的打开或者关闭，用户能够自由移动工具或者实验工具，场景中的仪器具有重力等基本属性。这些功能主要是通过基于Furion框架的.Net6来实现。

（2）学生在虚拟实验室环境中的每一个操作都将被后端数据库记录，以便后续对实验操作进行打分。实现该功能的方法主要包含以下2种。

方法一，虚拟场景直接和前端页面通过Javascript完成。具体实现如下：将网页中嵌入的虚拟场景通过VR.Engineering， Node（“scnptname”"）遍历，原script已经创建了多个字符域（MultStringName），用于接收场景中传人的字符，因为虚拟实验中的操作促进script节点中的事件发生，该事件立即产生新的事件。

方法二，将虚拟实验室和服务器嵌入同一个网页，通過Java Applet来记录用户整个操作数据，实验操作的变化将受到Java Applet的控制，由Java Applet编程产生的数据或提示信息字符直接输出在网页中嵌入该Java Applet页面的位置上。

其主要代码如下。

public classApplet（Integer transaction） throws SQLException{

String sql = "delete fromtransaction where transactionid=？"；

corin=JDBCUtil.getConnection（）;

pstmt=conn.prepareStatement（sql）;

pstmt.setObject（1，transactionld）;

int recordNumber=pstmt.executeUpdate（）;

pstmt.close（）；

conn.close（）；

return recordNumber;

}

3.2.3播放视频

学生在虚拟实验中，需要完成钳工操作。系统添加了实验的操作视频，帮助学生理解并掌握整个实验过程的基本原理。用户进入实验室，点击播放视频后，可以通过其进行控制播放进度和点击结束观看等操作。其具体实现步骤如下。

首先确定打包资源，并且给该资源包命名，然后指定该资源的属性。由于该资源仅在Victory模式下运行，但在实际的运行过程中并没有创建该资源的过程，因此需要创建一个文件夹名为“Victory”，而后在此文件夹下打包指定的属性。在代码中写好方法后，将此方法放到Unity的菜单下进行手动调用。其主要代码如下。

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine；

public class LoadFromFile：MonoBehaviour{

void Start（）{

AssetBundle ab=AssetBundle. LoadFromFile （"AssetBundles/wood.unity3d"）;

／／加载资源

GameObject

wallPrefab = ab. LoadAsset （"Wood"）；

Instantiate（ wallPrefab）;

}

}

3.2.4评分

在实际的金工实习过程中，实验结束后会对学生的打磨作品进行评分，因此，需要为系统添加类似功能。基于前文的技术，系统已经保存了用户整个操作过程的数据。对学生打分的过程使用Visual Studio为此项目提供的算法，具体的伪代码如下。

#include

int main（void）

{

int function;

printf（“选择功能”）；

printf（“A.选择作业工具”）；

printf（“B.作业评分”）；

scanf（“%d”，&function）;

switch（ function）

{ case A：int i；

printf（"1.锉2.老虎钳3.铜刷"）；

scanf（"%d"，&i）；

switch（i）

{casel：//调动工具蝶

break：

case2：//调动工具老虎钳

break：

case3：//调动工具铜剧

break；}

case B：int i，j；//i表示当前完成作品：j表示标准作品

{if（i>j）

printf（"不合格"）；

else if（i= =j）

printf（"合格"）；

else（i

printf（"合格"）；

}

}

}

4结束语

本文旨在创建虚拟金工实习虚拟实验室，以支持学生模拟钳工实习。本文设计并开发了一个虚拟仿真实验系统，在该系统中，用户可以使用手机陀螺仪与虚拟物体进行实验交互。此外，后端记录用户操作数据，并根据具体操作给出用户实验的分数。

本文提出采用新的技术和工具来创建可视化和交互式的钳工实验。本文实验设计均基于钳工教学的基本理论，将相关材料在3D模型中实现，并在虚拟系统中进行实验。通过打磨金属材料来模拟实验过程，并通过虚拟现实系统模拟实验室环境，從而提高学生的实践能力。这种融合研究并不会带来真实的实验室环境的潜在危险，实验错误也可以很容易地被纠正，而且学生可以在不消耗任何真实材料的情况下重复进行实验。因此，虚拟现实仿真技术可以作为一种广泛应用的教育工具。

作者简介：

颜宗欢（2001—），本科，研究方向：计算机视觉、计算机科学。