面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发

韩粤华 罗国宇

摘  要：虚拟仿真实践教学平台具有较强的交互性、沉浸性、仿真性，能有效激发学生的学习兴趣，达到以虚促实、虚实结合的教学目的。为弥补传统汽车底盘构造实践教学中设备更新慢、数量少、易受空间限制等问题，利用虚拟仿真实践教学手段辅助现实实践教学的方法，开发了一款基于Unity3D软件的虚拟拆装实践教学平台。该平台以现实实践教学要求为依据，设置了多个教学模块，有助于提高教学效率，降低实践教学成本。

关键词：汽车底盘构造；虚拟现实；实践教学平台；Unity3D

中图分类号：TP311   文献标识码：A   文章编号：2096-4706（2023）16-0034-06

Development of Virtual Disassembly and Assembly Practice Teaching Platform for Automobile Chassis Construction Teaching

HAN Yuehua， LUO Guoyu

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang  550025， China）

Abstract： Virtual simulation practice teaching platform has strong interaction， immersion， simulation， can effectively stimulate students' interest in learning， so as to achieve the teaching purpose of promoting reality by virtual， virtual and real combination. In order to make up for the problems such as slow equipment update， small quantity and easy to be restricted by space in the practice teaching of traditional automobile chassis construction， a virtual disassembly and assembly practice teaching platform based on Unity3D software is developed by using virtual simulation practice teaching method to assist real practice teaching. Based on the requirements of real practice teaching， the platform sets up multiple teaching modules， which helps to improve the teaching efficiency and reduce the cost of practice teaching.

Keywords： automobile chassis construction; virtual reality; practice teaching platform; Unity3D

0  引  言

近幾年，我国对经济发展提出了更高的要求，科技创新上升到了一个新的高度，机械产业的发展愈加精细化、复杂化。为达到机械自动化生产的目的，培养从业人员对高校中各种机械相关知识学以致用的能力，计算机技术与机械专业教育培训高度融合[1]。虚拟现实技术（简称VR）有着独特的沉浸性和交互性特点，是被广泛应用的计算机技术之一。在国家政策及行业发展的推动下，虚拟现实技术在机械设计、生产、培训等多方面得以研究和应用，不仅帮助行业生产降低了成本、缩短了设计周期，还为企业生产营造出了安全可靠的生产环境[2，3]。高校作为培养从业人才的摇篮，也在大力发展虚拟教学来弥补传统教学的不足。许多高校研究人员结合课程需要开发了一系列基于虚拟现实技术的实践教学系统，投入使用后取得了良好的效果[4-6]。汽修专业的虚拟教学研究涵盖了汽车整车构造虚拟拆装实训和汽车局部系统虚拟实验教学两方面，例如徐劲力在增强现实环境下对汽车后桥虚拟拆卸系统的完善[7]、王建华针对汽车整车构造教学的虚拟拆装实训平台的研究等[8]。

汽车底盘构造实践教学是高校汽修专业的重要教学环节，其中包含了传动系、行驶系、转向系和制动系四大部分的结构拆装与维修，有着结构复杂、零部件多、更新快、不同类型的汽车底盘结构不尽相同等特点[9]。而传统的汽车底盘构造实践教学很难保证有足够多的新式教具，并且教学过程中操作稍有不当便会造成教具磨损和丢失。此外，当前正处在后疫情时代，实践教学这一类受空间限制的课程受到严重影响，导致理论教学与实践教学严重脱节[10]。因此，将虚拟现实技术应用到汽车底盘构造拆装与维修实践教学中，继续运用虚拟现实技术克服实践教学的不足十分有必要。

本文基于Unity3D、SolidWorks、3Ds Max等软件搭建虚拟拆装的实践教学平台，利用C#编程和XDreamer插件实现平台的层级跳转、动态交互以及主要功能逻辑控制。具有虚拟仿真效果的实践教学平台可与现实实践教学相结合，彼此互补，不仅可扩大实践教学的受众范围、提升教学的精准性，还可让学生不受时间和空间限制自主学习，重复操作，能有效培养学生的学习自主性。

1  汽车底盘构造典型结构分析和运作原理

平台以汽车底盘制动系统中的车轮制动器为对象进行案例开发。车轮制动器是制动系统产生制动力、阻碍车轮运动或运动趋势的部件，主要有盘式制动器和鼓式制动器两大类。为让教学内容贴近行业发展，盘式制动器选取奥迪S6前轮制动器，其为固定式六活塞卡钳+通风盘的组合结构。鼓式制动器以东风牌EQ3092FJ自卸车的后轮领从蹄式制动器为例。两种典型制动器的结构及运作原理如图1所示。

盘式制动器主要由制动盘、卡钳和制动块组成。制动盘是盘式制动器的旋转部件，通过螺栓与轮毂相连，与轮毂同步旋转。卡钳是执行制动的核心装置，制动总泵传递来的液压力经过卡钳转换为机械作用力。在液压力的作用下，活塞推动制动块夹紧制动盘，从而产生制动力完成制动。

鼓式制动器主要由制动蹄和制动鼓组成。制动鼓是鼓式制动器的旋转部件，内侧与轮毂相连，与轮毂同步旋转。制动总泵传送到分泵的制动液压力使制动蹄片张开压紧在旋转的制动鼓上，制动蹄片与鼓之间产生的摩擦力使制动鼓和车轮减速直至停止转动。

2  平台总体方案设计及开发流程

2.1  总体方案设计

开发虚拟拆装实践教学平台主要用于辅助现实实践教学，作为现实教学的补充。因此，在参考汽车底盘构造拆装与维修实践教学的教学要求和课程标准后，系统中设置了制动器认知学习、虚拟拆装演示、手动拆装练习、制动器维修与检测知识学习和虚拟拆装考试模块。模块间的顺序参照实际的拆装教学顺序和学生的认知特点设置，并添加了简洁明了的操作界面和交互功能。

2.1.1  制动器认知学习模块

认知学习模块的目的是加深学生对制动器结构的理解，掌握不同類型制动器的运行原理和应用范围。该模块使用UI文字对制动器的运行原理进行解释说明，并通过动画的形式仿真出两种车轮制动器的内部运作情况。在模块的界面中设置“制动”和“松开”按钮，学生可通过鼠标点击按钮实现对制动器运行动画的控制。此外，为让学生能360°旋转观察制动器的内部结构，将车轮及制动器的外壳等部分结构添加了透明材质。功能效果如图2所示。

2.1.2  虚拟拆装学习模块

虚拟拆装演示功能可代替教师的示范教学，手动拆装练习功能可以帮助学生掌握拆装步骤、拆装流程，虚拟拆装考试模块可快速检验学生对制动器拆装学习的掌握情况。针对这些实践操作模块，模块界面中设置了拆装步骤列表、拆装演示进度条、拆装考试答题列表、工具栏和提示栏等。学生通过拖动或点击模型来进行拆装练习，根据拆装步骤需要选择工具辅助拆装，并可通过鼠标点击提示栏按钮来帮助完成练习和考试，增强了虚拟拆装的交互性和便利性。此外，在拆装考试模块中还提供了答题、跳过和计分等功能，学生每完成一个步骤的正确操作，便做计分处理，最后根据累计计分得出学生的拆装考试成绩。此部分效果如图3、图4、图5所示。

2.1.3  制动器维修与检测知识学习模块

车轮制动器的检测和维修主要针对制动盘厚度磨损、摩擦片磨损等方面。对于制动器常见维修知识点，在三维模型中将制动盘、摩擦片等零部件添加三维标注点进行标记，学生点击标记点便会弹出相应的维修知识，以此来完成对车轮制动器的检测和维修知识点的学习。维修与检测知识学习模块界面如图6所示。

2.2  开发流程

平台开发主要基于Unity3D引擎，但因其无法进行复杂的结构建模，固先在专业机械建模软件SolidWorks中进行三维模型构建。构建好的模型导入3Ds Max软件中进行模型的坐标调整和优化，然后保存为FBX格式文件导入Unity3D的资源库中备用。在Unity3D引擎中使用XDreamer插件以及给相应模型挂载脚本的方式实现平台界面跳转、动态交互等功能，搭建好平台后根据教学需要打包发布在多方平台中，供教学使用。开发流程如图7所示。

3  虚拟拆装教学平台的技术实现

3.1  制动器三维模型创建

盘式制动器、鼓式制动器的三维模型是平台开发所需的主要模型。参考汽车车轮以及车轮制动器的尺寸，首先在SolidWorks软件中使用圆角、拉伸切除、镜像等命令进行车轮制动器的零部件建模，将构建好的零部件通过重合、同轴心等配合关系进行装配。两种车轮制动器的三维模型如图8所示。为让虚拟拆装实验过程更加贴近现实教学，对拆装过程所需工具（如套筒扳手等）也进行了三维模型构建。

3.2  用户界面层级跳转

用户界面UI（User Interface）主要负责用户与平台之间的交互，主要用户界面如图9所示。平台将两种制动器的虚拟拆装分别放置在两个场景中，在主界面设置跳转按钮，并在按钮下挂载脚本实现场景的跳转。实现场景跳转主要引用的是SceneManager类，调用类下面的loadSceneAsync方法，获取不同场景对应的数值。根据教学需要设置的几个教学模块之间的层级跳转也是通过在UI界面中设置的相应按钮上挂载层级跳转脚本来控制操作。

实现模块中层级跳转部分代码如下：

public class ScreensManager ：MonoBehaviour

{ publicGameObject[ ] Panels;

public void ShowLearnPanel（GameObjectnewPanel）

{ for （int I = 0; I

{ Panels[i].SetActive（false）;

} newPanel.SetActive（true）;

}

}

3.3  运行原理动画仿真

实现该部分功能主要借助于Unity3D引擎的外部插件XDreamer。首先在插件的状态机系统中创建制动器运行原理页面的子状态机，添加状态库中动作模块下的移动或旋转等工具，通过给起始点位置赋值的方式，制作出制动器中部分零件的相对路径动画，以此模拟出制动器的运行过程。状态机中制动器运行原理动画和UI按钮控制搭建逻辑如图10所示。

3.4  自动拆装演示功能

自动拆装演示功能是平台搭建的基础部分，因为后续拆装手动练习模块和拆装考试模块均是在此模块的基础上进行开发。以盘式制动器的拆装为例。

3.4.1  前期工作

在Hierarchy面板中构建盘式制动器的模型树层次结构，并将拆装工具模型添加到场景中。在XDreamer插件的状态机中启用拆装功能，然后返回插件状态机中创建主逻辑控制的子状态机，在子状态机下创建拆装任务、拆装考题和包含模型零部件的三维模型库以及工具包。

3.4.2  拆装动画制作

每一个拆装考题中包含一个零部件的拆装动画，需先在拆装考题下选择对应的零部件和拆装工具。然后添加旋转或者移动工具，在旋转或移动的操作面板中输入零部件的旋转角度或移动距离，制作出零部件和拆装工具的拆装动画。在制作拆装动画的过程中边做边测试，可减少返工程序。最后将制动器的每一个拆装步骤动画节点连接起来，形成一个动画合集。拆装演示功能创建逻辑如图11所示。

3.4.3  后期完善

在插件工具库的拆装功能选项下，一键添加拆装步骤列表和拆装演示进度条等辅助功能。

3.5  手动拆装及考试功能

手动拆装及考试功能以自动拆装演示模块中已经完成的制动器拆装步骤动画为基础，在状态机中将该模块与拆装任务关联，然后添加模型拾取功能，实现点击或拖拽零部件进行拆装练习。在为模块添加拆装步骤列表和拆装提示功能时，应在Inspector面板中取消勾选Raycast Target，防止视线检测被阻挡后模型拾取功能失效。

在完成练习后，学生可进入拆装考试模块测试自己的学习效果，在此模块中不再设置提示功能，而是将每一个拆装步骤设置成一道拆装考题，然后生成拆装考题列表呈现在模块页面中。拆装实践教学的考试流程如图12所示。

3.6  平台发布

Unity3D引擎不仅可以在多种操作系统中进行开发，而且还支持在PC、Android、Mac等多个平台发布。为方便学生能随时随地学习和操作，以下给出在PC端以及Android平台发布的操作步骤。

在PC端发布可根据自己需要在File菜单下的Player Settings中更换.exe文件的图标、更改程序的名称以及去掉Unity3D引擎的标识等，最后点击Build选项直接导出在本地文件夹中便可使用。

在移动端发布需要考虑UI画布与移动端屏幕的适应问题，需将画布的尺寸模式设置为自适应，其他普通设置与PC端无异。其次因移动端的脚本语言是Java，因此需配置相对应的SDK、JDK等开发工具包，再将平台转换为Android，点击Build选项生成apk文件，最后安装在移动端便可使用。

4  结  论

本文以车轮制动器为例介绍了面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台的搭建流程和技术要点，在平台开发过程中使用XDreamer插件大大简化了开发流程、缩短了开发时间。平台中设置的大量交互性功能，能使学生最大限度地参与到学习中，激发学生的学习兴趣。该平台的应用还能有效弥补现实实践教学设施陈旧、数量短缺等问题。

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[7] 徐劲力，牛强强，陈春晓.增强现实环境下汽车后桥虚拟拆卸系统的设计 [J].机械设计与制造，2021（6）：215-218.

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[10] 段红艳，王建锋.后疫情时代虚拟现实技术在《汽车底盘构造与维修》实训教学中的应用 [J].时代汽车，2022（15）：45-47.

作者简介：韩粤华（1996—），女，仡佬族，贵州石阡人，硕士研究生在读，研究方向：职业技术教育；通讯作者：罗国宇（1977—），男，侗族，贵州凯里人，副教授，高级工程师，博士，研究方向：机械设计与制造、力学计算与数值模拟。