基于Virtools 的沖孔模拆裝虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

□石連栓 孫文苑

一、引言

職業(yè)教育主要是為企業(yè)培養(yǎng)技能型人才，不僅要求學(xué)生掌握基本的理論知識， 更要提高技術(shù)技能，培養(yǎng)學(xué)生在實際工作中解決問題的能力。 實驗實訓(xùn)教學(xué)在職業(yè)院校的教學(xué)中占有非常重要的地位，各職業(yè)院校都非常重視實驗實訓(xùn)教學(xué)，不斷增加對實驗和實訓(xùn)的投入。

傳統(tǒng)的教學(xué)實驗在實驗室中完成， 受實驗設(shè)備的臺套數(shù)、實驗耗材的數(shù)量、指導(dǎo)教師的人數(shù)、實驗學(xué)時等的限制， 學(xué)生接觸實驗設(shè)備和儀器的機會比較少。同時大部分職業(yè)院校實驗室建設(shè)由于受到經(jīng)費的限制，一些先進的設(shè)備無力購買，從而導(dǎo)致實驗室的設(shè)備總是落后于企業(yè)的設(shè)備，實驗內(nèi)容也因此無法得到及時更新，實驗實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量難以保障[1-3]。

虛擬實驗室是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真實的實驗實訓(xùn)環(huán)境和操作過程， 供學(xué)生觀察、操縱、建構(gòu)其中的對象， 使他們猶如身臨其境， 獲得真實實驗的感覺。 虛擬實驗室一般應(yīng)該具備以下特征：與真實實驗的一致性( 或是真實實驗的擴展和延伸)、高度交互性和實時的信息反饋[4]。 由于虛擬實驗不受時間和空間的限制， 可以克服傳統(tǒng)實驗實訓(xùn)的不足，對提高實驗實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量具有重要的輔助作用。

近年來， 隨著模具行業(yè)在國內(nèi)的飛速發(fā)展，模具技術(shù)人才的需求量也大幅增加。 在模具教學(xué)中，實驗教學(xué)占了很大的比重，模具實驗的一個重要的環(huán)節(jié)是拆裝實訓(xùn)，主要目的是了解模具各部分的結(jié)構(gòu)以及模具運動過程。目前大多數(shù)學(xué)校采用的是實物拆裝或是用替代模型，其優(yōu)點是直觀、形象，但是實物模型一般都較昂貴，加之學(xué)生人數(shù)多，所以不是每個學(xué)生都能親自做完實驗。同時由于學(xué)校資金問題，實驗?zāi)Ｐ偷墓芾怼⒕S護、更新都比較困難。 為了解決上述問題，提高學(xué)校模具教學(xué)效果，可以通過計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)把這些模具的拆裝實驗虛擬化和數(shù)字化，也就是用虛擬實驗來輔助我們模具實驗教學(xué)[5-6]。

Virtools 是法國達索公司開發(fā)的三維設(shè)計軟件，具有可視化接口，通過圖形化編程，快速建立3D 應(yīng)用程序，大大降低了開發(fā)難度。針對專業(yè)編程人員，Virtools 還提供了一種解釋性的腳本語言VSL（ Virtools Scripting Language）和一個SDK 軟件開發(fā)工具包。可以根據(jù)開發(fā)人員的具體需求開發(fā)出新的BB，從而提升了程序員開發(fā)軟件的效率。

因此，本研究以Virtools 為主要開發(fā)工具，并結(jié)合三維建模軟件3ds max 和圖像處理軟件Photoshop，構(gòu)建了沖孔模拆裝虛擬實驗系統(tǒng)。

二、沖孔模拆裝虛擬實驗的功能模塊設(shè)計

本實驗分為四個模塊，即實驗介紹、實驗室漫游、虛擬實驗、實驗報告，其中虛擬實驗分為自主拆卸和分組裝配子模塊，沖孔模拆裝虛擬實驗功能模塊如圖1。

圖1 沖孔模拆裝虛擬實驗功能模塊圖

（一）實驗介紹

該模塊包括有實驗?zāi)康摹嶒炘怼嶒炘O(shè)備及儀器的使用方法，實驗方法、實驗步驟等方面的內(nèi)容，介紹實驗之前的注意事項，為學(xué)生預(yù)習(xí)實驗提供了幫助， 以減少學(xué)習(xí)者實驗過程中的失誤，這部分可用文字、圖片等實現(xiàn)。

（二）實驗室漫游

該模塊要讓學(xué)習(xí)者進入到設(shè)計好的逼真的三維虛擬實驗室環(huán)境中，實驗室里包括實驗臺、實驗儀器展示柜、文件柜等。學(xué)習(xí)者可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等輸入設(shè)備對虛擬角色（學(xué)習(xí)者的虛擬化身）進行控制，讓其在虛擬實驗環(huán)境中任意走動參觀，并通過多視角攝像機的切換，給予學(xué)習(xí)者不同的視角感受，體驗實驗環(huán)境，從而對虛擬實驗環(huán)境有感性的認識。

（三）虛擬實驗

該模塊包括自主分解和分組裝配兩部分，是根據(jù)真實的沖孔模拆裝實驗，用計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)，它包括實驗操作的全過程。 在這個模塊中，學(xué)習(xí)者可以使用鼠標(biāo)拖動來觀看儀器設(shè)備，也可以導(dǎo)入Flash 動畫或是教學(xué)視頻讓學(xué)生先了解實驗步驟，從而加深對所做實驗的理解。 虛擬實驗的具體操作可通過點擊按鈕響應(yīng)來實現(xiàn)。

（四）實驗報告

實驗報告是實驗教學(xué)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，促使學(xué)生認真完成實驗，且通過寫實驗報告，可以加強學(xué)生對實驗中的理論知識的理解和記憶，提高學(xué)生邏輯思維能力和實驗?zāi)芰Α１緦嶒炏到y(tǒng)中采取當(dāng)場書寫實驗報告，實驗報告以圖片文件的形式存儲在本地計算機中，學(xué)生可以把實驗報告以郵件的形式發(fā)給教師，也可以打印出來交給教師；教師可以給每個學(xué)生創(chuàng)建一個文件夾，里面存放學(xué)生的實驗報告， 以電子檔案袋形式管理學(xué)生的實驗報告，從而實現(xiàn)對實驗報告的一個半自動化管理。

三、沖孔模拆裝虛擬實驗的開發(fā)

（一）Virtools 程序的開發(fā)流程

Virtools 的開發(fā)步驟可分為三個階段: 建模、交互制作、發(fā)布。 Virtools 本身不具有三維建模的功能，鑒于3ds max 是目前使用最多的三維建模、動畫、 渲染軟件， 其功能強大， 可以外掛很多插件來彌補本身的功能不足[7]。 因此， 采用3ds max 建模，然后導(dǎo)入到Virtools 中完成交互式拆裝。

（二）模型構(gòu)建

本研究所選的沖孔模是一個簡化的模型，主要零件包括下模座、導(dǎo)柱、凹模固定板、凹模、螺釘、定位銷、上模座、導(dǎo)套、沖頭、沖頭壓板、彈簧、壓料板、限位拉桿。其零件對象的建模采用了基本幾何體、擴展幾何體、Boolean（布爾運算）、Loft（放樣）等基本建模方式來完成。

（三）交互制作

Virtools 中采用的是圖形化編程， 使用模塊化編程語言Buliding Blocks（BB 模塊）編寫交互控制程序。在本實驗中，界面采用類似網(wǎng)頁導(dǎo)航，交互操作都是通過使用鼠標(biāo)點擊按紐來實現(xiàn)。

1.實驗介紹模塊的實現(xiàn)。 本模塊主要是由文字和圖片來實現(xiàn)， 但是由于操作界面大小的限制，內(nèi)容不能一次性呈現(xiàn)，所以設(shè)計一個翻頁按鈕用來切換到下一頁的內(nèi)容。 在看完實驗介紹后，學(xué)習(xí)者可以點擊“返回”按鈕回到實驗主界面，然后再進行其他的操作。

創(chuàng)建一個陣列有來存放實驗介紹的文字與圖片，再通過如圖2 所示的PuttButton、Move Row（移動行）、Get Cell（獲取單元格）、Set Texture（設(shè)置紋理）等模塊來實現(xiàn)，當(dāng)點擊下一頁，系統(tǒng)就會自動從頭到尾檢索所創(chuàng)建的實驗介紹的陣列中的每個單元格， 并把內(nèi)容以圖片紋理的形式顯示在二維幀中。

圖2 “下一頁”按鈕腳本圖

當(dāng)點擊“返回”按鈕時，通過PussButton、Hide（隱藏）模塊實現(xiàn)隱藏“實驗介紹”界面，從而回到實驗主界面，腳本如圖3 所示。

圖3 “返回”按鈕腳本圖

2.實驗室漫游的實現(xiàn)。 實驗室漫游模塊通過對虛擬角色的控制， 分別使用main camera （主攝像機）、camera01（第三視角攝像機）和camera02（第一視角攝像機）三個不同視角的攝像機，讓學(xué)習(xí)者熟悉實驗環(huán)境，對實驗室布局有個大體的認識。 為了增強交互性，三個攝像機之間的切換是通過鍵盤來實現(xiàn)的。 如圖4 所示，利用Switch On Key，Set Position，Set Orientation 等模塊實現(xiàn)攝像機切換。

3.虛擬實驗?zāi)K實現(xiàn)。 （1）沖孔模部件自主分解。本模塊的設(shè)計思想是按沖孔模部件對象序列建立“沖孔模”群組（Group）及“沖孔模”陣列（Array），通過獲取群組里的對象，把所獲取的對象的空間坐標(biāo)傳給陣列，并以相同的方式獲取到對象分解時的空間坐標(biāo)，再實現(xiàn)由部件對象的初始坐標(biāo)位置過渡移動到分解坐標(biāo)位置，最終完成部件對象的自主分解。 如圖5 所示為分解演示腳本圖。

圖5 分解演示腳本圖

（2）分組裝配。 本模塊的設(shè)計思想是將沖孔模按組顯示，通過鼠標(biāo)點選沖孔模部件對象，使所被選取的部件對象跟隨鼠標(biāo)移動。 設(shè)置輔助參考對象，并設(shè)置其原有材質(zhì)為藍色，當(dāng)鼠標(biāo)拖拽部件對象到達與輔助參考對象一定距離時，輔助對象的材質(zhì)變成紅色，當(dāng)部件對象的名稱與參考對象名稱一致時，兩者自動融合，從而實現(xiàn)沖孔模的分組裝配。如圖6 所示為分組裝配演示腳本圖。

4.實驗報告模塊的實現(xiàn)。 本模塊的設(shè)計思路是通過二維幀顯示實驗報告模板，學(xué)生做完實驗后可以當(dāng)場書寫實驗報告，寫完后點擊“提交”按鈕，實驗報告就會以圖片的形式存儲在本地計算機中。

5.調(diào)試、修改與發(fā)布。 在虛擬實驗軟件開發(fā)過程中， 須嚴格按照軟件工程規(guī)范進行設(shè)計開發(fā)，各環(huán)節(jié)包括概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼、測試等，這些環(huán)節(jié)為該軟件系統(tǒng)質(zhì)量提供了保證。最后還要進行用戶的測試，測試對象分別為職校教師、職業(yè)學(xué)校的學(xué)生等。 根據(jù)測試后出現(xiàn)的問題再進行修改，修改之后還要進行多次的測試、修改，最后才能進行正式的發(fā)布。

圖6 分組裝配演示腳本圖

四、總結(jié)

基于Virtools 的沖孔模拆裝虛擬實驗包括有實驗介紹、實驗室漫游、虛擬實驗和實驗報告四個部分，它是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充和完善，把它應(yīng)用于中職學(xué)校的模具實驗教學(xué)中，符合中職學(xué)校學(xué)生知識建構(gòu)、認知規(guī)律，讓他們在自己親身體驗中學(xué)習(xí)，根據(jù)多種知識表征方式主動建構(gòu)自己的知識，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)的主動性。

虛擬實驗和實訓(xùn)只能是實體實驗和實訓(xùn)的一個補充和擴展，主要是解決各職業(yè)學(xué)校實驗實訓(xùn)存在的一些缺陷， 但是它不能完全替代實體實驗實訓(xùn)， 只能盡可能多的給學(xué)生提供了解設(shè)備使用、模擬實驗和實訓(xùn)的機會。虛擬實驗實訓(xùn)與實體實驗實訓(xùn)各有特點和優(yōu)勢，只要很好的利用，必將為職業(yè)學(xué)校提高學(xué)生的技能發(fā)揮更大的作用。

[1]陳勁松.虛擬實驗室在實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大眾科技，2010(3):147-148.

[2]張偉黨，唐國鋼.虛擬化學(xué)實驗室的應(yīng)用[J].廣州化工，2011，39(14):172-173.

[3]薛琳，章學(xué)靜.基于Web 的虛擬實驗室技術(shù)及其應(yīng)用[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2009，23(2):11-13.

[4]王海鵬. 虛擬實驗室.牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005(4):53-54.

[5]趙悅.模具教學(xué)虛擬實驗室的研究與開發(fā)[D].杭州:浙江大學(xué)，2011.

[6]馮桂珍，池建斌.模具虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)[J].河北省科學(xué)院學(xué)報，2011，28(2):21-25.

[7]吳緯緯.模具結(jié)構(gòu)認知虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué)，2009.