一種三維虛擬仿真拆裝實驗的建立與實現

摘 要：三維仿真虛擬現實技術構建了一個可視化的三維實驗環境，實現一種可以適時交互的仿真拆裝實驗。通過鼠標的點擊以及拖曳即可完成相應的操作。在相對較低的軟硬件條件下，對虛擬現實技術在實驗教學中的應用進行了很好的嘗試，收到了很好的教學效果。

關鍵詞：虛擬現實；結構仿真；拆裝實驗

中圖分類號：TH132.46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

虛擬現實技術是一項需要軟硬件結合的，十分尖端的前沿技術，通常用于飛行訓練、科學試驗等方面。結合硬件的虛擬現實技術因其難度高，資金投入大，還很難在教育領域廣泛應用，因此主要還是采用計算機鍵盤鼠標操作的軟件技術。軟件方面的技術主要有兩種，一種是采用支持虛擬現實技術的程序語言如Java3D。這種方法的特點是支持建模、紋理映射及強大的運動控制和實時交互功能，能開發出更加靈活、實時交互的虛擬仿真產品。但同時也存在著編程難度大、三維渲染速度和傳輸速度慢等缺點，限制了推廣和應用；另一種是專業的虛擬現實設計軟件如CULT3D等。其特點是建模與控制分離，模型由專業3D建模軟件提供，如3DMAX、CAD類軟件。而且渲染質量高、傳輸速度快，不需要編寫任何代碼就能生成逼真的虛擬現實場景。

一、結構仿真

結構仿真，可以讓學習者清楚的觀察動態零件的結構形狀和相互連接關系。可以隨意調整不同視角、隨意進行放大比例、縮放比例和移動三維造型；通過透明處理和分解組合，還能使學生看到部件的內部結構的細節及零部件間內部之間聯系，達到真實實物觀察效果。

對于結構仿真簡單講，首先是數字樣機使用CAD類軟件中Solidworks進行制作建模（圖1），它可以保證了數字樣機尺寸與結構的準確性。最終要使用虛擬現實軟件Cycore Cult3D進行虛擬現實環境[3]的設置與交互的設計。其次使用的CAD軟件Solidworks與三維虛擬仿真軟件Cult3D不能直接進行數據轉換，所以必須借助第三方軟件進行數據的轉換。最后轉換軟件可以選擇對硬件要求不高的3DSmax（圖2）。應用這三個軟件就可以完成現有物理樣機到數字樣機再到虛擬現實的設計過程。

二、虛擬裝配

虛擬裝配是基于虛擬現實在產品制造方面的具體應用，利用虛擬裝配技術可以對零件設計和裝配進行驗證。虛擬裝配近年來受到學術和工業等方面的廣泛關注。將虛擬裝配技術引入拆裝實訓教學當中，可以虛擬實驗模仿真實實驗的操作過程，它能讓受訓者在虛擬環境中學習和完成拆裝，真正讓學生參與實驗實訓，從而掌握零件的構造拆裝順序等知識，為零件拆裝實訓活動提供必要準備和補充，進而鞏固受訓者對實踐的掌握，并加深理論知識消化理解，而關鍵在于能讓學生參與實驗過程。虛擬現實軟件Cult3D，不僅能創造出逼真的虛擬現實環境，還具有強大的實時交互功能。下面就是利用虛擬仿真的拆裝實驗對汽車主減速器進行介紹。

添加交互事件：首先，加入一個Word Start事件和Arcball動作，實現對整個模型任意方向的觀察和縮放。

（1）分解動作。加入鼠標事件“分解”，操作對象是整個模型。同時激活鼠標事件“裝配部件1”和“輸出錯誤消息1”。該操作執行將整個模型分解，為下一步開始虛擬裝配作準備。

（2）裝配動作。順序加入用于裝配對應部件的鼠標事件，即鼠標事件“裝配部件1”、鼠標事件“裝配部件2”、……。第一步裝配事件由鼠標事件“分解”激活，下一步裝配事件由上一步激活，依此類推。

（3）輸出錯誤消息。該動作設計思路是，當某一部件按照裝配次序可以進行裝配時，它的上一步將激活它的裝配鼠標事件，同時隱藏它的“輸出錯誤消息”鼠標事件；反之，它的裝配鼠標事件是隱藏的，而輸出錯誤消息鼠標事件是激活的。這樣就實現了當某個部件不可裝配時，將彈出錯誤消息對話框，提示操作者“操作順序不正確”。

三、結束語

本文實現了實踐性強的學科，利用三維仿真虛擬實現機械零件虛擬裝配試驗。這種試驗方法可以使機械零件運動更加生動形象，虛擬拆裝步驟更加清楚。從而達到老師和學生都滿意的效果。

參考文獻：

[1]國內外虛擬現實技術發展現狀和發展趨勢的技術報告[R].

[2]虛擬現實VR之Web3D技術創作漫談[J/OL].http：//www.chinavideoonline.com/vrml/vrml_001.htm

[3]管群.虛擬現實技術在CAI中的應用[J].計算機應用，2001（05）：95-99.

[4]蘇威洲，童仲豪.實現網絡三維互動—Cult3D應用指南[M].北京：清華大學出版社，2001：65-222.

[作者簡介]王傳博（1982.03-），男，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向：汽車與拖拉機。