基于全息臺的虛擬機械裝配VR內容制作研究*

江方記，孫宗恒

（1.深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055；2. 深圳中視典數字科技有限公司，廣東 深圳 518053）

基于VR技術的虛擬裝配是近年來比較熱門的虛擬設計和制造研究的方向之一，它以機械產品的裝配技術為研究方向，以提高機械產品設計制造過程的質量為根本，同時綜合運用CAD技術、VR技術、計算機三維建模技術和先進的網絡信息技術等，創建一個接近真實情境的虛擬操作平臺[1]．機械工程師可以在VR環境中完成機械產品的裝配操作，同時檢驗和規劃機械產品的裝配工藝，完成最合理的機械產品的裝配解決方案．基于VR技術的虛擬裝配的研究和實際應用是與VR技術、計算機軟硬件技術、AI技術、信息技術和CAD設計等諸多學科的技術發展相關的[2]．目前研究主要包括虛擬裝配的關鍵性技術、虛擬裝配的軟硬件環境和虛擬裝配技術在產品設計制造中的應用等方面[3]．

高職院校的機械類課程教學過程與 VR虛擬裝配的發展密切相關，例如高職院校機械類專業的學生在學習了機械制圖專業基礎課程以后，還會安排一定的實訓課時，讓學生熟讀裝配圖，并根據裝配圖完成其裝配體的拆裝實訓，從而達到提高學生讀機械裝配圖的工程能力和素養[4]．但是這種傳統的機械裝配教學存在很明顯的弊端，如教學用的裝配體的數量有限、裝配體實體模型的定期更新比較慢、裝配體的定制加工周期比較長、裝配體拆裝場地有限、裝配體的零件容易丟失和課程需要配置大量的裝配工具等．隨著虛擬現實技術的廣泛應用，將VR虛擬機械裝配技術應用到高職院校的教學實踐中，這無疑是解決這些弊端比較理想的辦法之一[5]．

1 虛擬機械裝配VR內容制作的框架設計

基于 VR技術的虛擬機械裝配是以機械產品的3D模型為基礎，運用VR技術，在VR環境中完成虛擬機械裝配操作的全過程，同時還可以在VR環境中完成機械產品的裝配順序設計、裝配路徑設計、裝配干涉檢查等裝配工藝設計過程，最終制定合理的產品裝配方案．圖 1為虛擬機械裝配過程框圖．

虛擬裝配技術源于 VADE（Virtual Assembly Design Environment），1995 年華盛頓州立大學和NIST 聯合進行了虛擬裝配方面的技術和實驗，并且研究開發出虛擬裝配設計環境VADE．VADE原型系統的面世和廣泛應用，標志著 VR技術在機械裝配領域得到了成功的應用．圖2為VADE系統應用示意圖．VADE試圖建立用于裝配工藝設計系統等功能模塊的虛擬環境，然后運用虛擬現實技術研究開發機械產品的裝配過程．如果 VADE在機械產品的設計中得以運用和實現，那么機械工程師在機械產品的初級設計階段就可以將產品的拆裝工藝因素考慮進來，從而避免產品的設計和制造缺陷．VADE可以在機械產品CAD的設計數據和裝配工藝分析之間實現數據共享，通過分析和提取CAD設計環境中的產品裝配約束等信息，實現機械產品零部件的裝配工藝規劃，反過來也為機械產品零部件的改進設計提供有用的反饋數據．

圖1 虛擬機械裝配過程框圖

圖2 VADE系統應用示意圖

2 虛擬機械裝配 VR內容制作的系統方案設計

基于 VR技術的中視典全息臺實時依賴于一定的虛擬情景，同時基于虛擬現實引擎，可以開發出虛擬教室情景的軟硬件環境和輔助操作工具（如VR立體眼鏡或 3D操作手柄等）．如果充分利用VR軟硬件環境和輔助設備，同時運用Solidworks等三維建模軟件，就可以快速開發出適合高職教學需求的VR教學環境．圖3為基于中視典VR全息臺的虛擬機械裝配解決方案框圖．

基于VR技術的中視典全息臺，它應用適合教學體驗的設備進行教學模擬，同時利用虛擬現實引擎表現出機械產品的“真實”結構，為學生提供一種可操作和互動性極強的教學實訓環境，改變了目前傳統機械課程生硬、枯燥和被動的教學現狀，同時也使得多媒體課程教學從二維變成三維立體交互，最終構建一個虛擬的、境界逼真的VR教學環境．基于VR技術的全息臺在高職機械課程教學上的應用，必將開創“虛擬教學”的嶄新局面，它當然也是教育高科技化的展現和應用，也是未來教育途徑走向深層次現代化和信息化的標志性成果之一．圖 4為基于VR技術的虛擬機械裝配教學系統流程圖．

基于虛擬現實的理論分析，同時結合中視典VR全息臺虛擬現實硬件設備，本研究完成了多套典型機械產品的虛擬裝配的VR內容制作任務，包括帶輪傳動裝置、傳動機構、蝴蝶閥、手壓閥、雙向開關、轉子泵、調壓閥、自動閉鎖式塞閥、齒輪油泵和虎鉗等．

圖3 基于VR技術的虛擬機械裝配解決方案框圖

圖4 基于VR技術的虛擬機械裝配教學系統流程圖

3 虛擬機械裝配 VR內容制作的關鍵步驟分析

基于VR技術的虛擬機械裝配的內容制作過程比較復雜，研制過程用到的軟件就至少包括AutoCAD、Solidworks、3dsmax和 VRP Builder等，研制過程主要包括如下幾個步驟：

1）使用AutoCAD等軟件，將機械產品的裝配圖拆畫成零件圖，圖5所示為帶輪傳動裝置裝配圖中的帶輪零件圖．

2）使用 Solidworks三維繪圖軟件，完成零件和裝配體的三維建模．圖6所示為帶輪和帶輪裝置裝配體的三維模型圖．

3）將第二步創建的三維實體模型導入到3dsmax軟件中，然后使用預裝的VRPlatform插件，將編輯好的 3dsmax模型導出為 VRP文件．

4）最后將VRP文件導入到VRP Builder編輯器中，完成VR內容的后期制作任務，即可在中視典全息臺設備中運行VR內容，圖7所示為帶輪傳動裝置VR虛擬裝配運行效果圖．

圖5 帶輪零件圖

圖6 帶輪和帶輪傳動裝置的三維模型圖

圖7 帶輪傳動裝置VR虛擬裝配運行效果圖

4 結 論

1）本研究是以目前高職院校機械制圖等課程的實際教學需求作為為研究的核心點，利用企業成熟的VR技術和設備，同時基于機械專業類虛擬現實的教學課件需求，對機械制圖等課程的教學過程、實訓環境和技能訓練等方面進行了全過程的虛擬現實重構．

2）利用虛擬現實場景的交互性、多感知性和可操作性等優點，實現現有高職課程的全部教學內容和場景，充分調動了學生學習機械制圖等專業課程的主動性和積極性，解決教學中存在多年的難點．

3）促進教師積極建構新一代基于虛擬現實的未來教學課件，優化自己的教學過程，提高專業課程的教學質量，讓“教”與“學”結合得更加緊密和精彩．

[1] 黃靜．虛擬現實技術及其實踐教程[M]．北京：機械工業出版社，2016：35-65．

[2] 李建廣，夏平均．虛擬裝配技術研究現狀及其發展[J]．航空制造技術，2010（3）：23-25．

[3] 冀盼．VR開發實戰[M]．北京：電子工業出版社，2017：21-83．

[4] 周曉成．虛擬現實交互設計[M]．北京：化學工業出版社，2016：15-83．

[5] 張承霖，曾飛國，劉韜，等．VR技術在工程訓練中的應用實踐[J]．高等繼續教育學報，2017（3）：46-49．