液壓虛擬仿真實驗教學平臺建設

李夢如, 陳 哲, 朱美華, 陸佳瑋, 奚 鷹

(同濟大學 機械與能源工程學院, 上海 201804)

在高校理工科教學中,實驗教學起著至關重要的作用。然而,傳統的實驗教學存在實驗儀器設備等價格昂貴、實驗過程存在安全隱患、受時間和空間的制約、教育資源分配不均、實驗教學模式相對滯后等問題[1]。建設虛擬仿真實驗教學平臺,利用虛擬仿真技術構建虛擬的實驗環境、儀器設備、實驗對象和實驗信息資源等,可以有效地解決上述實驗教學中的問題,使學生獲得接近現實的學習體驗,并由此派生出一種全新的實驗教學模式,有力地推動實驗教學體制改革[2]。

液壓傳動課程是機械制造專業學生的重要專業課,與之配套的液壓實驗課程是必不可少的。傳統型液壓實驗是讓學生實際操作液壓元器件和液壓回路。其缺點：一是精密液壓元器件價格比較昂貴,學校實驗器材的種類和數量不多,學生的不正確操作也可能損壞實驗器材；二是液壓元件通常外部造型簡單而內部結構異常復雜,拆裝實驗比較困難,學生往往不能很好地了解液壓系統內部構造,不能直觀地觀察到油液的流向,難以理解回路的工作過程和原理[3-5]。

筆者采用Inventor構建了虛擬實驗儀器、實驗場景,以JetBrains Rider作為代碼集成開發環境、以Unity 3D作為虛擬仿真實驗開發平臺,建設了液壓虛擬仿真實驗教學平臺,使液壓實驗不但能逼真、立體、全方位地展示各種液壓元件的外觀及內部構造,進行復雜、有危險和破壞性的實驗,而且不受場地和時間的限制,極大地提高了實驗的效率和學生實驗的自主性。

1 液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設理念

液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設以國家級實驗教學示范中心為依托,借助虛擬現實技術,將液壓知識從簡單到復雜、循序漸進地展現給學生,幫助學生更好地學習、理解和鞏固液壓知識。

液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設理念是：

(1) 以國家級實驗教學示范中心為建設依托,以工程機械為專業特色,以“機械專業課實驗(下)”為課程基礎,實現虛實結合、線上線下相互補充的新型實驗教學模式的改革；

(2) 面向工程機械專業人才培養需求,以學生為本,構建培養創新型人才的虛擬仿真實驗教學體系和培養模式,開創知識傳授和能力培養協調發展的新型實驗教學模式；

(3) 作為國家級實驗教學示范中心建設的延伸,以促進大學生的全面發展和適應社會需要為宗旨,以培養創新精神和實踐能力為核心,提高高等教育人才培養質量；

(4) 以液壓虛擬仿真實驗教學平臺為媒介,促進跨學科、跨專業課程的交叉融合,增強工科專業學生綜合運用多學科知識的實踐能力。

2 主要建設內容

液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設主要包括：(1)液壓虛擬仿真實驗教學平臺的公有架構建設；(2)液壓虛擬實驗項目建設。

2.1 公有架構建設

液壓虛擬仿真實驗教學平臺的公有架構主要涵蓋：

(1) 前臺操作系統：包括用戶登錄模塊、選單模塊、虛擬實驗平臺操作指南、虛擬實驗儀器介紹、虛擬實驗介紹等；

(2) 后臺管理系統：包括學生管理、班級管理、教師管理、實驗項目管理、數據管理、系統日志等；

(3) 平臺軟硬件基礎支撐：包括網絡服務器、操作系統軟件等。

在建設液壓虛擬仿真實驗教學平臺的公有架構過程中,要求制定公有架構開發規范,解決好后續開發中兼容性和不一致性的問題,減少軟件開發的工作量。主要涉及資源命名規范(可分為普通資源的沖突、Resources資源的沖突以及C#命名沖突)、子模塊開發方式和場景開發流程。

2.2 液壓虛擬實驗項目建設

液壓虛擬實驗項目分為6部分,分別是：流體力學基礎實驗、液壓元件拆裝實驗、液壓元件性能實驗、液壓基本回路實驗、液壓綜合實驗和拓展實驗(見圖1)。

圖1 液壓虛擬實驗項目

3 開發工具及相關技術

液壓虛擬仿真實驗教學平臺主要采用三維建模軟件Autodesk Inventor構建虛擬實驗儀器、實驗場景等物體的三維模型,JetBrains Rider作為代碼集成開發環境,Unity 3D作為虛擬實驗開發平臺。將各種實驗儀器及實驗場景虛擬化,利用虛擬現實技術特有的沉浸性、交互性和想象性[6],將傳統的實驗搬到電腦屏幕及移動終端上,呈現液壓虛擬仿真實驗教學平臺,并編譯、發布到Windows、Linux、Android、Web等不同運行平臺[7]。

3.1 建模軟件

由于在液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設過程中需要對液壓元件、液壓系統回路等進行三維仿真建模,因此需要先對液壓元件、液壓回路、虛擬環境等進行三維建模與裝配,然后將三維模型導出為Unity 3D可使用的格式。三維建模主要分為外觀建模和詳細建模,其中外觀建模主要用于液壓基本回路實驗,僅需建立液壓元件的外觀模型。

本液壓虛擬仿真實驗教學平臺使用的建模軟件為Inventor。液壓回路的建模必然涉及管道建模,而Inventor提供了非常方便的管道布線工具,使用時只需先設計好管線屬性,然后在裝配圖中選擇管道兩段的連接點,Inventor就會根據已裝配部件自動規劃走線并生成管道。與將管道視為零部件、進行手動建模的方法相比,無論是準確度、靈活性還是工作量,自動布管都具有不可比擬的優越性。如果使用Inventor直接導出wavefront obj文件供Unity 3D使用,還可以有效地保留模型的外觀材質特性,相比于將三維模型導出為stl文件,然后在3ds MAX導入stl模型并重新賦予其材質特性的方法,無疑是大大減少了工作量。

3.2 obj修正工具

在Inventor導出obj文件的過程中存在兩種方式：模型整體導出和模型按零件導出。Inventor按模型整體導出,會使所導出的obj文件將裝配體中部件的名稱丟棄,對于后續開發過程中部件的使用造成困難。Inventor按模型零件導出,如果零件名稱含有中文(特別是引用的標準庫文件,Inventor會自動賦予其中文名稱),會發生材質丟失現象。此外,模型按零件導出會導致導出文件零亂,不便管理。

綜合考慮兩種導出方式優缺點,編寫了obj修正工具,如圖2所示。通過對比兩種導出文件的內容,生成新的obj文件,轉換成在單個obj文件，并在文件中保留部件名稱。

圖2 Obj修正工具界面

3.3 交互軟件

液壓虛擬仿真實驗教學平臺使用的交互軟件為Unity 3D[8-10]。這是開發本實驗教學平臺最關鍵的開發工具,界面編輯、交互處理、代碼編譯和程序發布都需用Unity 3D完成。

Unity 3D是由Unity Technologies開發的一種可輕松創建建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具,是一個全面整合的專業游戲引擎。其編輯器運行在Windows和Mac OS X下,可發布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要HTML5)、Windows phone 8和Android平臺。也可以利用Unity web player插件發布網頁游戲,支持Mac和Windows的網頁瀏覽。它的網頁播放器也被Mac widgets所支持[11]。

Unity 3D支持JavaScript、C#和Boo[12]等3種腳本語言。

3.4 代碼編輯與調試工具

Unity 3D雖然自帶代碼編輯與調試工具[8-10],但是其智能程度不高,建議采用專業的C#集成開發環境,例如Visual Studio或者JetBrains Rider,本教學平臺使用后者。

由于JetBrains Rider自帶Unity 3D調試工具包,因此易于系統調試。使用Rider進行調試,只需要先在腳本代碼中設置斷點,然后點擊Rider界面右上角的調試按鈕,而后在Unity 3D中運行對應的場景,當腳本解釋到達了斷點,即可開始調試。

3.5 發布形式

在Unity 3D主界面,選擇File選單欄中的Build Settings,進入發布設置界面。然后添加所有需要發布的場景,要保證登錄場景處于其中的起始位置,這將是最終發布程序的首界面。系統選擇PC、Mac和Linux Standalone,并在右側具體選擇Windows、Linux或Android系統形式。目前,液壓虛擬仿真實驗教學平臺對Windows系統發布x86架構的最終程序。

液壓虛擬仿真實驗教學平臺也可以發布成網頁形式,但需要在安裝Unity 3D時(也可以在安裝后進行修改性安裝)選擇啟用WebGL支持。發布過程直接使用默認選項即可,但是發布為Web形式非常耗時。完成后會在選擇的路徑生成一系列Web文件,將之上傳到服務器即可通過網絡訪問。

4 液壓虛擬仿真實驗教學平臺的應用

目前,液壓虛擬仿真實驗教學平臺的公有架構已完成前臺操作系統所涉及的用戶登錄模塊(液壓虛擬仿真實驗教學平臺與學校登錄系統相連,可通過同濟大學統一身份認定登錄)、選單模塊、虛擬實驗平臺操作指南以及后臺管理系統所涉及的實驗項目管理的建設,其他公有架構所涉及的內容有待后續建設。

目前液壓虛擬仿真實驗教學平臺著重建設液壓元件拆裝實驗和液壓基本回路實驗這兩部分的虛擬實驗項目。已完成部分液壓元件拆裝實驗中齒輪泵虛擬拆裝實驗、葉片泵虛擬拆裝實驗、軸向柱塞泵虛擬拆裝實驗、換向閥虛擬拆裝實驗和減壓閥虛擬拆裝實驗項目的建設,以及液壓基本回路實驗中進油口節流調速回路、進回油節流調速回路、旁路節流調速回路、變量泵-定量馬達容積調速回路、變量泵-變量馬達容積調速回路、容積節流調速回路、速度換接回路、調壓回路、鎖緊回路和同步回路的虛擬實驗項目建設。其他虛擬實驗項目的內容有待進一步建設與完善。

4.1 液壓元件拆裝實驗

每個液壓元件拆裝實驗由2部分組成,以葉片泵虛擬拆裝實驗為例(見圖3),左側為液壓元件的簡要文字說明及實物圖；右側為拆裝實驗的4個實驗板塊：工作原理、結構圖、元件拆裝和自我測評。

圖3 葉片泵虛擬拆裝實驗的首界面

首先,通過工作原理和結構圖實驗板塊,讓學生了解并掌握葉片泵的工作原理及其結構特點。隨后,進入虛擬元件拆裝界面,如圖4所示。每完成一項實驗步驟,系統自動會彈出該實驗步驟評分窗口。在虛擬實驗過程中,如果遇到困難,可點擊“拆裝提示”以尋求幫助。在虛擬實驗完成之后,系統會給出該虛擬拆裝實驗的首評分。完成實驗之后,可點擊返回葉片泵虛擬拆裝實驗的首界面。最后,要求學生完成自我測評。現有題目的種類以選擇題和判斷題為主,在正確選項之后,系統會給出題目的解釋。學生在完成自我測評之后,系統同樣會給出自我測評的總評分。

圖4 葉片泵虛擬拆裝實驗的元件拆裝界面

4.2 液壓基本回路實驗

每個液壓基本回路實驗由2部分組成,以容積節流調速回路實驗為例(見圖5),界面左側為液壓基本回路的簡要文字說明及實物圖,右側為液壓基本回路的4個實驗板塊：回路原理、特性分析、仿真模擬和自我測評。

圖5 容積節流調速回路的首界面

首先,通過回路原理和特性分析的實驗板塊,讓學生了解并掌握容積節流調速回路的工作原理和回路特性。隨后進入虛擬仿真界面,如圖6所示。每完成一項實驗,系統即在實驗界面的左上角給出該實驗步驟評分。在虛擬實驗完成之后,系統會給出該虛擬拆裝實驗的總評分。完成實驗之后,可點擊返回容積節流調速回路的首界面。最后,要求學生完成自我測評?，F有題目的種類以選擇題和判斷題為主,在正確選項之后,系統會給出題目的解釋。學生在完成自我測評之后,系統同樣會給出自我測評的總評分。

圖6 容積節流調速回路的仿真界面

5 結論

液壓虛擬仿真實驗教學平臺的建設以國家級實驗教學示范中心為依托,以“機械專業課實驗(下)”為課程基礎,實現了優質實驗教學資源開放共享、虛實結合,構建了課內課外、線上線下互補的新型實驗教學模式。該實驗教學模式有利于學生自主學習、培養創新意識和實踐能力,全面提高我校機械類專業實驗教學質量,同時積極促進跨學科、跨專業課程的交叉融合。