基于Unity3D的減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

陳愛群 張敏

摘要：分析了高校機(jī)械類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中普遍存在的難題，結(jié)合Unity3D虛擬引擎開發(fā)了減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺分6個模塊：新手上路，實(shí)驗(yàn)守則，軟件簡介，軟件說明，結(jié)構(gòu)認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)分2個子模塊：減速器結(jié)構(gòu)與工作原理，減速器拆裝，兩個子模塊都配有練習(xí)考試環(huán)節(jié)。該文詳細(xì)介紹了減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺減速器結(jié)構(gòu)與工作原理，減速器拆裝的教、練、考環(huán)節(jié)的操作方法及該平臺的開發(fā)流程。

關(guān)鍵詞：減速器;unity3d;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0049-03

機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)是高校機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程中必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生認(rèn)識并了解機(jī)械零件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)及組成，并近距離觀察機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程，同時(shí)掌握機(jī)器操作和拆裝的方法，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的目的，使學(xué)生實(shí)踐能力得到鍛煉。然而，機(jī)械原理與設(shè)計(jì)課程中涉及的儀器設(shè)備有的笨重龐大，有的精密儀器貴重易壞，存在管理繁雜和購置等各方面的困難，在設(shè)備數(shù)量有限的情況下，不可能使每位學(xué)生都能近距離觀察和操作，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)的軟件及設(shè)備不斷更新，機(jī)械仿真實(shí)驗(yàn)平臺已經(jīng)走進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室，本文提出的減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用Unity3D技術(shù)將減速器拆裝及操作過程進(jìn)行了虛擬呈現(xiàn)，使學(xué)生不但在實(shí)驗(yàn)室，還可以在手機(jī)上隨時(shí)隨地可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概況

減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺功能設(shè)計(jì)，如圖1所示。

2 平臺典型模塊設(shè)計(jì)

減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要分6個模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)：新手上路，實(shí)驗(yàn)守則，軟件簡介，軟件說明，結(jié)構(gòu)認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)分2個子模塊：減速器結(jié)構(gòu)與工作原理，減速器拆裝，兩個子模塊都配有練習(xí)考試環(huán)節(jié)。平臺主菜單包含了8個引導(dǎo)功能：任務(wù)，考試切換，觀察模式，最佳視角，幫助，系統(tǒng)配置，關(guān)于我們，退出，在任務(wù)下拉菜單中有6個選項(xiàng)：新手上路，實(shí)驗(yàn)守則，軟件簡介，軟件說明，結(jié)構(gòu)認(rèn)知，試驗(yàn)教學(xué)，如圖2所示。

2.1 新手上路

單擊主菜單欄“任務(wù)”，在下拉菜單選擇“新手上路”。使用第一人稱視角漫游功能，按W鍵前移，按S鍵后退，按A鍵左移，按D鍵右移，按Q鍵旋轉(zhuǎn)。向前滾動鼠標(biāo)中軸場景縮小，向后滾動鼠標(biāo)中軸場景放大，同時(shí)按住鼠標(biāo)中軸和右鍵平移場景。

2.2 軟件簡介

單擊“任務(wù)”下拉菜單的第3個選項(xiàng)“軟件簡介”，主要介紹了減速器結(jié)構(gòu)分析與拆裝仿真軟件的功能。

2.3 軟件說明

單擊“任務(wù)”下拉菜單的第4個選項(xiàng)“軟件說明“，介紹了減速器結(jié)構(gòu)與工作原理仿真實(shí)驗(yàn)軟件是基于Unity5.5.2開發(fā)的仿真系統(tǒng)，具有教、練、考的功能，設(shè)置了新手上路、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、試驗(yàn)教學(xué)演示的功能，學(xué)習(xí)者可通過仿真實(shí)驗(yàn)了解減速器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。

2.4 減速器結(jié)構(gòu)認(rèn)知

選擇“任務(wù)”下拉菜單的“結(jié)構(gòu)認(rèn)知”，將鼠標(biāo)移到仿真實(shí)驗(yàn)平臺的減速器上藍(lán)色大齒輪，會出現(xiàn)一根引導(dǎo)線及說明文字“大齒輪”，再分別移到減速器其他零部件，用戶可清楚地了解端蓋、軸承、錐齒輪、錐齒輪軸、小齒輪、機(jī)體、軸等主要部件及所在位置，如圖3所示。

2.5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩個部分：減速器工作原理和結(jié)構(gòu)分析，也是該虛擬仿真平臺的主要內(nèi)容。

2.5.1 減速器工作原理

單擊主菜單“任務(wù)”→“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”→“減速器工作原理”，進(jìn)入工作原理動態(tài)演示界面，第1步減速器端大小齒輪的端蓋螺絲閃爍，提示用戶點(diǎn)擊螺絲，螺絲全部擰開，系統(tǒng)語音提示“擰開螺絲”，螺絲移出并停留三秒消失，第2步機(jī)蓋閃爍向上移動停留三秒后消失，第3步輸入軸驅(qū)動，為了觀察方便，在屏幕右上角會出現(xiàn)圓形區(qū)域，將輸入軸驅(qū)動過程放大顯示，第4步錐齒輪轉(zhuǎn)動，特寫區(qū)域演示錐齒輪轉(zhuǎn)動細(xì)節(jié)，第5步小齒輪轉(zhuǎn)動，第6步大齒輪轉(zhuǎn)動，提示紅色的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)箭頭，第7步輸出軸轉(zhuǎn)動，每一步連動演示都會出現(xiàn)相應(yīng)零部件閃爍點(diǎn)擊動畫區(qū)域→動畫演示→字幕顯示→語音提示，步驟清晰，并且細(xì)節(jié)展示完整，仿真度較高，全程要求用戶參與人機(jī)交互，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)部件產(chǎn)生動畫，如圖4所示。

2.5.2結(jié)構(gòu)分析

單擊主菜單“任務(wù)”→“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”→“結(jié)構(gòu)分析”，系統(tǒng)按順序逐個顯示輸入軸à齒輪→輸出軸→底座四個主要部件，并且對相應(yīng)部件邊緣輪廓以黃色高亮閃爍進(jìn)行重點(diǎn)強(qiáng)化顯示。

2.5.3減速器拆卸

單擊主菜單“任務(wù)”→“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”→“減速器拆卸”，系統(tǒng)按減速器拆卸的步驟提示用戶進(jìn)行交互，擰開螺絲→拆卸端蓋拆→卸前蓋→拆卸軸承→搬開機(jī)蓋→拆卸輸入軸→拆卸錐齒輪→拆卸小齒輪→拆卸輸出軸→拆卸大齒輪，每步操作過程相應(yīng)零部件閃爍→用戶點(diǎn)擊動畫區(qū)域→拆卸動畫演示→字幕顯示→語音提示，界面友好，可操作性強(qiáng)，如圖5所示。

2.6 練習(xí)環(huán)節(jié)

練習(xí)環(huán)節(jié)是用戶在沒有高亮提示及語音講解情況下，憑記憶進(jìn)行減速器工作原理、拆卸過程操作，從而達(dá)到強(qiáng)化訓(xùn)練的目的。單擊“同步練習(xí)”選項(xiàng)，會彈出解密權(quán)限的登錄窗口，輸入用戶名和密碼，操作中如出現(xiàn)操作錯誤，系統(tǒng)會提示“此操作錯誤”窗口。

2.6.1 工作原理同步練習(xí)

進(jìn)入“工作原理”同步練習(xí)環(huán)節(jié)，按以下順序完成7個練習(xí)點(diǎn)：單擊螺栓（擰出） à鼠標(biāo)左鍵上移機(jī)蓋à單擊輸入軸à單擊錐齒輪à單擊小齒輪à單擊大齒輪à單擊輸出軸，如圖6所示。

2.6.2 減速器拆卸練習(xí)環(huán)節(jié)

進(jìn)入減速器拆卸同步練習(xí)環(huán)節(jié)，按以下順序完成10個練習(xí)點(diǎn)：單擊扳手?jǐn)Q開螺絲→單擊端蓋拆卸端蓋→單擊前蓋拆卸前蓋→單擊軸承拆卸軸承→單擊機(jī)蓋搬開機(jī)蓋→單擊輸入軸拆卸輸入軸→單擊錐齒輪拆卸錐齒輪→單擊小齒輪拆卸小齒輪→單擊輸出軸拆卸輸出軸→單擊大齒輪拆卸大齒輪。

2.7 考試環(huán)節(jié)

考試環(huán)節(jié)也分為工作原理和減速器拆卸兩個部分，單擊“考試”按鈕，彈出輸入考試信息窗口，輸入姓名和學(xué)號，進(jìn)入考試環(huán)節(jié)。

2.7.1 工作原理

工作原理考試環(huán)節(jié)按7個考點(diǎn)進(jìn)行考核：單擊螺栓擰開螺栓à單擊機(jī)蓋抬起機(jī)蓋à單擊輸入軸輸入軸轉(zhuǎn)動à單擊錐齒輪錐齒輪轉(zhuǎn)動à單擊小齒輪小齒輪轉(zhuǎn)動à單擊大齒輪大齒輪轉(zhuǎn)動à單擊輸出軸輸出軸轉(zhuǎn)動，操作過程中屏幕右下角會出現(xiàn)當(dāng)前操作時(shí)長，向右奔跑的卡通人，當(dāng)這一步操作迅速而且正確，卡通人會吃掉一個水果，有3種水果，草莓計(jì)1分，蘋果計(jì)2分，西瓜計(jì)3分，訓(xùn)練用戶操作速度操作完成后系統(tǒng)彈出交卷窗口，點(diǎn)擊“確定”按鈕交卷，即彈出排行榜，顯示當(dāng)前考試成績及排名及獲得的水果數(shù)，如圖7所示。

2.7.2 減速器拆卸

減速器拆卸考試環(huán)節(jié)按10個考點(diǎn)進(jìn)行考核：輸入考試信息à單擊扳手?jǐn)Q開螺絲à單擊端蓋拆卸端蓋→單擊前蓋拆卸前蓋→單擊軸承拆卸軸承→單擊機(jī)蓋搬開機(jī)蓋→單擊輸入軸拆卸輸入軸→單擊錐齒輪拆卸錐齒輪→單擊小齒輪拆卸小齒輪→單擊輸出軸拆卸輸出軸→單擊大齒輪拆卸大齒輪→交卷→成績排名。

3 減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)

減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺運(yùn)用了Unity3D技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)步驟為：

1）在Pro/E軟件中參照減速器實(shí)物進(jìn)行三維建模，并將文件另存為dwg格式;

2）3dsmax可識別Pro/E生成的dwg文件，將減速器三維建模導(dǎo)入3dsmax軟件中，刪除不需要的線條和圖層，不需要設(shè)置材質(zhì)和貼圖，也不需要制作動畫，再將文件導(dǎo)出為FBX格式;

3）將減速器三維建模的FBX格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，用英文標(biāo)注減速器各零部件的名稱，以便在編程和參數(shù)設(shè)置過程中便于Unity3D識別;

4）使用C#編程語言編寫Unity3D的交互代碼，如旋轉(zhuǎn)、消失、高亮顯示、彈窗等，在Unity3D相應(yīng)的參數(shù)面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置即可完成各種仿真實(shí)驗(yàn)的交互。

4 結(jié)束語

當(dāng)今是“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代，云物大智移各項(xiàng)技術(shù)都在為各行各業(yè)服務(wù)，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)教學(xué)資源已逐漸成為大中小學(xué)課程資源的必要條件，特別對于高校工科類課程，本文設(shè)計(jì)的減速器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，運(yùn)用了Unity3D技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，可以生成電腦單機(jī)版exe可執(zhí)行文件，也可導(dǎo)出apk在手機(jī)客戶端直接運(yùn)行，既解決了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備昂貴稀少，學(xué)生無法訓(xùn)練的難題，也豐富了教師課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，操作簡單仿真度高，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也強(qiáng)化了學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握，該平臺可為其他同類型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張俊，孫樹禮.基于虛擬技術(shù)的減速器仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，22（6）：36-40.

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【通聯(lián)編輯：王力】