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基于虚拟技术的机械基础实验仿真教学系统设计 摘要：虚拟现实技术凭借其交互性、沉浸性、仿真性逐渐成为高校教学的一个重要发展方向。基于VR技术，利用虚拟现实开发平台Unity 3D开发了一款能够应用于机械设计基础实验课的结构分析和虚拟拆装教学系统。使用者可以对机械零部件进行结构分析和交互式虚拟拆装，节约了教学经费投入，突破了传统实验课的限制。 虚拟现实(Virtual Reality)，简称VR技术，是采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成的一种虚拟环境，具有交互性、沉浸性、仿真性等多种特性机械设计基础是一门理论性和实践性均较强的专业课程，既强调知识的综合性、实用性，又强调创新能力、综合分析和解决实践问题的能力1 系统总体框架设计1.1 设计目的系统以机械设计理论知识为基础，让学生在虚拟的实验环境中通过点击移动鼠标，自由拆装典型机械零部件，查看每一个零件的结构，观察传动机构运动仿真等学习方式，能够对机械结构有较为真实的感受，对抽象的理论知识有较为清晰，增强学生的理论水平、工程设计能力和实践动手能力，培养学生创新能力。1.2 系统功能模块设计以典型机械零部件为研究对象，开发具有交互式，仿真性的虚拟仿真教学系统。系统主要由四大功能模块组成，主要框架如图1所示。1)实验预习模块。如图1系统总体框架图所示，实验预习模块包含实验目的原理、仪器设备、方法和步骤以及实验考核要求4个二级功能模块，用文字说明及浏览的方式使学生实验前对该实验充分了解，在复习理论知识的同时理解实验内容。功能模块实验效果如图2所示。2)运动仿真模块。运动仿真模块可以让机械零部件的外壳变得透明，学生能观察到内部齿轮等传动机构系统的工作。在开始实验后，首先进入的就是运动仿真模块，学生可以学习三种典型机械结构的运动情况，为后续虚拟拆装做准备。运动仿真模块效果如图3所示。3)模型缩放旋转模块。模型旋转缩放是系统沉浸性的重要体现，学生可以通过鼠标右键实现模型旋转功能，鼠标中键滚动实现模型缩放功能。4)虚拟拆装模块。虚拟拆装模块是系统的主要功能模块，学生可通过点击旋转鼠标等方式拖动零件进行交互式拆装。开始实验后，会出现齿轮泵、二级齿轮减速器、RV减速器3个按钮。任意点击一个即可进入相应的四级功能模块，出现自动装配、自动拆解、手动拆装按钮，实现相应功能。功能模块效果如图4所示。2 系统开发与实现2.1 开发平台与工具系统开发平台选用Unity 3D，其拥有较高的跨平台性，可发布至Windows、Mac、iPhone、Android等多个平台；3D建模软件使用Solidworks；三维渲染优化软件采用3Ds MAX，其模型优化功能强大，在减少存储体积的同时可保持模型精度尺寸。具体开发平台与工具如表1所示。2.2 开发流程系统开发流程：以Unity3D为开发平台进行VR制作。首先运用SolidWorks建立机械零部件模型并导入3Ds MAX完成模型渲染优化，再将优化后模型导入Unity 3D平台通过C#编写相关脚本实现系统各项功能，最后发布到相应平台，利用平台设备对虚拟实践教学系统进行效果展示。系统开发流程图如图5所示。2.3 机械零部件模型的建立和优化机械零部件模型是虚拟仿真的主体，建模时可以将一些对虚拟拆装影响不大的结构进行合理省略，起到简化模型效果。模型建立完成后，将文件导入3Ds Max进行模型优化和坐标轴调整。模型优化功能可以在不影响模型精度的条件下减少模型面的数量，减少存储体积。坐标轴调整可以方便在Unity3D中的后续开发。2.4 模型虚拟场景搭建将优化好的三维模型保存为MAX或FBX格式文件后，导入到Unity3D软件中并做添加材质和展台等操作。将模型放置在展台上，模仿真实的实验室放置环境，完成模型虚拟场景的搭建。2.5 模型自动拆解与装配功能实现本系统通过Unity 3D录制拆解和装配动画的方式实现相应的功能。以零部件实际工况下的拆解与装配过程为设计准则，录制整个拆解与装配的过程动画，为下一步的手动拆装提供参考。实现效果如图6所示。2.6 模型手动拆装功能实现实现手动拆装功能需要对零件做添加碰撞控件并挂载脚本的操作，以达到用鼠标自由拖动、放置零件的效果。功能实现效果如图7所示。2.7 视角交互功能的实现用鼠标调整观察视角的操作方式可以让用户有更直观，更具沉浸性的体验。其主要实现原理是通过脚本捕获鼠标移动和滚轮，以此调整摄像机的角度和位置。2.8 运动仿真功能实现运动仿真功能可以让学生清晰的观察到机械零部件内部齿轮的运作情况。功能主要实现原理是把相应脚本挂