李仁鎖，王 瑞，張政潑，潘守鵬

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬件和軟件的處理能力不斷提升，虛擬仿真技術(shù)構(gòu)造的虛擬環(huán)境越來越逼真，體驗(yàn)感也越來越真實(shí)[1]。計(jì)算機(jī)在教育教學(xué)和工程訓(xùn)練等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，應(yīng)用層次越來越高。教育部要求基于建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室這一任務(wù)已對(duì)各高校提出并有部分高校已建成?！稄V西教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》（桂政發(fā)〔2021〕35號(hào)）也提出:推動(dòng)建設(shè)一批自治區(qū)一流線上本科課程、線上線下混合式一流課程、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程、職業(yè)教育示范課等。組織開展“互聯(lián)網(wǎng)+教育”示范試點(diǎn)建設(shè)”。

近年來，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展和完善，也因新冠疫情要開展線上教學(xué)而助力推進(jìn)了線上教學(xué)活動(dòng)的全面開展。我國許多高校的機(jī)械類課程以眾多課程的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為依據(jù)，分別依托不同的仿真軟件，開發(fā)出了許多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[2，3]。本文依托桂林航天工業(yè)學(xué)院已有的機(jī)械制造技術(shù)課程線下“機(jī)床拆裝實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，使用UE4虛幻引擎探索開發(fā)逼真的線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以方便疫區(qū)學(xué)生在未返校的情況下進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)和校內(nèi)學(xué)生“線下+線上”實(shí)驗(yàn)的目的。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建思路

首先要對(duì)CA6140普通車床內(nèi)182個(gè)零件進(jìn)行尺寸測繪和數(shù)據(jù)收集；同時(shí)測出我校拆裝室建筑物尺寸和車間內(nèi)桌椅貨物架的尺寸。獲得數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)后，分別在UG中進(jìn)行三維建模和裝配[4]。裝配完成后以STL或STP格式導(dǎo)出。本次實(shí)踐使用的是STL格式導(dǎo)入第三方軟件3Dmax[5]，然后轉(zhuǎn)換成FBX格式導(dǎo)出，再以FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)E4平臺(tái)軟件中。接著在UE4進(jìn)行模型裝配和碰撞體設(shè)置。裝配完成后使用UE4藍(lán)圖編輯功能對(duì)各部件進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作加持。完成相關(guān)功能動(dòng)作設(shè)置后，檢測是否出現(xiàn)動(dòng)作不自然或者有沒有達(dá)到預(yù)想效果，而后進(jìn)行虛擬拆裝機(jī)床零部測試。圖1為技術(shù)路線圖。

圖1 技術(shù)路線圖

2 機(jī)床拆裝虛擬仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

CA6140機(jī)床是由若干個(gè)裝配單元組成，如合件、組件和部件等。在進(jìn)行拆裝時(shí)需要進(jìn)行劃分裝配單元，確定裝配順序，裝配順序確定一般按先下后上、先內(nèi)后外、先易后難、先重大后輕小的規(guī)律進(jìn)行。圖2為部件裝配系統(tǒng)圖。

圖2 部件裝配系統(tǒng)圖

主軸箱內(nèi)部零件多達(dá)182個(gè)，結(jié)構(gòu)形狀又較為復(fù)雜，為了能讓用戶看清楚零件的結(jié)構(gòu)、形狀、位置，可以在系統(tǒng)中設(shè)置第一人稱和第三人稱兩個(gè)視角，并設(shè)置靈活轉(zhuǎn)換。具體辦法是在機(jī)床四周設(shè)置四個(gè)相機(jī)，用戶可根據(jù)提前設(shè)好的按鍵，調(diào)整切換方向視角。

一系列拆卸過程的操作，可以通過VR視點(diǎn)控制，也可以通過鼠標(biāo)控制，本文選擇鼠標(biāo)控制操作。由鼠標(biāo)檢測藍(lán)圖程序，依據(jù)檢測邏輯模型，識(shí)別三維模型后，拖動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)零件的拆裝。

當(dāng)把模型零件從機(jī)床上卸下放進(jìn)正確的區(qū)域中，模型會(huì)顯示拆除成功提示，如果拆卸零件順序不對(duì)，或者拆卸零部件沒有放在正確位置上，會(huì)有聲音、燈光、文字等綜合報(bào)警提示。

3 虛擬機(jī)床拆裝三維造型及裝配

在建模前先把機(jī)床零部件的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行子父級(jí)分類，同時(shí)理清零件之間的位置關(guān)系并進(jìn)行序號(hào)標(biāo)記，以便于后期進(jìn)行建模和裝配。在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，如果模型不在UG中進(jìn)行裝配約束，直接將UG零件模型未用約束的簡單裝配，導(dǎo)入到3Dmax中時(shí)會(huì)發(fā)生零件模型錯(cuò)位重疊現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象出現(xiàn)，需要在UG中零件之間設(shè)置好約束，裝配完成后再導(dǎo)入3Dmax。

為分級(jí)建模及轉(zhuǎn)配路線，圖3所示。

圖3 分級(jí)建模及裝配路線圖

根據(jù)圖3，進(jìn)行軸模塊零件裝配。為確保裝配的有序性，首先對(duì)軸模型中的零件進(jìn)行裝配保存，接著進(jìn)行另一個(gè)軸模型的裝配，最后進(jìn)行主軸箱中各部件升溫裝配。車床由主軸、底座、刀架、進(jìn)給箱、溜板箱、尾座組成。各部件之間存在相互的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速傳遞關(guān)系，在螺紋加工時(shí)還具有轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，所以最后進(jìn)行車床的總裝配時(shí)，應(yīng)該考慮到各零部件之間的復(fù)雜裝配關(guān)系、干涉情況。按圖3對(duì)機(jī)床各個(gè)組成部分進(jìn)行裝配，確認(rèn)無誤后，將模型以STL格式導(dǎo)出。

4 機(jī)床仿真虛擬拆裝設(shè)計(jì)

4.1 藍(lán)圖編程方法的選擇

進(jìn)入虛幻引擎軟件有兩種方式，第一種是直接打開UE4，另一種是通過Epic Games Launcher打開。進(jìn)入后，點(diǎn)擊新建創(chuàng)建新的藍(lán)圖編程項(xiàng)目，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)藍(lán)圖和C++兩個(gè)標(biāo)簽選項(xiàng)。如果直接點(diǎn)擊確認(rèn)，系統(tǒng)默認(rèn)為藍(lán)圖模式，本實(shí)踐采用藍(lán)圖編程模式。因?yàn)樵撃Ｊ揭锥讓W(xué)，只要明白方案的邏輯關(guān)系，連線即可。雖然操作簡單，但是其連線背后的核心行為邏輯，仍然是由UE4軟件平臺(tái)中的C++語言編寫完成。

4.2 機(jī)床仿真拆裝實(shí)驗(yàn)的操作方法選擇

UE4虛擬引擎中控制物體運(yùn)動(dòng)的方法有：VR視點(diǎn)控制、鍵盤按鍵控制和鼠標(biāo)拖動(dòng)控制?？紤]到學(xué)生線上和線下實(shí)驗(yàn)的實(shí)際設(shè)備操作習(xí)慣，在實(shí)踐中選擇了鼠標(biāo)按鍵來控制零部件的移動(dòng)。這種操作簡單便捷，有利于學(xué)生開展仿真實(shí)驗(yàn)。

4.3 虛擬三維模型人物的調(diào)用和設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)的逼真性，可以在仿真軟件中打開Blueprints文件，調(diào)出一個(gè)第三人稱三維小白人。這樣學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)候，可以讓操控視窗中的小白人隨意走動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模擬第三人稱行走操作逼真場景。需要注意的是需要提前調(diào)整好小白人的尺寸，使其與機(jī)床、零件和環(huán)境比例相協(xié)調(diào)，從而避免失真。對(duì)小白人的操作可以通過鼠標(biāo)控制視角方向，通過鍵盤上W、A、D鍵進(jìn)行左右移動(dòng)。操作簡單便捷，類似現(xiàn)在市場上的吃雞游戲。

4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的光學(xué)效果設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境光線效果的逼真性，需要對(duì)光影效果進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。一般需要將兩個(gè)“聚光源”和兩個(gè)“點(diǎn)光源”設(shè)置在車床上方，使零件在任意角度都能夠清晰呈現(xiàn)。為了增加沉浸感和真實(shí)性，在室外場景增加了一個(gè)“天空光照”，在每個(gè)窗戶都增加了一個(gè)“點(diǎn)光源”，使場景達(dá)到一定的光影效果。

4.5 虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)的零件拆裝效果

在零件的拆裝仿真操作時(shí)，為了保證拆裝的正確順序，需要提前指定拆裝工藝流程，并在UE4中按照設(shè)計(jì)好的邏輯編程。在拆卸零件時(shí)，為了模仿拆卸零件的逼真效果，還需要設(shè)置零件和其他物體之間的碰撞現(xiàn)象，并通過UE4的檢測通道的響應(yīng)，使之能被檢測到。如果該零件是從初始位置被拆卸的，會(huì)在該位置顯示半透明狀的零件形態(tài)作為Debug的提示。并提前設(shè)置碰撞的對(duì)應(yīng)的音效和動(dòng)畫提示。如圖4就是拆卸零件的邏輯設(shè)置和藍(lán)圖編程截圖。該邏輯設(shè)計(jì)是用來檢測當(dāng)前指向的是，拆下的零件是否正確放置在工具箱。正確的放置位置已經(jīng)提前設(shè)置在了工具箱上，并設(shè)置其為可以被檢測的物體，當(dāng)放置正確時(shí)，其碰撞檢測通道為[工具箱]。如果碰到工具箱，返回“真”，否則返回“假”。

圖4 拆卸零件的邏輯設(shè)置流程圖

5 拆裝室虛擬場景布局以及拆裝實(shí)驗(yàn)講解

當(dāng)場景中的模型、光照、和車床的藍(lán)圖類設(shè)置完成后將裝飾品模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，由于裝飾品碰撞體范圍要求不高，所以裝飾碰不用進(jìn)行碰撞設(shè)置。最后進(jìn)行環(huán)境布局并對(duì)未上材質(zhì)的模型賦予材質(zhì)。經(jīng)過前期的各項(xiàng)邏輯設(shè)計(jì)和UE4的藍(lán)圖編程，已經(jīng)將規(guī)劃方案內(nèi)容邏輯和軟件中的功能實(shí)現(xiàn)。這時(shí)在虛幻引擎的視圖窗口上邊欄點(diǎn)擊“播放”按鈕，然后操作鼠標(biāo)或鍵盤“W、A、S、D”鍵，進(jìn)入虛擬場景操作小白人行走仿真操作。

通過控制小白人從實(shí)驗(yàn)室外部場景進(jìn)入拆裝實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)接近虛擬場景中的機(jī)床后，機(jī)床UI面板將出現(xiàn)文字、聲音的操作功能提示，以及用戶需要完成仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的提示。按照這些面板上出現(xiàn)的操作提示，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)軟件的電腦操作。比如虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，通用夾具——三角卡盤的拆卸：首先按照提示選取正確工具——扳手，然后通過鼠標(biāo)操作扳手將卡盤連接的逐一螺栓卸下，卸下的螺栓要放入正確的位置——桌面托盤中，接著更換正確工具——鋁棒，將三抓卡盤往刀架方向敲打，觀察得到松動(dòng)后，放下工具，用鼠標(biāo)（或模擬手）取三角卡盤，最后將三角卡盤放入正確位置。從而完成三角卡盤的虛擬拆卸工作。從三角卡盤的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作可以看出，無論從場景還是操作流程上，虛擬實(shí)驗(yàn)如同線下實(shí)際操作一樣，都是逼真的。安裝時(shí)按照反向安裝步驟，用戶將三抓卡盤裝回相應(yīng)位置時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別位置變量將卡盤裝回原位，從而完成虛擬機(jī)床零件的拆裝操作。

6 結(jié)語

通過采用實(shí)際測繪獲得線下實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)在UG中進(jìn)行零件建模和機(jī)器裝配，接著使用3Dmax對(duì)環(huán)境美化，最后依據(jù)設(shè)計(jì)好的虛擬仿真試驗(yàn)方案，借助UE4虛幻引擎完成邏輯和動(dòng)作編程，從而完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)。在實(shí)踐中完成和獲得的成果：182個(gè)機(jī)床零件的UG建模，6個(gè)機(jī)床部件和一個(gè)機(jī)床的三維模型裝配；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)；UE4藍(lán)圖編程和一個(gè)機(jī)床拆裝虛擬仿真平臺(tái)。通過初期校內(nèi)學(xué)生的“線下+線上”教學(xué)的實(shí)踐和校外疫區(qū)學(xué)生的線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果來看，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)逼真、操作流程正確、認(rèn)識(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>