面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发.pdf

2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.1634342023.082023.08收稿日期：2023-02-03基金项目：贵州省 2022 年高等学校教学内容和课程体系改革项目（2022062）面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发韩粤华，罗国宇（贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025）摘 要：虚拟仿真实践教学平台具有较强的交互性、沉浸性、仿真性，能有效激发学生的学习兴趣，达到以虚促实、虚实结合的教学目的。为弥补传统汽车底盘构造实践教学中设备更新慢、数量少、易受空间限制等问题，利用虚拟仿真实践教学手段辅助现实实践教学的方法，开发了一款基于 Unity3D 软件的虚拟拆装实践教学平台。该平台以现实实践教学要求为依据，设置了多个教学模块，有助于提高教学效率，降低实践教学成本。关键词：汽车底盘构造；虚拟现实；实践教学平台；Unity3D中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）16-0034-06Development of Virtual Disassembly and Assembly Practice Teaching Platform for Automobile Chassis Construction TeachingHAN Yuehua,LUO Guoyu(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guizhou Normal University,Guiyang 550025,China)Abstract:Virtual simulation practice teaching platform has strong interaction,immersion,simulation,can effectively stimulate students interest in learning,so as to achieve the teaching purpose of promoting reality by virtual,virtual and real combination.In order to make up for the problems such as slow equipment update,small quantity and easy to be restricted by space in the practice teaching of traditional automobile chassis construction,a virtual disassembly and assembly practice teaching platform based on Unity3D software is developed by using virtual simulation practice teaching method to assist real practice teaching.Based on the requirements of real practice teaching,the platform sets up multiple teaching modules,which helps to improve the teaching efficiency and reduce the cost of practice teaching.Keywords:automobile chassis construction;Virtual Reality;practice teaching platform;Unity3D0 引 言近几年，我国对经济发展提出了更高的要求，科技创新上升到了一个新的高度，机械产业的发展愈加精细化、复杂化。为达到机械自动化生产的目的，培养从业人员对高校中各种机械相关知识学以致用的能力，计算机技术与机械专业教育培训高度融合1。虚拟现实技术（简称 VR）有着独特的沉浸性和交互性特点，是被广泛应用的计算机技术之一。在国家政策及行业发展的推动下，虚拟现实技术在机械设计、生产、培训等多方面得以研究和应用，不仅帮助行业生产降低了成本、缩短了设计周期，还为企业生产营造出了安全可靠的生产环境2，3。高校作为培养从业人才的摇篮，也在大力发展虚拟教学来弥补传统教学的不足。许多高校研究人员结合课程需要开发了一系列基于虚拟现实技术的实践DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.008教学系统，投入使用后取得了良好的效果4-6。汽修专业的虚拟教学研究涵盖了汽车整车构造虚拟拆装实训和汽车局部系统虚拟实验教学两方面，例如徐劲力在增强现实环境下对汽车后桥虚拟拆卸系统的完善7、王建华针对汽车整车构造教学的虚拟拆装实训平台的研究等8。汽车底盘构造实践教学是高校汽修专业的重要教学环节，其中包含了传动系、行驶系、转向系和制动系四大部分的结构拆装与维修，有着结构复杂、零部件多、更新快、不同类型的汽车底盘结构不尽相同等特点9。而传统的汽车底盘构造实践教学很难保证有足够多的新式教具，并且教学过程中操作稍有不当便会造成教具磨损和丢失。此外，当前正处在后疫情时代，实践教学这一类受空间限制的课程受到严重影响，导致理论教学与实践教学严重脱节10。因此，将虚拟现实技术应用到汽车底盘构造拆装与维修实践教学中，继续运用虚拟现实技术克服实践教学的不足十分有必要。本文基于 Unity3D、SolidWorks、3Ds Max 等软件搭建虚拟拆装的实践教学平台，利用 C#编程和现代信息科技8月下16期.indd 34现代信息科技8月下16期.indd 342023/8/15 17:38:032023/8/15 17:38:0335352023.082023.08第 16 期XDreamer 插件实现平台的层级跳转、动态交互以及主要功能逻辑控制。具有虚拟仿真效果的实践教学平台可与现实实践教学相结合，彼此互补，不仅可扩大实践教学的受众范围、提升教学的精准性，还可让学生不受时间和空间限制自主学习，重复操作，能有效培养学生的学习自主性。1 汽车底盘构造典型结构分析和运作原理平台以汽车底盘制动系统中的车轮制动器为对象进行案例开发。车轮制动器是制动系统产生制动力、阻碍车轮运动或运动趋势的部件，主要有盘式制动器和鼓式制动器两大类。为让教学内容贴近行业发展，盘式制动器选取奥迪 S6 前轮制动器，其为固定式六活塞卡钳+通风盘的组合结构。鼓式制动器以东风牌EQ3092FJ自卸车的后轮领从蹄式制动器为例。两种典型制动器的结构及运作原理如图 1 所示。（a）盘式制动器运作原理（b）鼓式制动器运作原理图 1 车轮制动器结构组成与运行原理盘式制动器主要由制动盘、卡钳和制动块组成。制动盘是盘式制动器的旋转部件，通过螺栓与轮毂相连，与轮毂同步旋转。卡钳是执行制动的核心装置，制动总泵传递来的液压力经过卡钳转换为机械作用力。在液压力的作用下，活塞推动制动块夹紧制动盘，从而产生制动力完成制动。鼓式制动器主要由制动蹄和制动鼓组成。制动鼓是鼓式制动器的旋转部件，内侧与轮毂相连，与轮毂同步旋转。制动总泵传送到分泵的制动液压力使制动蹄片张开压紧在旋转的制动鼓上，制动蹄片与鼓之间产生的摩擦力使制动鼓和车轮减速直至停止转动。2 平台总体方案设计及开发流程2.1 总体方案设计开发虚拟拆装实践教学平台主要用于辅助现实实践教学，作为现实教学的补充。因此，在参考汽车底盘构造拆装与维修实践教学的教学要求和课程标准后，系统中设置了制动器认知学习、虚拟拆装演示、手动拆装练习、制动器维修与检测知识学习和虚拟拆装考试模块。模块间的顺序参照实际的拆装教学顺序和学生的认知特点设置，并添加了简洁明了的操作界面和交互功能。2.1.1 制动器认知学习模块认知学习模块的目的是加深学生对制动器结构的理解，掌握不同类型制动器的运行原理和应用范围。该模块使用 UI 文字对制动器的运行原理进行解释说明，并通过动画的形式仿真出两种车轮制动器的内部运作情况。在模块的界面中设置“制动”和“松开”按钮，学生可通过鼠标点击按钮实现对制动器运行动画的控制。此外，为让学生能 360 旋转观察制动器的内部结构，将车轮及制动器的外壳等部分结构添加了透明材质。功能效果如图 2 所示。图 2 制动器认知学习模块2.1.2 虚拟拆装学习模块虚拟拆装演示功能可代替教师的示范教学，手动拆装练习功能可以帮助学生掌握拆装步骤、拆装流程，虚拟拆装考试模块可快速检验学生对制动器拆装学习的掌握情况。针对这些实践操作模块，模韩粤华，等：面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发现代信息科技8月下16期.indd 35现代信息科技8月下16期.indd 352023/8/15 17:38:042023/8/15 17:38:043636第 16 期现代信息科技2023.082023.08块界面中设置了拆装步骤列表、拆装演示进度条、拆装考试答题列表、工具栏和提示栏等。学生通过拖动或点击模型来进行拆装练习，根据拆装步骤需要选择工具辅助拆装，并可通过鼠标点击提示栏按钮来帮助完成练习和考试，增强了虚拟拆装的交互性和便利性。此外，在拆装考试模块中还提供了答题、跳过和计分等功能，学生每完成一个步骤的正确操作，便做计分处理，最后根据累计计分得出学生的拆装考试成绩。此部分效果如图 3、图 4、图 5 所示。图 3 自动拆装演示模块图 4 手动拆装练习模块图 5 拆装考试模块2.1.3 制动器维修与检测知识学习模块车轮制动器的检测和维修主要针对制动盘厚度磨损、摩擦片磨损等方面。对于制动器常见维修知识点，在三维模型中将制动盘、摩擦片等零部件添加三维标注点进行标记，学生点击标记点便会弹出相应的维修知识，以此来完成对车轮制动器的检测和维修知识点的学习。维修与检测知识学习模块界面如图 6 所示。图 6 维修与检测知识学习模块2.2 开发流程平台开发主要基于 Unity3D 引擎，但因其无法进行复杂的结构建模，固先在专业机械建模软件SolidWorks 中进行三维模型构建。构建好的模型导入 3Ds Max 软件中进行模型的坐标调整和优化，然后保存为 FBX 格式文件导入 Unity3D 的资源库中备用。在 Unity3D 引擎中使用 XDreamer 插件以及给相应模型挂载脚本的方式实现平台界面跳转、动态交互等功能，搭建好平台后根据教学需要打包发布在多方平台中，供教学使用。开发流程如图 7 所示。SolidWorks三维建模3D Max优化模型坐标STL格式Unity3D场景搭建、逻辑控制、动态交互FBX格式汽车底盘构造虚拟拆装实验平台Visual Studio 2019C#编程XDreamer插件平台发布PC端、Android平台图 7 虚拟拆装实践教学平台开发流程3 虚拟拆装教学平台的技术实现3.1 制动器三维模型创建盘式制动器、鼓式制动器的三维模型是平台开发所需的主要模型。参考汽车车轮以及车轮制动器的尺寸，首先在SolidWorks软件中使用圆角、拉伸切除、镜像等命令进行车轮制动器的零部件建模，将构建好的零部件通过重合、同轴心等配合关系进行装配。两种车轮制动器的三维模型如图 8 所示。为让虚拟拆装实验过程更加贴近现实教学，对拆装过程所需工具（如套筒扳手等）也进行了三维模型构建。现代信息科技8月下16期.indd 36现代信息科技8月下16期.indd 362023/8/15 17:38:042023/8/15 17:38:0437372023.082023.08第 16 期 （a）盘式制动器 （b）鼓式制动器图 8 车轮制动器三维模型3.2 用户界面层级跳转用户界面 UI（User Interface）主要负责用户与平台之间的交互，主要用户界面如图 9 所示。平台将两种制动器的虚拟拆装分别放置在两个场景中，在主界面设置跳转按钮，并在按钮下挂载脚本实现场景的跳转。实现场景跳转主要引用的是SceneManager 类，调用类下面的 loadSceneAsync 方法，获取不同场景对应的数值。根据教学需要设置的几个教学模块之间的层级跳转也是通过在 UI 界面中设置的相应按钮上挂载层级跳转脚本来控制操作。实现模块中层级跳转部分代码如下：public class ScreensManager:MonoBehaviour publicGameObject Panels;public void ShowLearnPanel(GameObjectnewPanel)for(int I=0;I2次否跳过（不计分）计分是最后一道 测试题？显示答题结果返回主页是否图 12 车轮制动器拆装考试流程3.6 平台发布Unity3D 引擎不仅可以在多种操作系统中进行开发，而且还支持在 PC、Android、Mac 等多个平台发布。为方便学生能随时随地学习和操作，以下给出在 PC 端以及 Android 平台发布的操作步骤。在 PC 端发布可根据自己需要在 File 菜单下的Player Settings 中更换.exe 文件的图标、更改程序的名称以及去掉 Unity3D 引擎的标识等，最后点击Build 选项直接导出在本地文件夹中便可使用。在移动端发布需要考虑 UI 画布与移动端屏幕的适应问题，需将画布的尺寸模式设置为自适应，其他普通设置与 PC 端无异。其次因移动端的脚本语言是 Java，因此需配置相对应的 SDK、JDK 等开发工具包，再将平台转换为 Android，点击 Build 选项生成 apk 文件，最后安装在移动端便可使用。4 结 论本文以车轮制动器为例介绍了面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台的搭建流程和技术要点，在平台开发过程中使用 XDreamer 插件大大简化了开发流程、缩短了开发时间。平台中设置的大量交互性功能，能使学生最大限度地参与到学习中，激发学生的学习兴趣。该平台的应用还能有效弥补现实实践教学设施陈旧、数量短缺等问题。参考文献：1 顾懂懂.机械设计制造及其自动化计算机技术的应用及设计趋势 J.现代制造技术与装备，2020，56（8）：191-192.2 王秀萍，程文明，梁晓波，等.基于 VR 的起重运输机械培训仿真系统的研究 J.机械设计与制造，2015（7）：223-226.3 朱金达，高思齐，张嘉钰，等.基于虚拟现实技术的高强钢筋螺纹加工生产线设计与仿真 J.数字印刷，2022（1）：61-68+82.4 张俊，吴央芳，张天宇.基于虚拟技术的机械基础实验教学平台设计与实现 J.实验室研究与探索，2021，40（4）：179-183.5 陈敏捷，羊荣金，沈孟锋.虚拟现实技术在液压传动实验教学中的应用研究 J.实验技术与管理，2018，35（4）：136-139.6 冯桂珍，池建斌，邢海军，等.基于 Unity3D 的减速器虚拟拆装实验 J.图学学报，2018，39（2）：304-308.7 徐劲力，牛强强，陈春晓.增强现实环境下汽车后桥虚拟拆卸系统的设计 J.机械设计与制造，2021（6）：215-218.8 王建华，刘茂淳，翁敬怡，等.面向汽车构造教学的虚拟拆装实训教学平台 J.实验室研究与探索，2018，37（10）：254-257+265.（下转 44 页）现代信息科技8月下16期.indd 38现代信息科技8月下16期.indd 382023/8/15 17:38:052023/8/15 17:38:054444第 16 期现代信息科技2023.082023.08图 12 校园导览模式界面1）软件启动后进入初始化界面，界面包括“自由游览”“校园导览”和“退出”三个选项。2）自由游览模式中，用户界面只包含操作提示按钮、背景音乐按钮、返回主界面按钮和小地图这四个元素，界面简洁，将画面中的元素控制到最少以减少元素过多给用户带来的干扰，增强用户自己探索的趣味性。用户可通过鼠标和键盘来控制摄像机的移动，可自由穿梭在校园之中，熟悉校园建筑。3）校园导览模式是在自由游览的基础上，添加了建筑导航和互动功能，用户仍然可以像在自由游览模式中自由控制摄像机的移动。底部菜单栏包括“公共服务”“教学楼列表”“宿舍楼列表”和“餐厅列表”四种选项，选中任一即可在左侧显示导航栏，镜头也会自动移动到目标类建筑处。菜单栏上方的小三角可以隐藏界面上各类按钮，使界面更加清晰可观。左侧导航栏包含下拉框和“视角环绕”按钮。下拉框中显示列表包含的各建筑，点击任一建筑，视角移动至选中建筑处，建筑呈现在界面中间。导航栏可点击右上方箭头按钮隐藏，再点击下方菜单栏中的选项可唤出导航栏。选中下拉框中的选项，点击下方“视角环绕”，视角围绕该建筑旋转，可“取消环绕”停止环绕。点击目标建筑上对应的标识框，可查看建筑介绍，介绍界面的右下角可开启/关闭语音讲解。校园导览界面除了包含自由游览模式中的三个按钮外，还有图标按钮和跳转官网按钮。点击图标按钮可开启/关闭界面中的建筑图标，跳转官网按钮可跳转到相应建筑的官方页面。界面右下角显示小地图，可以看到主摄像机目前所在位置。小地图下方“返回主界面”，点击返回最初菜单界面。4）点击“退出”，退出软件。5 结 论利用 ContextCapture 实景建模软件，能生产出精度很高的建筑模型，速度快，效率高，大大缩短了开发周期。在建筑模型的基础上再依托 Unity 游戏引擎的强大功能，模拟真实的校园，实现虚拟校园，不仅可为用户提供快速、便捷的“云游校园”服务，增加了解学校的途径，更能为校园设计者们方便系统地对学校结构进行分析，为日后的布局作出合理的规划。倾斜摄影建模和 Unity 引擎的结合一定也可在其他行业大放异彩。参考文献：1 汪光跃，彭杨，张茂军.基于 Unity3D 的大规模倾斜摄影模型加载策略 J.计算机应用，2019，39（S2）：194-198.2 管练武，丛晓丹，张庆，等.基于微惯性与 Unity3D的室内滑雪教学与训练可视化系统设计 J.实验技术与管理，2021，38（10）：152-156.3 李遇涵.基于 Unity3D 的虚拟校园漫游系统的研究 D.武汉：华中科技大学，2019.4 李兴久.浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用 J.测绘标准化，2021，37（1）：75-78.5 王倩，刘攀.基于无人机倾斜摄影的智慧校园三维建模应用研究 J.科技创新与应用，2022，12（30）：49-51+55.6 向华林，李秉兴.单镜头无人机倾斜摄影测量的三维建模及精度评估 J.测绘通报，2022（S2）：237-240.7 唐云龙，陈平.基于 3ds max 和 unity 3d 技术的校园虚拟漫游系统设计 J.现代商贸工业，2022，43（16）：246-248.8 杨文阳，孟青青.交互式数字校园虚拟漫游系统应用平台 J.计算机系统应用，2021，30（9）：92-97.9 JACKSON S.Unity UI 设计 M.张骞，译.北京：清华大学出版社，2017.10 宣雨松.Unity3D 游戏开发：第 2 版 M.北京：人民邮电出版社，2020.作者简介：徐杰（2002），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；孙大洋（2002），男，汉族，江苏宿迁人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术；胡怡（2001），女，汉族，江苏无锡人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术。9 金智林.虚实结合的汽车底盘构造智慧教学方法研究 J.时代汽车，2022（6）：43-45.10 段红艳，王建锋.后疫情时代虚拟现实技术在汽车底盘构造与维修实训教学中的应用 J.时代汽车，2022（15）：45-47.作者简介：韩粤华（1996），女，仡佬族，贵州石阡人，硕士研究生在读，研究方向：职业技术教育；通讯作者：罗国宇（1977），男，侗族，贵州凯里人，副教授，高级工程师，博士，研究方向：机械设计与制造、力学计算与数值模拟。（上接 38 页）现代信息科技8月下16期.indd 44现代信息科技8月下16期.indd 442023/8/15 17:38:072023/8/15 17:38:07