基于虚拟现实交互的虚拟锻造工艺实习系统设计

李静蓉， 倪建龙， 陈锐奇， 李 政， 孙佳正， 龚瑞卿， 朱振柏

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640)

基于虚拟现实交互的虚拟锻造工艺实习系统设计

李静蓉， 倪建龙， 陈锐奇， 李 政， 孙佳正， 龚瑞卿， 朱振柏

(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640)

锻造工艺是一种应用广泛的机械零件加工技术，也是高校机械类各专业必修的实践训练项目之一。由于锻造工艺对安全性和设备投入有较高的要求，学生通过传统的工程训练环节难以获得理想的教学效果。以典型的自由锻造工艺为例，运用虚拟现实技术设计并开发了虚拟锻造工艺实习系统。首先，通过对该工艺实习要求与工艺流程的分析，设计了虚拟实习系统的交互模式。然后利用Unity3D开发引擎设计并实现了锻造车间环境和锻机的虚拟样机。最后，对锻造工艺的具体步骤进行了合理设计，不仅实现了现有自由锻造工艺实习的功能，而且通过虚拟交互并辅以文字信息指导实验，使学生获得了比传统实物实习更好的效果。

虚拟现实； 锻造工艺； Unity3D； 实习系统

0 引 言

锻造工艺是一种应用广泛的机械零件加工技术[1]，也是高校机械类各专业必修的实践训练项目之一。学生了解锻造工艺的工艺流程、加工设备、操作技巧等并尽心实践训练，对提高其工程实践能力和科研创新能力具有重要意义。传统锻造实践教学主要是采用教师现场先讲解示范，再辅助学生操作，最后训练学生掌握操作技能与方法[2]。由于锻造工艺过程存在高温、冲击等工况，锻造操作实训对设备投入和师资力量的要求都较高，并且设备的安全操作较难保证，存在一定危险性[3]。由于国内高校办学规模逐渐扩大，运用先进实验设备的成本愈来愈高，一些高校因为受到实验空间、设备的限制，造成学生在机械制造工艺的实训环节难以获得理想的教学效果。

随着虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)的不断发展[4-6]，将VR技术应用到实验实习教学中，能够有效地缓解、解决上述问题。目前，国内已有高校尝试将VR技术运用到机械制造工程训练中[7-9]，但针对锻造工艺的VR训练系统，特别是操作性与交互性要求更高的自由锻工艺则较少。郭平义等[10]根据其本校教学中心实际情况提出了一种物理与仿真相结合的教学模式，操作在实际设备上进行，零件加工则利用仿真技术根据学生操作来完成。这种方法虽然能提高学生的学习效果和学习效率，但仍无法脱离对实际设备的依赖，且可移植性较差。魏东等[2,11]利用Java 3D虚拟现实开发环境，对锻造中的操作机、锻件等关键部件进行仿真设计。该VR系统获得了对锻造设备操作方面很好的训练效果，但是主要训练的对象是技术工人，目的是提高工人的操作水平，因此，缺乏工艺原理、设备结构、加工过程这些对于高校学生来说非常重要的知识，因此，难以应用该系统对学生进行教学传授。

根据高校工程训练对虚拟锻造系统的要求：需要较高的交互性来实现实训效果，系统要可移植，能重复进行，且带有原理讲解与展示、操作要领指示功能[12-14]，本文使用Unity3D交互式开发引擎，以自由锻为例，建设基于虚拟现实技术的虚拟锻造工艺实习系统。学生可以在虚拟锻造车间中如同亲身体验般完成自由锻造的实验过程。该过程不仅可充分提高学生动手实践的兴趣，扩大传授的知识信息量，提高教学效率和安全性，还可以大量节约实验成本和能源消耗，更方便地实现实验资源共享。

1 虚拟锻造车间的设计与技术实现

1.1 交互模式设计

由于Unity3D引擎的模型控制主要以代码驱动的方式为主，即运行时大部分功能都是利用脚本控制模型运动、动画播放、材质改变的方式来实现，因此，本文借鉴Model(模型)，View(视图)，Controller(控制器)，设计模式(MVC)[15]，来实现用户和系统的交互。如图1所示，学生(用户)首先进入View视图，即漫游场景，获得系统提供的替代教师授课功能的指导性文字、箭头。得到指导后，开始进行操作，所做的操作将以命令的形式传递到Controller中，该部分对用户的操作指令进行分类、判断，最后对Model进行相应的控制，如移动锻件、空气锤工作等。模型受到相应操作后，又会在View中显示出来，反馈给用户。用户得到反馈后，再进行判断，作出下一步的操作，如此循环交互，最后实现系统的功能。

图1 交互设计模式

1.2 应用Unity3D实现虚拟锻造车间

Unity3D是一款跨平台的游戏开发引擎，主要应用于虚拟现实、建筑可视化、三维视频游戏等互动系统的开发，主要支持 C#、JavaScript、Boo 3种脚本语言，其成品可发布至Windows、Mac、Android 等多种平台[16-17]。可移植性强，学生可以在多种终端运行程序。

虚拟锻造车间首先运用三维CAD软件(Solidworks)对锻造车间进行三维建模，设备模型主要根据我校工程训练中心中已有的中小型自由锻设备空气锤构建，并导出格式为IGS的文件。在3D Studio Max导入IGS文件后，适当添加树木等绿化效果，并在空气锤部分制作三维动画，动画包括空气锤提锤、连续打击、落锤3个环节，导出格式为 FBX的文件。在Unity3D导入FBX文件，为虚拟锻造车间中的所有物体选择合适的材质，必要部分贴上贴图，添加灯光以增加真实感，并进行自由锻过程的交互性设计。

在Unity3D中开发虚拟锻造车间的关键在于运用程序中相应的脚本函数，实现对空气锤等物体与用户的交互性操作。系统选用JavaScript语言作为主要脚本编辑语言，下面对操作空气锤、移动工件、工件被墩粗、显示空气锤内部结构4个主要交互过程的实现进行简要介绍。

(1) 操作空气锤的实现。用户在虚拟锻造车间中的操作主要包括：对空气锤进行开启(提锤)、连续打击、关闭(落锤)。提锤过程是当用户鼠标触动空气锤操作旋阀的小手柄时，工作活塞和上砧提起的过程。连续打击过程是当用户鼠标触动空气锤中操作上旋阀与下旋阀的长手柄时，工作活塞和上砧进入连续上下往复运动的状态，当用户鼠标松开长手柄连续打击过程将转换为提锤状态。而落锤过程是在提锤状态时，用户鼠标再次触动空气锤中操作中旋阀的小手柄，工作活塞和上砧落下的过程。

用户操作的交互过程通过OnMouseDown函数(鼠标点击事件)、Animation.Play函数(动画播放事件)来实现。连续打击过程的动画在3D Studio Max中只需制作一个周期，在此通过循环语句实现打击动作的持续进行，使用户可以看到连续打击的过程。在脚本中使用多个boolean类型的变量来判断空气锤工作状态，如落锤后，空气锤已处于停止工作状态，若此时用户鼠标再次触动空气锤中长手柄，空气锤应不再有连续打击的动作。此处设置一个全局布尔变量，鼠标触动小手柄即改变布尔值，落锤后，该布尔变量赋值为false， OnMouseDown函数将不被激活，对用户的操作不做出反应。提锤功能脚本的核心代码如下：

static var change : boolean = true;

function OnMouseDown(){

if(change){

gameObject.transform.parent.animation.Play("tichui1");

change = false;}

else {

gameObject.transform.parent.animation.Play("down");

change = true;}}

(2) 移动工件的实现。移动工件功能通过Input函数和Transform函数来实现。首先将三维物体在环境中的三维坐标转换为用户视角屏幕上的二维投影坐标，然后利用Input函数获取鼠标点击处的坐标，再利用Transform函数将物体的坐标转移至鼠标指向坐标上，三维物体即可跟随用户的鼠标移动。另外，通过改动SharedMeterial函数来实现当前鼠标选中的三维物体的变色凸显效果。

(3) 工件被墩粗的实现。当空气锤上砧锻打工件时，工件受到竖直方向的压力，高度减小、横断面积增大。工件的形状变化通过Transform函数来实现。给上砧附加一个“刚体(Ragidbody)”属性，刚体下落时与工件的触发器产生碰撞，触发工件自带的碰撞函数，使其scale尺寸属性的x、z数值变大，y数值变小，改变模型在各个方向上的大小比例。用户即可看到工件被墩粗的效果。设置Count变量，当撞击数达到预设的Count数值时，工件形状不再发生变化。

(4) 显示空气锤的内部结构。为了让学生能够更好地了解空气锤工作时内部机构的运转原理，因此系统需要让学生可以在虚拟锻造的过程中自由地查看设备及其内部机构。这也是充分发挥虚拟现实技术构想性特点所带来的优势[11]，因为在传统实训课程中，学生是无法观察到工作中的内部机构运转情况的。实现该功能的方式是让空气锤的外壳透明化，显示出内部机构。用户可以输入“V”和“B”键盘按钮来控制外壳的透明度，脚本中一旦获取到对应的按钮，便通过改变空气锤外壳的材质Meterial透明度来实现外壳的透明程度转换。

2 自由锻造虚拟过程实例

虚拟锻造系统的格式为exe，在Windows系统中均可打开，不需要预先安装其他软件。点击进入后，用户首先可看到虚拟锻造车间的外观以及友好的欢迎界面。用户可通过鼠标和键盘控制浏览视角与位置，实现交互式漫游行走，也可按照自动弹出的引导文字走入车间、启动空气锤、取出并放置工件、连续打击、移开工件、关闭空气锤的步骤，整体性地体验锻造车间中的自由锻造过程。虚拟锻造过程中，系统通过文字提示，告知使用者锻造实习的操作方式和操作流程，如图2所示。

图2 操作方式的提示信息

锻件在加工过程有不同的加工状态，不同的温度以锻件的颜色变化显现出来，墩粗加工的过程则以锻件的形状变化显现出来，图3为不同状态的锻件。

图3 锻压过程不同的锻件状态

如图4所示，虚拟锻造系统还会引导使用者改变空气锤外壳的透明度，观察空气锤内部的工作原理。

图4 外壳透明后的空气锤内部机构原理

3 结 语

本文通过Unity3D交互式开发引擎，结合实训情况，对锻造工艺过程进行交互式设计，建立了虚拟锻造车间，实现了工业训练中锻造工艺基本流程的虚拟仿真，并辅以文字信息，通过良好的交互性引导使用者按正确步骤完成实验。

与传统实物锻压实验相比，虚拟锻造工艺实习系统不依赖真实的设备，没有真实试验的危险性。同时，在用户体验效果上有较大的提升，舒适性、易用性较强，自由度高，沉浸性好。体验该系统之后，学生对锻造工艺的加工原理、设备结构、工艺流程、工艺操作等方面都可以获得更清晰、深入的理解。

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·名人名言·

最有价值的知识是关于方法的知识。

——达尔文

Development of a Virtual Reality Interaction Based Virtual Forging Workshop

LIJingrong,NIJianlong,CHENRuiqi,LIZheng,SUNJiazheng,GONGRuiqing,ZHUZhenbo

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640，China)

Forging is one of the widely-applied machining processes. It is also a mandatory teaching and training course for mechanical engineering discipline. However, due to its high risk and equipment cost involved, it is difficult for students to have satisfactory learning and training experiences. By introducing virtual reality (VR) technology, this work presented the design and development of a VR-based forging workshop for a typical open-die forging process. By analyzing the environment and process of engineering training, the software interactive paradigm was designed firstly. And then, 3D models of the virtual environment and forging machine were built with Unity3D, which was the developed engine for this work. Finally, a virtual open-die forging process was realized with interactive text guide. The implementation of this virtual forging workshop not only realizes the training function, but also provides the students a far better learning and training experience of forging processes.

virtual reality; forging process; Unity3D; practical system

2016-09-10

2013年度中央高校基本科研业务费本科生自主选题项目，2014年度广东教育教学成果奖培育项目。

李静蓉(1973-), 女，黑龙江齐齐哈尔人，博士，教授，主要研究方向：数字化设计。

Tel.：020-87110132；E-mail：lijr@scut.edu.cn

TH 164

A

1006-7167(2017)04-0087-03