机械拆装虚拟仿真实训平台开发与应用
单人开发选ue4还是unity摘要：针对机械设备拆装实训环节存在的实训设备易损坏、耗材损耗多、教学效果不明显等问题，提出开发一种基于 Unity3D的机械拆装虚拟仿真实训平台。本系统基于三维虚拟化仿真的拆装实训，通过整合soildworks以及unity3d将现代虚拟教学技术与拆装实训教学有机结合，学生通过虚拟软件熟悉拆装基本原理、拆装工具的使用。能够有效的解决目前拆装实训中遇到的各种问题。
关键词：机械拆装；虚拟仿真；实训系统
一、引言
机械设备拆装实训存在学生难理解、操作危险系数高、设备损耗大等问题，配合零件磨损问题，长期的拆卸与装配，必然导致配合零件的磨损，例如轴和齿轮。拆装磨损后的零部件会导致后续的教学过程中实训效果不佳。为了保证教学环节的效果良好，需要长期更换实训过程中损坏的各零部件，而教学过程中材料损耗问题严重。因此采用机械拆装虚拟仿真实训平台可以解决零件磨损问题，同时可以让学生在课前就通过虚拟仿真实训平台先预习机械结构
原理，掌握机械设备拆卸装备的标准流程以及各种拆装工具的使用方法。这样将有效地减少磨损、延长拆装零件与箱体的使用寿命，降低成本。同时在虚拟仿真实训的过程中不会有任何安全隐患，降低了同学们在传统的机电设备拆卸装备过程中的人身意外伤害[1]。
二、机械拆装虚拟仿真实训平台整体设计
  2.1机械拆装虚拟仿真实训平台设计系统需求分析
2.1.1 安全管理模块
安全管理模块是实现对系统的安全管理。在安全管理模块中管理用户的登陆，新用户的注册，对用户信息进行管理，实现对不同权限用户赋值不同操作权利的功能。
2.1.2 功能实现模块
本系统是面向机械设备安装与调试实训教学内容的虚拟设计，根据面向操作对象要求，分析机械设备拆装实训环节的各个任务，分析各任务之间的关系，设计了系统的几个主要功能模块。功能实现模块有教学模式、实训模式、考核模式。详细的功能实现模块有总体设
计子模块、关键部件设计子模块、虚拟拆卸子模块、虚拟装配子模块、虚拟运行环境子模块。总体设计子模块完成各种操作界面的 VR视觉设计；部件子模块在结合 Ansys 分析完成连轴器、轴承、齿轮、构架等关键部件的刚度分析，并对部件的装配位置、材料属性、失效形式、计算标准等内容进行阐述；虚拟拆卸子模块是将整体的机械设备进行虚拟拆卸；虚拟装配子模块是将各个零部件进行整体的虚拟装配；虚拟运行环境子模块是为了搭建系统运行的虚拟环境[2]。
2.1.3 数据库管理模块
数据管理模块是管理系统中所有的数据设计信息，采用 SQL Server 数据库进行系统数据管理，在虚拟设计系统中完成数据的增删查改等功能。
2.1.4 帮助文档模块
帮助文档模块是提供虚拟设计系统的一些相关信息，例如系统的操作方法、结构点介绍等。
2.2系统开发软件选择
2.2.1 虚拟引擎软件
机械拆装虚拟仿真实训平台对机电设备的设计是在虚拟场景中实现并完成设计效果展示。为了实现虚拟场景，游戏引擎是一个很好的解决方案[3]。调查发现，目前国内专业公司和技术人员使用的虚拟引擎软件主要有 UE4、Unity3D、Construct3、Game Maker Studio等。在分析以上几个虚拟开发软件优缺点，本文采用Unity3D，它具有支持多平台开发、集成度高、开发资源丰富、渲染性能好等优点。
2.2.2 3D建模软件
虚拟仿真系统效果好坏关键因素在于开发系统所用的3D模型。现在主流的30模型开发工具有很多，工业领域智能制造装备应用较多的有CATIA、Pro/E、Auto CAD等，在外观设计应用较多的有Maya、3Ds Max等。机械拆装虚拟仿真平台中的机械零部件以及整体结构爆炸图等都用于教学过程，不用于工程生产环节，所以更多的在于机械设备模型外形、大小等，与实际设备的大小，外观保持一致就可以，对于机械设备内部的尺寸和具体性能参数不做要求，因此结合虚拟仿真实训教学中的需求，选择3ds Max作为机械拆装虚拟仿真平台建模软件[4]。
2.3.3 仿真分析软件
机械拆装虚拟仿真平台中关键部件选型设计中涉及到部件的强度计算、疲劳计算等有限元分析。Ansys 作为一个有限元分析系统，在结构有限元分析领域应用最为广泛也最为成熟。且 Ansys 软件与市面上主流操作系统和相关性软件如 CAD、UG 等软件的兼容效果好，可在简单 PC 机、工作站等硬件基础上运行，适应性极强。
三、机械拆装虚拟仿真实训平台各模块功能
3.1操作说明
鼠标操作: 左键单击选择菜单与功能；左键拖动旋转视角；右键拖动平移视角；滚轮滑动缩放视角；
键盘操作：Alt+F4退出系统；Esc还原鼠标默认样式。
在软件使用过程中，如忘记操作，可单击帮助按钮获取操作说明。如因不熟悉操作进入未知视角可单击刷新按钮回到初始视角。
3.2软件界面
图1机械拆装虚拟仿真实训平台界面说明
3.3各模块功能界面
    欢迎界面打开软件进入欢迎界面，引导进入拆卸/安装两个大模块，再分别进入各自的教学/实训系统。拆卸模式初始界面：左侧有三个按键分别是教学、实训、拆卸步骤示范，右侧有四个按键分别是工具选择、操作方法、安全提示、风险提示，下方分别是图纸、刷新、重载、帮助四个按键。界面中间就是一台机械设备的整体结构模型。安装界面的初始界面和拆卸界面基本一致，区别在于界面中间是机械设备的各个零部件。
3.4 教学模式说明
教学模式下，学生只能观看操作演示，不能操作其中的零件。在动画播放过程中，可以用鼠标切换视角，也可随时打开图纸与操作进行比对。如果感觉播放速度太快，可单击暂停按钮进行暂停。
单击风险提示，可以弹出拆装过程中的注意事项，通过学习，为实际实训打好基础。选择指定步骤，可以单独对拆装的某一指定步骤进行学习。单击重载按钮，重新加载场景。也可单击图纸按钮来查看图纸，按住鼠标左键拖动图纸右下角可缩放图纸。
图2教学模式拆装界面说明
3.5 实训模式说明
实训模式下，学生可以对教学模式中看过的操作演示进行虚拟操作。按照屏幕上方的操作提示，选择对应的工具，鼠标会变成相应的图标，然后单击鼠标左键选择正确的零件后放手，完成该零件的安装，如果选择的零件不正确，将无法继续。如工具选择错误，可按一次Esc键，然后重新选择。
图3实训模式拆装界面说明
在操作过程中，如果不知道零件安装的位置，可随时打开图纸进行查看，关闭图纸后可继续进行。鼠标左键按住图纸右下角可拖动来控制图纸的缩放。单击操作方法，可查看端盖和轴承的拆卸方法。也可返回对应步骤的教学模式下进行学习，学习完成可继续实训。实训成绩以实训计时结果体现，完成成绩越短，成绩越佳。

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