CN107731081B - 减速器虚拟现实装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减速器虚拟现实装配系统。其综合应用了三维建模软件SolidWorks、虚拟现实软件Unity3d和虚拟现实硬件HTCvive及面向对象语言C#编程的方式完成了系统各功能模块的制作，主要包括装配信息模块、装配实训模块和导航模块，装配实训模块中又包含手动装配单元、手动拆卸单元、自动装配单元、自动拆卸单元。本发明具有高度的灵活性，使使用者不需要进入实验室去手动操作各部件就可以了解减速器的结构，各部件的工作原理，将其应用到教学培训领域，可以大幅度减少培训费用，提升教学和培训质量，沉浸式的操作效果也能极大地激发学生的学习兴趣和求知欲。

Description

减速器虚拟现实装配系统

技术领域

本发明属于虚拟装配领域，尤其涉及一种减速器虚拟现实装配系统。

背景技术

现在产品的制造正在向着自动化、数字化的方向发展，虚拟装配是虚拟制造中的一个关键部分，是产品数字化定义中的一个重要环节。但相对于虚拟制造的其他部分而言，他又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展落后使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造领域内研究的主要对象这一技术的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系。试生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成。作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学业界和工业界的广泛关注，而虚拟现实技术的飞速发展更将使得虚拟装配技术对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具有深远影响。

随着计算机技术的发展，计算机模拟仿真逐渐广泛应用于当今的机械领域，而虚拟装配技术作为计算机模拟仿真学科中应用于机械中的翘楚，被引进作为机械学科的一项重要实践课程——减速器拆装实验课程中，在科研和教学方面都有着重要的作用。传统的减速器装配、维修课程的培训一直是理论教学与实际训练相结合。而实训中的减速器模型要么过于简单达不到真正认识减速器和锻炼学生动手操作能力目的，要么减速器模型还原的好导致螺钉、垫片等小型零件众多造成丢失和安全隐患。而且由于实践课程的特殊性，实训室只有在老师的带领下才对学生开放，老师需要将减速器各组零部件进行拆卸、分解再安装重复演示操作数次才能让学生自己动手操作，而且往往无法对每个学生在操作过程中出现的问题都做出详细指导，不能很好的满足学生边学边做从实践中学习的需求，这对老师的授课和学生的学习是一种极大的限制，加之培训时间的局限、装配器材的损耗、人多设备少等缺点，现阶段的减速器装配实践教学迫切需要一种新型的教学方式来解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种减速器虚拟现实装配系统。

本发明的技术方案是：一种减速器虚拟现实装配系统，采用SolidWorks软件建立减速器模型，导入Unity3d软件中进行模型渲染、动画录制、及各零件拆装功能设置，通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互；具体包括：

虚拟环境模块，其用于对减速器与操作环境进行渲染与优化，模拟现实实训室环境；

装配信息模块，其用于记录操作时间、显示减速器模型中各装配体的信息，在通过虚拟现实设备选择减速器模型中装配体时显示对应装配体的信息；

装配实训模块，其用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互，通过控制减速器模型中装配体的移动旋转进行具体的装配拆卸操作；

导航模块，其用于对用户的操作进行相应提示，及在各个模块之间进行切换跳转。

进一步地，所述虚拟环境模块在模拟现实实训室环境时至少包含一组DirectionLight平行光光源和PointLight点光源，同时对装配零件按类别进行放置。

进一步地，所述装配信息模块显示减速器模型中各装配体的信息具体包括装配体的名称、功能、工作原理与注意事项文字信息。

进一步地，所述装配实训模块包括手动装配单元、手动拆卸单元、自动装配单元和自动拆卸单元；所述手动装配单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行装配操作；所述手动拆卸单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行拆卸操作；所述自动装配单元用于自动播放减速器模型的装配过程；所述自动拆卸单元用于自动播放减速器模型的拆卸过程。

进一步地，所述手动装配单元通过虚拟现实设备与减速器模型进行装配操作具体为利用虚拟现实设备抓起待装配体，并放置到相应正确的位置。

进一步地，所述手动拆卸单元通过虚拟现实设备与减速器模型进行拆卸操作具体为利用虚拟现实设备碰触发各装配体的移动与旋转动画进行拆卸。

进一步地，所述自动装配单元和自动拆卸单元均采用在Unity3d中预设利用Mecanim动画状态机录制的Animation的方式进行有序播放。

进一步地，所述减速器模型包括一个总装配体和多个子装配体；所述子装配体具体包括端盖总成、上盖总成、底座总成、高速轴总成、中速轴总成和低速轴总成。

本发明具有以下有益效果：

1、可以使用户不需要进入实验室去手动操作各部件就可以了解减速器的结构，各部件的工作原理；

2、具有高度的灵活性，将其应用到教学培训领域，可以大幅度减少培训费用，提升教学和培训质量；

3、沉浸式的操作效果极大地能激发学生的学习兴趣和求知欲，提升学生动手能力。

附图说明

图1是本发明的减速器虚拟现实装配系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中减速器总装示意图。

图3是本发明实施例中减速器内部结构示意图。

图4是本发明实施例中减速器待装配场景示意图。

图5是本发明实施例中减速器装配信息模块示意图。

图6是本发明实施例中减速器装配实训模块示意图。

图7是本发明实施例中减速器导航模块界面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的减速器虚拟现实装配系统的结构示意图。一种减速器虚拟现实装配系统，采用SolidWorks软件建立减速器模型，导入Unity3d软件中进行模型渲染、动画录制、及各零件拆装功能设置，通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互；具体包括：

虚拟环境模块，其用于对减速器与操作环境进行渲染与优化，模拟现实实训室环境；

装配信息模块，其用于记录操作时间、显示减速器模型中各装配体的信息，在通过虚拟现实设备选择减速器模型中装配体时显示对应装配体的信息；

装配实训模块，其用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互，通过控制减速器模型中装配体的移动旋转进行具体的装配拆卸操作；

导航模块，其用于对用户的操作进行相应提示，及在各个模块之间进行切换跳转。

本发明利用SolidWorks软件制作减速器模型，导入到Unity3d引擎进行灯光、材质的渲染处理。为了加强拆卸过程中的真实感，利用Unity3d引擎的Mecanim动画状态机制作拆装动画，例如螺母的旋转与位移让拆装过程更加逼真等。并根据实际操作中的拆装顺序利用C#语言进行脚本逻辑编写、UGUI进行界面搭建进行实时选择性提示教学，让使用者通过Unity3d引擎与HTCvive设备建立的虚拟环境置身于虚拟实训室中，对减速器进行精细到每一个小螺丝的拆卸装配交互操作。

本发明由SolidWorks建立减速器模型，在Unity3d中进行减速器模型各零件实现拆装功能的设置及逻辑编写，所述减速器模型包括总装和多个子装配体。该虚拟装配系统主要包括手动装配、手动拆卸、自动装配、自动拆卸四大模块，本系统还使用到的Unity3d插件有SteamVR Plugin、VirtualReality Toolkit等，让虚拟现实的沉浸式效果更强以及有更好的交互效果，比如增加了触觉反馈，提升使用者的沉浸式交互操作体验。

本发明在渲染场景上为了使场景显示效果更加自然更加接近现实，虚拟环境模块在模拟现实实训室环境时至少包含一组DirectionLight平行光光源和PointLight点光源；为了让操作者更加准确分辨和找到相关部件，同时对装配零件按类别进行放置。如图4所示，为本发明实施例中减速器待装配场景示意图。

如图5所示，为本发明实施例中减速器装配信息模块示意图。本发明的装配信息模块采用Unity3d引擎原生支持的更加人性化的UGUI作为UI解决方案的选型，用于显示装配体的名称、功能、工作原理与注意事项等文字信息，并且让文字信息实时显示在对应装配体的正上方。触发方式选择的是VirtualReality Toolkit插件提供的射线机制，让操作者可以通过HTCvive手柄发射出来的射线选择浏览相应的装配体信息。减速器模型包括一个总装配体和多个子装配体；所述子装配体具体包括端盖总成、上盖总成、底座总成、高速轴总成、中速轴总成和低速轴总成。如图2所示，为本发明实施例中减速器总装示意图。如图3所示，为本发明实施例中减速器内部结构示意图。

如图6所示，为本发明实施例中减速器装配实训模块示意图。本发明的装配实训模块包括手动装配单元、手动拆卸单元、自动装配单元和自动拆卸单元；所述手动装配单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行装配操作，具体为利用虚拟现实设备抓起待装配体，并放置到相应正确的位置；所述手动拆卸单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行拆卸操作，具体为利用虚拟现实设备碰触发各装配体的移动与旋转动画进行拆卸；所述自动装配单元用于自动播放减速器模型的装配过程；所述自动拆卸单元用于自动播放减速器模型的拆卸过程，自动装配单元和自动拆卸单元均采用在Unity3d中预设利用Mecanim动画状态机录制的Animation的方式进行有序播放，使拆装过程更加逼真更加符合实际。其中自动装配、自动拆卸为教学部分，操作者可以通过这两个部分自主进行拆卸装配的学习，然后可以通过导航模块转到手动拆卸或者手动装配模块进行自主训练，如图7所示，为本发明实施例中减速器导航模块界面示意图。为了提升操作者的操作体验，本发明采用的虚拟现实设备是目前VR设备中最热门最受欢迎交互性能最好的HTCvive设备，它包括两个定位基站进行精确追踪、两个操作手柄模拟人两只手的手部动作和一个2k分辨率头盔。

本发明一方面通过SolidWorks建模软件建立需要拆装的减速器具体模型，再将建立好的模型转化成FBX格式导入到Unity3d引擎中，再在Unity3d中进行代码逻辑编写、动画录制、UI界面制作等制作出一个针对减速器的虚拟拆卸、装配系统，用于减速器的拆装培训教学中，可以使使用者不需要进入实验室去手动操作各部件就可以了解减速器的结构，各部件的工作原理，而且虚拟装配技术具有高度的灵活性，将其应用到教学培训领域，可以大幅度减少培训费用，提升教学和培训质量。

本发明另一方面解决了拆装、维修培训课程的场地、器材、教师等教学资源的过度依赖问题，使学员能够在任意时间、任意地点进行装配模拟训练和自我检测。本发明虚拟现实技术融入到减速器装配训练的课程教学中，以二级圆柱齿轮减速器为模型，通过SolidWorks三维软件建立减速器的三维模型，再利用Unity3d引擎与HTCvive设备搭建虚拟装配环境，使使用者既能了解掌握减速器的内部组成结构、拆装步骤和方法，同时还可以身临其境动手进行虚拟拆装的操作练习，让学生对减速器结构以及拆装过程有一个全面和深切的认识，也极大地激发了学生的学习兴趣和求知欲，增强教学效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，采用SolidWorks软件建立减速器模型，导入Unity3d软件中进行模型渲染、动画录制、及各零件拆装功能设置，通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互；具体包括：

虚拟环境模块，其用于对减速器与操作环境进行渲染与优化，模拟现实实训室环境；

装配信息模块，其用于记录操作时间、显示减速器模型中各装配体的信息，在通过虚拟现实设备选择减速器模型中装配体时显示对应装配体的信息；装配信息模块采用Unity3d引擎原生支持的UGUI作为UI解决方案的选型，用于显示文字信息，包括：装配体的名称、功能、工作原理与注意事项，并且让文字信息实时显示在对应装配体的正上方；对应的触发方式选择的是VirtualReality Toolkit插件提供的射线机制，操作者通过HTCvive手柄发射出来的射线选择浏览相应的装配体信息；

装配实训模块，其用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行实际交互，通过控制减速器模型中装配体的移动旋转进行具体的装配拆卸操作；

导航模块，其用于对用户的操作进行相应提示，及在各个模块之间进行切换跳转。

2.如权利要求1所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述虚拟环境模块在模拟现实实训室环境时至少包含一组DirectionLight平行光光源和PointLight点光源，同时对装配零件按类别进行放置。

3.如权利要求1所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述装配信息模块显示减速器模型中各装配体的信息具体包括装配体的名称、功能、工作原理与注意事项文字信息。

4.如权利要求1所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述装配实训模块包括手动装配单元、手动拆卸单元、自动装配单元和自动拆卸单元；所述手动装配单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行装配操作；所述手动拆卸单元用于通过虚拟现实设备与减速器模型进行拆卸操作；所述自动装配单元用于自动播放减速器模型的装配过程；所述自动拆卸单元用于自动播放减速器模型的拆卸过程。

5.如权利要求4所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述手动装配单元通过虚拟现实设备与减速器模型进行装配操作具体为利用虚拟现实设备抓起待装配体，并放置到相应正确的位置。

6.如权利要求4所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述手动拆卸单元通过虚拟现实设备与减速器模型进行拆卸操作具体为利用虚拟现实设备碰触发各装配体的移动与旋转动画进行拆卸。

7.如权利要求4所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述自动装配单元和自动拆卸单元均采用在Unity3d中预设利用Mecanim动画状态机录制的Animation的方式进行有序播放。

8.如权利要求1-7任一所述的减速器虚拟现实装配系统，其特征在于，所述减速器模型包括一个总装配体和多个子装配体；所述子装配体具体包括端盖总成、上盖总成、底座总成、高速轴总成、中速轴总成和低速轴总成。

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