李梦如， 陈茂林， 陈 哲， 于睿坤， 奚 鹰

(同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804)

0 引 言

随着科学技术的发展，虚拟仿真实验教学成为了一种新兴的教与学互动教学模式，凭借其较高的拟实性和交互性、较高的资源利用率和开放性等优点，正迅速地发展起来，并得到越来越广泛的应用[1-3]。虚拟仿真实验的构建对于高校实验教学具有非常重大意义和应用价值。它将完全颠覆传统实验教学的时空观念，对传统实验教学模式产生重大的变革。通过虚拟仿真实验，就学生而言，体验和熟悉实验环境，操作虚拟实验设备，了解实验原理。在学习过程中或以后实际动手的实验过程中，学生就能够更好地提高学习效率和发挥自主创新能力[4]；就学校而言，可减少了教育资源需求量和成本，实现教学资源的远程共享，应对教育资源相对匮乏这一现象[5]。现今，我国各大高等院校已经开始大力建设虚拟仿真实验项目，并着重推广和发展，将其纳入到教学改革与实践中来[6]。

目前我校机械实验教学中心的虚拟仿真实验项目仅涉及一些能够动态演示实验过程的计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction，CAI)类型实验，只能实现实验过程的演示，缺少交互性的虚拟仿真实验[7]。学生往往只能被动地观察实验过程，而无法自主地进行学习，影响了学习和教学效果。由此可见，构建虚拟仿真实验已迫在眉睫。

1 渐开线齿轮范成原理实验

渐开线齿轮范成原理实验[8-9]仪为渐开线齿轮范成仪，其主要由机架、圆盘及压板、齿条型刀具、溜板、手柄、变位滚花等组成。机架起支承作用。转动手柄，可通过丝杠结构调节圆盘相对于齿条型刀具的径向距离。溜板可带着刀具左右移动。调节圆盘至一定位置时，溜板也可带着圆盘转动。变位滚花可微调圆盘相对于齿条型刀具的径向距离。渐开线齿轮范成仪实物图如图1所示。

目前我校所拥有的渐开线齿轮范成仪年代久远，仪器老旧，损坏率高，维护及更换成本较高。不仅如此，在2学时内，要求教师完成相关实验目的、内容、原理和步骤讲解；要求学生完成加工17齿标准齿轮、9齿标准齿轮和9齿变位齿轮，通过观察渐开线齿廓的形成过程，掌握用范成法切制渐开线齿轮的基本原理，了解渐开线齿廓产生根切的原因和避免产生根切的方法，并比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。往往2个学时的时间是不够的，需要占用额外的实验室资源，来完成相关实验。此外，机械基础实验课程主要面向我校机械设计制造及其自动化、车辆工程、工业工程、轨道交通等机类专业学生，人数众多，实验室资源有限，难以协调，以满足学生和教师的需求。

开设渐开线齿轮范成原理虚拟实验，逼真地模拟该实验过程，供学生做预习和复习之用，丰富实验室资源，是非常有必要的且具有意义的。

2 技术路线

实现渐开线齿轮范成原理虚拟实验的技术路线如图2所示。

2.1 模型制作

渐开线齿轮范成原理虚拟实验的模型制作软件采用的是面向产品开发的三维CAD软件：Autodesk Inventor Professional (AIP)。运用软件中草图、拉伸、倒角、圆角、投影几何图元、抽壳、放样、扫掠、阵列等命令，结合基本的机械绘图知识，将模型制作出来[10](在此不赘述)。

2.2 模型处理

采用基于个人计算机系统的三维动画渲染和制作软件3Ds Max对渐开线齿轮范成原理虚拟实验的模型赋予材质。该软件与Inventor具有极佳的适配性[11]。

在实际操作过程中，采用3Ds Max的材质编辑器为各零件赋予材质，渲染，之后导入Unity 3D过程中材质会部分失去，例如颜色无法一起导出，因此需要在Unity 3D中再做修改。但在3Ds Max中赋予材质的工作不能省略，因为只有具备不同外观的零件赋予不同的材质球之后，在Unity 3D中才可以分别赋予材质，否则Unity 3D会认为所用零件是一个材质，不能加以区分。

2.3 交互设计

渐开线齿轮范成原理虚拟实验的交互设计采用Unity 3D软件。Unity 3D[12-14]是一个集三维游戏视频、建筑可视化、实时三维动画、脚本后台编辑绑定等多种类型于一体的多平台综合型游戏开发工具。Unity支持3种脚本语言：JavaScript、C#和Boo[15]。本虚拟实验采用C#。需要注意的是，C#中类名被隐式的设置为脚本的文件名(不包含文件扩展名)，且类名必须手工编写。如果类名与文件名不符，软件会报错。实验界面与交互场景的搭建主要涉及以下几个方面：

(1) 主要函数应用。在渐开线齿轮范成原理虚拟实验的界面与交互场景的搭建过程中，涉及到一些主要函数的应用，例如初始化设置函数(Start)、循环函数(Update)、事件会在鼠标停留在指定对象上时发生的函数(OnMouseOver)、事件会在鼠标进入物体碰撞器范围时发生的函数(OnMouseEnter)、事件会在鼠标离开物体碰撞器范围时发生的函数(OnMouseExit)、事件会在鼠标按下时发生的函数(OnMouseDown)、事件会在鼠标释放时发生的函数(OnMouseUp)、事件会在按住鼠标时发生的函数(OnMouseDrag)、进入碰撞时被调用函数(OnCollisionEnter)、退出碰撞时被调用函数(OnCollisionExit)、逗留碰撞时被调用函数(OnCollisionStay)、激活物体对象及其脚本函数(gameObject.SetActive)等。

(2) 摄像机的应用。在本虚拟实验中，实验者通过摄像机来观察虚拟场景并发出操作指令。

(3) 场景的切换。只用一个虚拟实验场景展示本实验，非常不便于实现所有操作控制，需要搭建其他实验场景。

运用C#切换虚拟实验场景时，需要在C#脚本文件中增加一个“using UnityEngine.SceneManagement”的头文件；并且用脚本写下“SceneManager.LoadScene(场景编号);”或者“SceneManager.LoadScene(“场景名字”);”，以加载新的场景，如图3所示；或者，用脚本写下“SceneManager.UnloadScene(场景编号);”或者“SceneManager.UnloadScene(“场景名字”);”，加载新场景，具体加载场景脚本如下。

using UnityEngine:

using System.Collections;

using UnityEngine.SceneManagement;

public class test2:MonoBehaviour{

void Start(){

SceneManager.LoadScene(1);

}

void Update(){

}

}

或者,用脚本写下“SceneManager.Unlead Scene(“场景名字”)；”来卸载当前场景。

图3 渐开线齿轮范成原理虚拟实验

(4) 按钮(Button)的创建与连接。在菜单里创建好按钮(Button)后，需要为按钮(Button)创建并链接脚本，当按钮(Button)被按下时，调用脚本内容控制虚拟实验。

using UnityEngine;

using System.Collections;

public class NewBehaviourScript:MonoBehaviour{

void Start(){

}

1）选用抗倒伏品种。利用小麦品种本身的抗倒伏能力，是防止和减轻小麦倒伏最经济有效的技术途径［9，10］。建议科研和技术推广部门开展品种抗倒性试验，筛选出适合当地的抗倒伏品种。

void Updage(){

}

Public void test3(){

}

}

完成脚本后，将其挂载在按钮(Button)上，此时脚本还不能使用。点击选择按钮(Button)，在其检视面板上，点击“On Click()”下面的“+”号，在“None”一栏里选择刚才脚本挂载的物体对象“Button”，在“No Function”一栏里选择所需脚本的名字以及函数的名字。

(5) 刚体及碰撞器的使用。刚体——在虚拟实验中，要使实验仪器、实验对象等呈现物理效果，需为其添加刚体(Rigidbody)属性。具体方法：在选择物体的情况下，点击检视面板中的“Add Component”|“Physics”|“Rigidbody”。碰撞检查方式——默认模式为离散模式(Discrete)。但是当物体运动速度很快时，可能会出现前一帧仍在另一物体的前面，而后一帧已经在另一物体的后面的情况。在这种情况下不会触发碰撞事件。所以，要检测该情况，必须使用下面两种检测方式：连续方式(可以与静态网络碰撞，并对实验对象进行碰撞检测)和连续动态方式(可以对设置了连续或连续动态方式的物体对象进行碰撞检测)。碰撞器——Unity 3D中碰撞器分成3种类型：静态碰撞器、刚体碰撞器和运动学刚体碰撞器。在选择物体的情况下，点击检视面板中的“Add Component”|“Physics”|“Box Collider”。碰撞检测——Unity 3D中有内置的两种方法来实现物体之间的碰撞检测：刚体碰撞方法和使用射线方法。若在虚拟实验中想要通过鼠标点击某物体对象触发某事件时，必须先为该物体对象添加碰撞器，否则不能触发点击事件。

2.4 系统发布

Unity 3D的编辑器运行在Windows 和Mac OS X下，可发布虚拟实验至Windows、Mac、Wii、iPhone、WebGL(需要HTML5)、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页版虚拟实验，支持Mac和Windows的网页浏览。它的网页播放器也被Mac widgets所支持[16]。

3 渐开线齿轮范成原理虚拟实验

3.1 实验结构设计

渐开线齿轮范成原理虚拟实验设计在一个虚拟的实验教室中，齿轮范成仪、两种规格的纸片、实验原理书以及实验步骤说明书摆放在实验桌上(见图3)。

点击桌上的的两本书，可进入实验原理界面以及实验步骤界面。按下Esc键，调出菜单，可选择查看实验原理、实验步骤以及软件操作说明，同时限制对实验台上物品的点击触发事件。点击菜单上的按钮，触发相应事件，并隐藏菜单。再次按下Esc键，转回到原来实验状态。实验结构如图4所示。

图4 渐开线齿轮范成原理虚拟实验结构示意图

3.2 实验功能设计

在实验操作过程中，当鼠标移动到需要操作的部件上时，该部件呈绿色，表明可以对该部件进行相应操作。

实验者的视角通过控制摄像机的平移和转动来实现，即键盘上的W、S、A、D、V、Space、Q、E、R、F、Z、X键来控制。为了能逼真地反映实验环境，在一般位置，其移动速度较快；到达特殊位置，例如实验仪器的极限位置、墙壁的极限位置等，其相应方向上的移动速度为零，表示不可移动，但其他方向的移动速度正常。鼠标中键按下后，可增大摄像机的移动速度，方便实验者的视角快速地到达指定位置，进行实验。鼠标经过所有可操作对象上方时，该对象颜色变成绿色，鼠标离开后变回原来颜色。

按下Tab键，可调出副摄像机，以便观察在纸上的画图情况。装上绘图纸后按下回车键，才可在绘图纸上绘图。本虚拟实验采用在圆盘上的绘图纸上实例化子级来实现这个真实的绘图效果。

3.3 实验步骤设计

具体实验步骤如下：

步骤1鼠标左击齿轮范成仪机盖，机盖放置到实验桌右上角，准备开始实验。

步骤2鼠标左击压板，拆下压板。

步骤3鼠标左击齿条刀具，翻开刀具。

步骤4若选择加工17齿标准齿轮，转动圆盘的大扇面与溜板压紧；若选择加工9齿标准齿轮和9齿变位齿轮，转动圆盘的小半圆面与溜板压紧。鼠标左击圆盘，可实现圆盘的转动。

步骤5若选择加工17齿标准齿轮，选择大纸片进行操作；若选择加工9齿标准齿轮和9齿变位齿轮，选择小纸片进行操作。鼠标移动到纸片上，纸片呈绿色，鼠标左击，纸片自动安装到范成仪上。若未执行步骤2和步骤3，纸片无法安装到范成仪上，系统也将提示“请先点击压板与刀具。”。

步骤6鼠标左击压板，装上压板；鼠标左击齿条刀具，合上刀具。

步骤7鼠标左击手柄，粗调圆盘相对于溜板的径向位置，使圆盘与溜板压紧。手柄设置了一定的旋转范围。

步骤8鼠标左击变位滚花，微调圆盘相对于溜板的径向位置，使齿条刀具的分度线与齿坯的分度圆相切。若加工变位齿轮，调节变位滚花，使齿条刀具的分度线与齿坯的分度圆相距一定的变位量。变位滚花设置了一定的旋转范围。

步骤9点击鼠标右键，并按住A或者D键，可实现溜板的左右移动。移动齿条刀具至范成仪一端，每移动2～3mm，按下回车键，可在纸上画下刀具廓线，此即为每次切削形成的加工面。

步骤10实验完成之后，鼠标左击压板和齿条刀具，拆下压板，翻开刀具，随后左击绘图纸，绘图纸回到桌面原来位置，如图5所示。

图5 实验结果展示

4 结 语

渐开线齿轮范成原理虚拟实验仿真，结合“课内”与“课外”的实验教学方法，培养学生学习的自主性及实践动手能力，满足了学校师生对课程的需求，并丰富了实验室资源。不仅如此，渐开线齿轮范成原理虚拟实验的技术路线可运用到其他虚拟实验的建立。