虚拟技术的汽车发动机装配平台的设计分析.docx

虚拟技术的汽车发动机装配平台的设计分析 闭荣富摘 要：与计算机仿真、传感器及人工智能等诸多技术日益完善过程相伴随的是虚拟技术应用范围的拓展，特别是在一些危险系数高、体量大、投用及后期维护成本高、数次操作的领域中，虚拟技术应用期间表现出良好效能汽车发动机装配符合虚拟技术的质感逼真、可交互性及便利等特征，基于人机交互规划、三维立体建模、程序设计及发动机装配理论等知识，建设出视觉动态渲染与逼真度很高的发动机装配模拟平台，以供同行参考关键词：汽车;发动机;装配平台;发动机拆装;虚拟技术;平台设计引言虚拟技术（VR）是20世纪末兴起的一种综合性信息技术，其以计算机、网络、三维呈现及人机交互等诸多技术为支撑，将存在或不存在于自然界的物件整合至一个虚拟化环境内，可以采用传感器与多种感知行为和虚拟环境进行交互既往的机械制造业装配技术培训阶段，操作者直接触及设备与器材，通过数次训练后方能捕获装配经验与技术现如今，传统装配培训形式已经难以迎合新型汽车产品的研发与生产需求，暴露出成本高、适用性差等弊端本文设计开发的汽车发动机装配平台于Unity 3D引擎内建设一个虚拟化情景，采用三维交互技术，实现呈现发动机自由角、演示结构拆装流程及智能化测评等多项功能。

一、平台的功能设计与开发程序现如今，活塞式发动机在现代汽车制造领域中有广泛应用，其构成以机体、曲柄连杆机构、燃油供给及润滑系统等为主以平台布设的实训教学项目为支撑，通过对发动机重要部件进行检查、维修及拆装等操作，协助广大学生对发动机的构造、运作机理及维修等有更全面的认识一）规划设计平台的功能该平台界面上设置的GUI能为人机交互过程创造便利条件，界面能清晰的呈现出发动机的构成及不同机构系统各部件所要达成的功能，主要有：结构呈现：能从各个角度自由呈现出发动机整体与局部构件，持有旋转、缩放、部件信息方位及安装提示等诸多功能智能拆装：具体是以Unity引擎内的Animation动画功能为支撑，实现呈现发动机多个机构智能化拆装与安装过程的功能人工拆装：这是人机交互持有的重要功能之一，碰撞检测是重要的技术手段之一，为减少或规避用户群体手动装设零件阶段，不同模型之间出现穿行越过情况，建议将碰撞检测器增设于各模型上，拟编与之相配套的脚本流程，这样通过操作鼠标就能顺利拖动目标构件，改变零部件方位，并结合前期相关提示信息将其安设至指定部位实训测评：即于该平台上，广大用户不仅能训练自己的手动拆装能力，也能检验自己对装配相关知识的学习、掌握情况，后台自动录入准确的安装次序，依照数据正确与否将软件持有的计分功能充分发挥出来。

部件检查维修：故障检查、维修是发动机课程教材中的重难点之一，本平台以发动机气缸盖的形体改变为实例加以分析，可以利用塞尺与钢尺检测气缸盖体的翘曲度，也可以动画为载体演示汽缸盖的拆卸、组装过程二）研发程序基于理论和实践相整合的形式研究与推进课题，理论研究阶段循序推进，勇敢的做出假定并试图论证，其目的在于提升发动机虚拟装配平台结构、功能的完善度具体是在高端的虚拟现实技术支撑下，基于专业化建模与交互设计软件，有针对性的整改与完善平台的最后成效，实现预定目标本平台的研发流程见图1[1]一）组织专人开展市场调研活动，采集多方材料，通过查找相关材料内容与检索专利，规划平台设计理论、拟编整体方案二）基于发动机检修手冊内设定的标准要求，通过拍摄形式录入大众1.4TSI发动机的正确操作过程三）为捕获精准度更高的零部件零部件数据信息，本课题研究决定使用天远扫描设备收集有关数据四）参照扫描数据，以三维软件3d Max为支撑开发模型，具体包括重建部件系统模型、勾画模型贴图拆分模型UV，借此方式去改善模型的质地，使平台呈现出的效果更为逼真针对汽车发动机不同零部件模型予以装配、整合措施，以上是各模型于软件内畅通运转的重要基础，也能提升空间的有效利用率，针对最后完善好的模型，将其整合成模型资源库。

五）设计交互界面上的GUI，主要涵盖呈现三维结构、演示智能化拆卸与组装、人工拆装方法训练、检测考评、零部件检查与维修等功能六）探讨该平台于理实一体化内的应用情况二、建模设计建设虚拟装配平台过程，侧重点是提升场景交互的合理性与强化逼真感，为达成以上目标就需有专业化三维建模软件的辅助，并认真落实高超的建模标准本课题拟定选用3d Max软件建设发动机部件、检修器具及实训室内常用他类仪器的三维模型一）建模的常规流程装配情景内主要有二维图片与多种三维模型，结合平台功能规划及不同模型建建设的装配相关性，依照一定次序进行组装，合力建成虚拟装配平台的最后运用情景建设发动机零部件模型主要历经如下过程：1、纹理素材：纹理材质设计情况影响着虚拟情景内各模型的真实度，拍摄目标对象的纹理图片Unity 3D引擎对诸多格式的纹理图片表现出较强大的支撑作用，结合其渲染性能与取得的成果及最后于虚拟请境内呈现出的运转速率，选择格式最适宜的类型2、采用基础、多边形、复合式、面片等多种方法建设3D物体模型具体是先结合扫描模型勾画出零部件的大体样态，而后于修整器列表内有针对性的修正点、边、面、多边形等元素3、材质贴图，在业内，“材质”即物体表层的属性信息，即物体构成物质属于哪种类型，包括表层纹理，物体对光的特性，比如反光强度、形式及区段等。

贴图可以理解为一种把图形信息投影至曲面上的方法材质贴图的作用主要是将繁杂模型的表层真切、清晰的呈现出来，宗旨是降低能源耗损量与压缩关键零部件建模时间长度3d Max能智能传送出配置的贴图坐标，对于曲面这种结构形态繁杂的目标对象而言，其无法给出特定的贴图坐标，若想要精准调控不同形态对象的贴图形态，需在UVW展开修改器的协助下进行，其能于一个平面上自由编辑目标对象贴图的展开情况图2是燃油泵UVW展开后的图示4、渲染将材质、灯光等因素融合至一个情景后，并不能于试图内清晰的观察到以上元素呈现出的效果，需对情景实施最后的渲染操作，方能更好的呈现出灯光、材质对应的特殊效应在情景模型建设过程中，渲染是重要一个环节，其作用以情景内储留的各类成效为主，以图像的样式呈现出来图3为燃油泵的渲染成效[2]5、模型集成化在发动机零部件建模结束后还没有整合到装配平台情景内时，不同模型间运行模式相互独立，集成模型是应对发送机各模型整合问题的有有效方法之一，结合检修手册内设定的要求，落实发动机整个模型的组合、装配任务，科学规划各机构系统所属类别二）处理模型1、优化这是虚拟装配平台设计、建设过程中最重要的一环，加强模型文件体量大小的把控，过于庞大将会减缓其运行速度。

发动机零部件模型构造复杂，倒角、切角、圆角、通孔等曲面属性较为常见，为确保各模型于平台上顺畅运作，应有规划的优化模型本课题研究中，采用Optimize（优化）或MultiRes（高级优化）指令定量调控顶点数目及面数具体是先采用Optimize指令把模型转型为可被编辑的多边形，在确认对物件模型状态、功能不形成明显影响的基础上，尽量减少模型顶点、三角面数目，整改优化选项内的面阈、边阈、位移偏量及边长最大值MultiRes指令的作用是利用修改器设施采用降低顶点、多边形数的形式，压缩模型渲染环节的空间，其能自主选定减面所占比重，将顶点所占比例降到50%，修改后顶点、三角面数依次为16180、31780在改进、优化模型材质及贴图过程中，于平台上需要有序整合材质等同的模型，降低勾画调用的频次至少需要一张贴图去支撑发动机所有零部件的模型，利用Photoshop软件把贴图拼凑成一个整体在以上操作过程，尽量维持纹理贴图四边等同，长度值尽量为2的整数幂次，采取以上方法方能将优化操作的效能发挥至最大针对螺栓等部件的模型，整合并保留单个后，删减冗余模型，通过复制文件以达到检索模型、节省计算机内部空间的目的2、导出模型具体是于3d Max完成模型贴图操作并制作相对应帧动画以后，采用FBX格式将模型放置于文件夹Assets内，现已经证实该种格式对数个软件的兼容和转化过程起到较好的支撑作用，并且还能整体的存储动画、材质等信息。

于3d Max内点击“导出”，选中事前设定的导出渠道、重命名模型名称，比如于3d Max完成某个构件机构拆卸、组装动画的制作任务，选中“Animation”后勾“Bake Animation”属性，便能顺利的对动画实施烘焙操控处理三）规划设计发动机模型零件1、机油滤清器在建设模型之前，应结合零部件外部轮廓选择适宜的标准基体，先建设一个圆柱体，将高程分段设定为2，伴随边数增加过程，曲面顺滑度也有不断上升趋势在勾画凸出部位时，相关人员可以选定“轮廓”指令减缩拉出平面，而后选定“挤出”指令下拉延展减缩后的多边形，直到其和扫查模型高程统一，最后通过操控“倒角”指令削弱物体平面的棱角2、机体在发动机内，机体即被定义为气缸体和曲轴箱两者的連铸体，可以将其看成是构造复杂的箱形零部件，可以适度调整侧壁、前后壁的加强肋的顶点方位，单独勾画圆柱体后，将对曲轴起支撑作用的主轴承座及孔洞附加于机体上，采用布尔运算的差集（A-B）指令落实机体局部（圆柱体、主体）的建模任务3、气缸盖气缸盖是汽车发动机的重要构成，也是构造极为复杂的箱形零部件，上方设有进、排气座孔，气门导管孔等，内部有水套、燃烧室等构件气缸盖的外部轮廓类似长方体，基于布尔测算、顶点整改等方法完成建模任务。

图4是汽缸盖模型[3]三、汽车发动机虚拟装配平台的具体设计（一）Unity 3D引擎本课题选用Unity Technologies公司自主研发的专业化虚拟交互式引擎促进虚拟装配平台功能逐一实现过程，明显提升运转速度与交互成效Unity 3D在Windows、Mac OS X及Linux等诸多平台上均表现出良好实用性，也可以将相关信息上传至Mac与Windows平台上本虚拟装配平台由数个有相互关联性的情景构成，不同情景之间存在密切的层级关系，能相互跳转，各情景内还含有材质、脚本、模型目标对象、动画等诸多资源为使情景内各项功能发挥至最大化，需严格依照相关规程拟编脚本流程，并将其添加到各目标目标对象上1、情景Unity 3D引擎可以被视为将多个模型汇聚在一起的场合，为程序压阀过程中的最基本构成单位，一个平台可以是数个情景构成的集合体2、物体对象我们将显现在情景内的所有实物体均称之为物体对象，例如系统自身带有的模型球体、平面、立方体等Unity 3D基于“面向目标对象程序”加以规划设计，任何对象均和Object对象之间建设了相互承接的关系，也囊括物体对象自身，Object持有多样化属性，脚本对其行为方式起到调控作用。

3、Unity 3D脚本Unity引擎支持的脚本语言有JavaScript、C#、Boo，其中C#语言持有庞大的net类库，为微软公司面向对象编程研发的一类语言，是当下国内外众多程序员研发软件首选的语言类型，本平台开发设计时均拟定选用C#语言4、摄像机Unity 3D内摄像机的作用以呈现视觉成效为主摄像机能基于任一次序与方位完成渲染，通过增设脚本程序在平台界面上取得良好的交互效果5、组件功能以实现各物体对象的特性为主，从本质上分析各个组件为一个类的实例，通过调整物体对象属性的形式，精确操控相关行为[4]二）Unity 3D工作视图界面1、情景视图作用以规划设计情景及安防物体对象模型、灯光、摄像机等因素为主，为建设虚拟装配情景的部位，在这个视图内用户群体能结合主观意愿转变目标物体对象的方位，从最基础环节保证情景视图部署的科学性2、游戏视图情景内相机设施负责渲染游戏画面，为本平台对外发布以后用户群体用肉眼能观察到。