一种教学用动态三维模型的构建方法及教学仿真系统与流程

本发明属于智能制造的仿真系统领域，具体涉及一种教学用动态三维模型的构建方法及教学仿真系统。

背景技术：

在职业院校(包括中等职业院校和高等职业院校)的教学和实训过程中，不论是老师教学还是学生实训，师生关注点均是工程过程以及相关知识，而并非三维仿真软件的操作。然而目前市场上没有专门针对教学环节设计的仿真软件，职业院校采用现有的工业仿真软件作为教学工具，但工业仿真软件存在学习门槛高，操作繁琐的问题。

在所有的仿真软件中，三维模型通常都是由大量子模型文件构成，仿真软件需要将这些子模型文件进行分组，分组的依据是将具有独立运动形成的组件分为一组，例如在顶升机构中，将组建分为“可运动”部分和“不可运动”部分，现有技术中仿真软件的操作步骤如下：

第一步、创建part(即静态模型)：

首先分组：新建group(即所述的组)对象，将静态模型的子模型分别拖放至自己的逻辑组中，此时所有的静态模型处于待分组状态，分别创建两个新的group，将所有静态模型分在一个组中，动态模型分在另一个组中；

然后合并：将每个group中的子模型合并成为一个系统中可独立识别的逻辑单元part；

第二步、创建机械结构，为part增添运动能力，操作步骤如下：

2.1、创建link(零部件组)，在part的基础上添加位置和朝向属性；

2.2、创建joint(零部件组的运动关系)，在link之间创建运动关系属性，例如相对方向，最大行程等；

2.3、编译机械结构，完成机械结构创建；

第三步、设置行程点，通过为机械结构创建行程点以及运行时间，实现复杂的运动路径，具体操作步骤如下：

3.1创建起点，创建机械结构运动的起点；

3.2创建终点，创建机械结构运动结束点；

3.3预览观察整个机械结构的运动过程。

上述过程为目前现有技术中工业用的仿真系统的应用过程，其具有后台系统庞大、灵活度高、适合处理复杂非标准件的特点，然而，将上述仿真系统用于教学实践环节应用的仿真系统中，存在这诸多缺点和不便利之处，不利于教学环节使用，例如：

1、过程工作量大，该系统从开始到能够完整看到一个部件的运动过程，需要调用大量的数据，设置诸多参数，其过程复杂繁琐。

2、运动参数无法灵活定义，运动参数只能应用创建过程中定义的参数，使用的过程中无法灵活定义。

3、动作无法即时预览，所有的动作必须在三维模型创建完成后才能够看到效果，应用过程中无法实时预览运动动作。

4、门槛高，工业用的仿真系统需要专业人员操作，系统庞大复杂，入门门槛高。

5、操作时间过长，仿真过程从开始创建模块到完成系统机械结构的动作，需要的操作时间太长，不适合教学应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种教学用动态三维模型的构建方法及教学仿真系统，解决了现有工业化仿真系统不适用于教学实践环节仿真过程的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种教学用动态三维模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、将预先存储好的三维模型根据机械运动原理进行分组，将同一种运动类型的子模型归为一组，每一组定义为一个link；

步骤2、对分组后的link进行父子关系定义，然后进行层级关系结构调整；

步骤3、在link的外层增加隐藏的相对运动连接点，对相对运动连接点进行三维空间位置及角度的处理，完整定义相对运动连接点的任意运动轴向、旋转方向，使得三维模型具有动态属性；

步骤4、通过运动api控制相对运动连接点运动，使得三维模型完成相应的动作；

步骤5、为每一个具有动态属性的三维模型定义属性面板、运动控制参数。

根据link的运动方式、原理及从属关系，进行三维空间位置及角度的处理。

对分组后的link进行树状关系结构调整。

相对运动连接点设置在两个具有相对运动的父子关系link的中间，且位于子link的外层。

一种用于教学中的三维仿真系统，包括后台控制模块、显示模块、存储模块、指令输入模块；其中，存储模块用于存储应用该方案中的方法构建的三维模型；后台控制模块根据指令输入模块的输入指令，调用存储模块中的三维模型并发出相应的动作指令，使得三维模型完成指令动作；显示模块用于显示三维模型的动态变化过程和静态效果；指令输入模块用于外部输入动作指令及运动参数。

显示模块包括三维模型显示单元、属性显示单元、指令显示单元；三维模型显示单元用于显示三维模型的静态效果及动态变化过程，属性显示单元用于显示相应三维模型的基本属性，指令显示单元用于显示输入的动作指令参数。

所述三维仿真系统的操作方法如下：

步骤1、通过外部输入指令调用存储模块中的三维模型，放置于三维模型显示单元；

步骤2、通过属性显示单元中的信息获取该三维模型的运动属性；

步骤3、在指令显示单元输入该三维模型的运动指令参数；

步骤4、点击指令显示单元中的运行按钮，控制三维模块按照输入的运动指令参数进行运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明针对该问题重新设计“创建机械结构”过程，达到降低门槛，降低操作工作量和操作时间，提升灵活度的目标。

2、本发明的仿真系统实现“创建机械结构”最小化配置操作，实现运动参数任意配置，动作能够实时预览。

3、终端用户应用本发明的仿真系统，不需要花费大量的时间构建三维模型，只需要在存储模块中选取需要的三维模型放置在显示单元，然后，按照属性面板参数，设定运动指令，点击显示界面的指令运行按钮，即可完成三维模型的运动过程，实时观察仿真结果，方便了用户操作，使得教学更直观，教室讲解轻松，学生理解容易。

附图说明

图1为本发明顶升机构三维模型立体图。

图2为本发明顶升机构三维模型前视图。

图3为本发明顶升机构三维模型运动过程的立体图。

图4为本发明顶升机构三维模型运动过程的前视图。

图5为本发明顶升机构三维模型运动控制面板图。

图6本发明单工位进料系统三维模型立体图。

图7为本发明单工位进料系统三维模型上视图。

图8为本发明单工位进料系统三维模型运动过程的立体图。

图9为本发明单工位进料系统三维模型运动过程的上视图。

图10为本发明单工位进料系统三维模型运动控制面板图。

图11为本发明变位机三维模型立体图。

图12为本发明变位机运动状态图。

图13为本发明变位机三维模型运动控制面板图。

图14为本发明三维仿真系统的模块组成示意图。

其中，图中的标识为：1-固定支撑板；2-线性导向轴；3-直线轴承；4-顶板；5-气缸；6-顶升机构升降连接点；7-工作台；8-治具底基座；9-线性滑轨；10-无杆气缸；11-治具底基座连接点；12-变位机立柱；13-变位机纵梁；14-法兰；15-立柱回转支撑；16-第一纵梁回转支撑；17-变位机纵梁法兰连接点；18-变位机立柱纵梁连接点；19-第二纵梁回转支撑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

一种教学用动态三维模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤1、将预先存储好的三维模型根据机械运动原理进行分组，将同一种运动类型的子模型归为一组，每一组定义为一个link；

步骤2、对分组后的link进行父子关系定义，然后进行层级关系结构调整；

步骤3、在link的外层增加隐藏的相对运动连接点，对相对运动连接点进行三维空间位置及角度的处理，完整定义相对运动连接点的任意运动轴向、旋转方向，使得三维模型具有动态属性；

步骤4、通过运动api控制相对运动连接点运动，使得三维模型完成相应的动作；

步骤5、为每一个具有动态属性的三维模型定义属性面板、运动控制参数。

根据link的运动方式、原理及从属关系，进行三维空间位置及角度的处理。

对分组后的link进行树状关系结构调整。

相对运动连接点设置在两个具有相对运动的父子关系link的中间，且位于子link的外层。

为了进一步说明该方案的动态三维模型的构建方法，下面通过具体例子详细说明。

具体实施例一

以顶升机构的三维模型构建为例对该方案的动态三维模型的构建方法做详细介绍，如图1至图5所示，

顶升机构的主要零部件包括固定支撑板1、线性导向轴2、直线轴承3、顶板4、气缸5，气缸5包括气缸本体和气缸推杆，预先将所有零部件存储在存储模块中，然后开始构建该具有动态属性的顶升机构三维模型，构建步骤如下：

步骤1、从预先存储好零部件的存储模块中调取12345一系列的零部件，对所调取的零部件根据机械运动原理进行分组，将同一种运动类型的零部件归为一组，每一组定义为一个link(即零部件组，本文所述link和零部件组均属于同一个物理含义)；将13和气缸本体分为一组，该组为静态零部件组，将24和气缸推杆分为一组，该组为动态的零部件组；

步骤2、对步骤1中分组后的link进行父子关系定义，然后进行树状结构的层级关系调整；将步骤1中静态的零部件组定义为父组a,动态的零部件组定义为父组a的子组a；

步骤3、在link的外层增加隐藏的gameobject对象(即相对运动连接点)，根据link的相对运动方式、原理及从属关系，对gameobject进行三维空间位置及角度的处理，完整定义link的任意运动轴向、旋转方向；

在父子零部件组相对运动的节点处，在子组a的外层定义一个隐形的连接点，该实施例在气缸本体和气缸推杆之间位于气缸推杆的外侧中心点处定义顶升机构升降连接点6，顶升机构升降连接点6定义纵向轴向运动属性，+为向上运动，-为向下运动；

步骤4、通过运动api(应用程序接口)调用程序来实现控制顶升机构升降连接点6的上、下轴向运动；

步骤5、为顶升机构三维模型定义运动属性面板、控制参数，编译为可执行文件存储于存储模块中。

该实施例顶升机构的仿真操作过程如下：

将存储模块中的顶升机构三维结构图调入显示窗口，显示窗口同时弹出如图5所示的动作设置界面，编号act1、act2为动作编号，名称为顶升机构的动作名称，时长为相应的动作完成需要的时间，以秒为单位，预览为相应的预览按钮；

在act1对应的上升时长栏输入2，点击横排对应的预览按钮，显示单元中的顶升机构上部分从启动到升到最顶端用时2秒；

在act2对应的上升时长栏输入1，点击横排对应的预览按钮，显示单元中的顶升机构上部分从最顶端下降到原始状态用时1秒。

具体实施例二

以单工位进料系统的三维模型的构建为例，对该方案进行详细的介绍，如图6至图10所示，

单工位进料系统的主要零部件包括工作台7、治具底基座8、线性滑轨9、无杆气缸10，其中，线性滑轨平行设置于工作台7的台面上，无杆气缸10设置在两根线性滑轨9的中间，无杆气缸10包括导向块和气缸本体，线性滑轨9包括滑轨和滑块，滑块设置在滑轨上，能够沿滑轨往复运动，治具基底座8位于导向块的上方跨接在两个滑块上。

预先将所有零部件存储于存储模块中，然后开始构建该具有左右运动属性的单工位进料系统的动态三维模型，构建步骤如下：

步骤1、从预先存储好零部件的存储模块中调取工作台7、治具底基座8、线性滑轨9、无杆气缸10一系列的零部件，对所调取的零部件根据机械运动原理进行分组，将同一种运动类型的零部件归为一组，该实施例将无杆气缸10的导向块、线性滑轨9的滑块和治具基底座8分为一组，该组为动态零部件组，工作台7、线性滑轨9的滑轨和无杆气缸10的本体分为一组，该组为静态的零部件组；

步骤2、对步骤1中分组后的零部件组进行父子关系定义，然后进行树状结构的层级关系调整；将步骤1中静态的零部件组定义为父组b,动态的零部件组定义为父组b的子组b；

步骤3、在零部件组的外层增加隐藏的相对运动连接点，根据父组b和子组b之间的相对运动方式、原理及从属关系，对相对运动连接点进行三维空间位置及角度的处理，完整定义零部件组的任意运动轴向、旋转方向；

在父子零部件组相对运动的节点处，在子组b的外层定义一个隐形的连接点，该实施例在气缸导向块和本体之间，位于导向块的外层中心点处设置治具底基座连接点11，治具底基座连接点11定义横向轴向运动属性，+为前进运动，-为后退运动；

步骤4、通过运动api(应用程序接口)调用程序来实现控制治具底基座连接点11的左、右横向轴向运动；

步骤5、为单工位进料系统的三维模型定义运动属性面板、控制参数，编译为可执行文件存储于存储模块中。

该实施例单工位进料系统的仿真操作过程如下：

将存储模块中的单工位进料系统三维结构图调入显示窗口，显示窗口同时弹出如图10所示的动作设置界面，编号act1为动作编号，名称为单工位进料系统的自定义动作名称，速度为相应的动作速度，以米每秒为单位，设置里包括四个按钮，从左到右依次为动作参数查看、动作参数修改、动作预览、动作参数删除；动作设置界面还包括如下参数：

x(mm)表示移动部分的移动轴向，与原点坐标x轴方向一致；

y(mm)表示移动部分的移动轴向，与原点坐标y轴方向一致；

z(mm)表示移动部分的移动轴向，与原点坐标z轴方向一致；

0表示移动行程的最小距离；

1380表示移动行程的最大距离；

拖拽滑块确定最终行程，点击右上角的按钮增加一条动作设置属性，编号act1对应的名称可填写移至进料位置，速度设定为1m/s，即动作设置完成。点击动作参数查看按钮查看设置的参数，点击动作参数修改按钮修改设置的参数、点击动作预览按钮可在场景中观察设备运动、点击动作参数删除按钮可删除该条参数数据。

具体实施例三，

以变位机的三维模型的构建为例，对该方案进行详细的介绍，如图11至图13所示，

变位机的主要零部件包括变位机立柱12、变位机纵梁13、法兰14、立柱回转支撑15、第一纵梁回转支撑16、第二纵梁回转支撑19，其中，变位机立柱12具有立柱回转支撑15，变位机纵梁13具有第一纵梁回转支撑16和第二纵梁回转支撑19，立柱回转支撑15与第一纵梁回转支撑16连接且能够相对运动，第二纵梁回转支撑19与法兰14连接且能够相对运动。

预先将变位机的所有零部件存储于存储模块中，然后开始构建该具有旋转运动属性的变位机的动态三维模型，构建步骤如下：

步骤1、从预先存储好零部件的存储模块中调取变位机的零部件，对所调取的零部件根据机械运动原理进行分组，将同一种运动类型的零部件归为一组，并且对分组后的零部件组进行父子关系定义，然后进行树状结构的层级关系调整；

该实施例将变位机立柱12和立柱回转支撑15分为一组，该组为静态零部件组，定义为父组c，变位机纵梁13和第一纵梁回转支撑16、第二纵梁回转支撑19分为一组，该组为动态的零部件组，定义为父组c下属的子组c，法兰14分为一组，该组为动态的零部件组，定义为子组c下属的子组d，子组c同时作为父组c的子组和子组d的父组存在；

步骤2、在零部件组的外层增加隐藏的相对运动连接点，根据父组c、子组c和子组d之间的相对运动方式、原理及从属关系，对相对运动连接点进行三维空间位置及角度的处理，完整定义零部件组的任意运动轴向、旋转方向；

在父子零部件组相对运动的节点处，在子组c和子组d的外层各定义一个隐形的连接点，该实施例在立柱回转支撑15和第一纵梁回转支撑16之间增加变位机立柱纵梁连接点18，变位机立柱纵梁连接点18位于立柱回转支撑15和第一纵梁回转支撑16的接触面中心轴上，变位机立柱纵梁连接点18定义为旋转运动属性，第一纵梁回转支撑16可以随变位机立柱纵梁连接点18的旋转绕中心轴旋转；

法兰14与第二纵梁回转支撑19之间增加变位机纵梁法兰连接点17，变位机纵梁法兰连接点17位于法兰14与第二纵梁回转支撑19的接触面中心轴上，变位机纵梁法兰连接点17定义为旋转运动属性，法兰14可以随变位机纵梁法兰连接点17的旋转绕中心轴旋转；

步骤3、通过运动api(应用程序接口)调用程序来实现控制变位机纵梁法兰连接点17和变位机立柱纵梁连接点18的旋转运动；

步骤4、为变位机的三维模型定义运动属性面板、控制参数，编译为可执行文件存储于存储模块中。

该实施例变位机的仿真操作过程如下：

将存储模块中的变位机三维结构图调入显示窗口，显示窗口同时弹出如图13所示的动作设置界面，编号act1为动作编号，名称为变位机的自定义动作名称，速度为相应的动作速度，以米每秒为单位，设置里包括四个按钮，从左到右依次为动作参数查看、动作参数修改、动作预览、动作参数删除；动作设置界面还包括如下参数：

x(mm)表示旋转轴，与原点坐标x轴方向一致；

y(mm)表示旋转轴，与原点坐标y轴方向一致；

z(mm)表示旋转轴，与原点坐标z轴方向一致；

0表示旋转的最小角度；

360表示旋转的最大角度；

拖拽滑块确定旋转角度，点击右上角的按钮增加一条动作设置属性，编号act1对应的名称可填写移至焊接位置，速度设定为30°/s，即动作设置完成。点击动作参数查看按钮查看设置的参数，点击动作参数修改按钮修改设置的参数、点击动作预览按钮可在场景中观察设备运动、点击动作参数删除按钮可删除该条参数数据。

一种用于教学中的三维仿真系统，如图14所示，包括后台控制模块、显示模块、存储模块、指令输入模块；其中，存储模块用于存储应用该方案中的方法构建的三维模型，该系统的应用可以调用具体实施例一至三的模块构建方法构建的三维模型，其具体应用在实施例中做了详细的介绍；后台控制模块根据指令输入模块的输入指令，调用存储模块中的三维模型并发出相应的动作指令，使得三维模型完成指令动作；显示模块用于显示三维模型的动态变化过程和静态效果；指令输入模块用于外部输入动作指令及运动参数。

显示模块包括三维模型显示单元、属性显示单元、指令显示单元；三维模型显示单元用于显示三维模型的静态效果及动态变化过程，属性显示单元用于显示相应三维模型的基本属性，指令显示单元用于显示输入的动作指令参数。

所述三维仿真系统的操作方法和操作步骤如下：

步骤1、通过外部输入指令调用存储模块中的三维模型，放置于三维模型显示单元；

步骤2、通过属性显示单元中的信息获取该三维模型的运动属性；

步骤3、在指令显示单元输入该三维模型的运动指令参数；

步骤4、点击指令显示单元中的运行按钮，控制三维模块按照输入的运动指令参数进行运动。

本发明基于游戏软件(基于平台)应用软件的api，控制相对运动连接点能够按照预先定义的属性运动，进而带动相应的零部件运动，实现各零部件之间的相对运动。

为了更清楚地说明本发明的技术方案，上面仅仅举例进行说明，将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，所描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。