基于VR技术的船体分段虚拟装焊教学研究

高霆 朱安庆 胡安超

摘要：介绍了使用三维建模软件和虚拟现实开发软件制作分段制造虚拟车间，将专业船舶设计软件Tribon构建的数字样船模型进行轻量化处理后导入3D Max进行细节优化和材质添加，然后导入Unity 3D中进行交互式装配动作设计，最终借助VR集成硬件实现分段虚拟装焊效果，从而构成一个完整的虚拟现实系统。将前沿的虚拟现实技术应用到分段装配仿真中，在教学、培训等领域具有积极的意义。

关键词：分段装配;虚拟装配;虚拟现实;VR硬件

中图分类号：U673     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）39-0188-04

船舶类高校在进行船舶制造技术教学时一直以来在教学手段上都受到限制，在介绍船舶建造总体流程时出于安全考虑不能让学生和加工设备近距离接触，在讲授船舶搭载过程时无法展现搭载的真实过程，在验证分段不同建造方案的优劣时学生由于无法参与验证过程因而对结论很难理解透彻……近些年VR（Virtual Reality虚拟现实）技术快速发展，与各领域的融合越来越多，在游戏、军事训练、房地产、工程制造、购物等领域都掀起了开发热潮[1]，在汽车装配仿真、发动机虚拟拆装等领域都已实现了VR技术的应用。高校作为新技术的应用前沿，VR技术在教学环节中的运用也将是教学手段改革的必然趋势。本文研究了VR技术在船体分段虚拟装配教学中的应用的实现手段。

一、VR技术在船体分段虚拟装配教学中的优势

教师在讲解船体分段建造方式时一般采取的方式是先介绍分段装焊的几种方法，分别讲解其优缺点，再举一个结构分段的装焊实例，最后选择一个分段让同学们进行实践。由于学生对船体分段的认知仅停留在书本和教学视频上，对简单的平面分段还能理解，复杂一些的曲面段就无从下手了。实践环节本意是让学生发挥主观能动性，通过课堂讲授的知识对一个全新的分段进行不同装焊方案的研究，并比较方案之间的优劣，但一来教师没有实物模型可供全体学生实践，仅提供两维图纸对学生的识图和空间想象能力要求较高;二来全静态的研究对于装焊过程中的动态干涉是体现不了的，提交的方案可行性上可能存在问题，再者，焊接物量作为对比方案优劣的重要统计数据只能手工统计，准确性不高，效率也低。而VR技术可以较好地解决这个问题，VR技术和虚拟放样的结合可以几乎零成本地为每位学生提供实践分段，以直观的方式供学生研究船体分段的装焊过程，并结合计算机辅助设计功能给出相应方案的准确装焊物量数据，在提高学生学习兴趣的同时大大提高教学效果。

二、系统构建方案

利用VR技术实现船体分段虚拟装配，其开发思想与机械设备拆装仿真和机器人作业仿真类似，都是零部件的装配顺序模拟和机械设备的动作模拟，但船体分段零件的数量多，为提高仿真效率，需要对零件进行轻量化处理，去除坡口、倒角等次要信息，此外同一个船体分段的装配会有多种方案，零件间拓扑关系比较复杂，因此本系统的开发软件分别选取3D Max和Unity 3D，系统构建的过程如图1所示。

三、模型准备

（一）构建分段制造虚拟车间

依据某造船厂分段加工内场的实际情况，厂房尺寸可以查看厂区规划CAD图纸，厂房内设备的布局可以参考车间布局图，在综合考虑仿真效果和仿真数据量后，对车间设备进行了取舍，最终仿真系统中模拟的设备有：厂房、钢结构、支柱式胎架、固定式胎架、桥式起重机、托盘等。三维模型制作完毕后，导入到Unity 3D中，并添加灯光、天空球，再对场景使用实时光照技术Enlighten模拟，虽然渲染效果没有全局光照的真实，但消耗的硬件资源少，仿真效果更加流畅。搭建完成的分段制造虚拟车间如图2所示。

（二）分段装配技术分析

船体分段装配是将船体零件经过切割加工后，根据分段的装配方案进行拼板、部件、组件等制造级的集配和预制，最后在船体分段胎架上进行组合的过程，此过程又称大组立[3]。根据装配的相似性，分段可分为：（1）平面分段，如货舱底部分段和舷侧分段;（2）简单曲面分段，如货舱舭部分段;（3）复杂曲面分段，如艏艉分段;（4）特殊分段，如槽型舱壁分段等。不同类型的分段的装配方案自然不同，同一类型的分段根据不同船厂的建造能力和作业习惯也会产生不同的装配方案，这不仅仅是正造、反造这两种建造法的分别，更主要的是由于分段内部纵横构件的不同装配顺序的区别。以下为底部平面分段几种常见的内部构件装配方法的简单介绍：

1.分离装配法，将分段内部纵横构件分离，在基准面板列上胎架后，先安装纵向结构，如中纵桁、旁纵桁等，再安装横向构件，如肋板，组成网格状后再进行统一焊接[4]。

2.放射装配法，在基准面板列上胎架后，先安装中纵桁材，再从分段中部向四周依次交替装焊其他肋板和纵桁构件，边装边焊[5]。

3.纵桁法，在基准面板列上胎架后，先从中向两侧交替安装纵桁和纵骨，然后焊接全纵向构件桁，再从中向两侧对称安装横向肋板，最后焊接横向构件[6]。

4.框架法，框架法是先把分段内部纵向构件和横向构件在组件场地装配成框架组件，再在分段制作场地将框架放到基准面板列上进行焊接的一种装配方法。根据不同船厂的精度控制能力，框架大小有区别，可以分成蛋箱形框架和π形框架。

（三）船体分段三维模型创建

船舶設计目前的主流软件还是Tribon，它集CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）和MIS（管理信息系统）于一体，是一款可以实现船体、舾装、涂装各个专业在同一平台下进行并行设计的专家系统[2]。通过这个系统可以对船体结构进行外表面线型光顺，并进行内部结构的准确建模，并能根据不同的分段建造方案进行零部件的装配收集，这就可以为仿真系统中需要的不同的装配方案提供必要的模型素材，考虑到目前国内各船舶设计公司已经积累了大量的船型数据，这就可以为仿真系统提供足够的船型数据。但是，Tribon的渲染能力不足，不能对模型进行赋予材质贴图，视觉效果较差，为此，需要对模型数据采用3D Max进行优化处理。

将用Tribon建立的结构零件模型以dxf的格式导出后输入3D Max，由于数据在传递中可能会发生失真，因此需要对导入的模型进行必要的修补，再将不影响仿真效果的次要信息删除，次要信息主要是焊缝边缘的坡口、型材构件端部的切角、标记线等。然后对零件进行模型面数调整以降低零件数据数量级，实现数据轻量化，再对零件进行钢板材质贴图，最后以部件为单位将模型导入Unity 3D中进行交互式开发。

如图3所示为最终导入Unity 3D后的双层底分段虚拟模型。

四、GUI开发

图形用户界面（Graphical User Interface，简称GUI），GUI是在电子屏幕上使用图形图像方式显示的系统与用户的操作界面[7]，GUI的开发使用Unity 3D自带的图形界面开发模块——UGUI进行开发，并结合C#编程技术实现其功能，如关闭按钮、返回上一界面按钮、零部件选择列表、操作帮助文档、分段装配工艺流程图弹出按钮等，用户界面的效果如图4所示。

（一）自由视角的实现

为了在教学环境中全方位观察虚拟场景中的任何对象，需要开发自由视角功能。借助Unity 3D对鼠标硬件的支持，通过脚本编程实现用鼠标左键控制相机旋转、用鼠标中键滚动实现远近视角渐变、用鼠标中键点击可以实现视角平移。为减少用户对自由视角的误操作，系统开发了视角复位功能。

（二）虚拟装配功能的实现

为了能表达分段装配的流程，综合虚拟现实技术沉浸性、交互性的特性，分段模型虚拟装配的交互方式为：使用鼠标拖拽模结构部件模型，模型边缘匹配到已有结构面时即可确定定位位置，然后用户选择安装方向，系统模拟该部件的安装动作并记录装配顺序。在编程实现时应注意代码的移植性，能较快地实现将一个分段的代码拓展到其他的分段。最终实现的分段虚拟装配能充分体现用户的设计意图，并能直观展示，这种全新的实验教学方式对教学有积极意义。

（三）装配干涉检测的实现

为了验证装配方案的合理性，在模拟零件装配过程时定义了零件的运动轨迹，并借助了Unity 3D的实时空间干涉检查功能，实现了装配过程的动态干涉检查，当干涉一旦发生时就可以高亮提示，这在教学时具备更好的直观效果。

（四）焊接数据的统计

船体结构的装焊除了体现零件间的装配顺序外，焊接的顺序也很重要，当通过Unity 3D实现了各零件的装配顺序后可以由用户来定义焊接的时机和焊接方式，学生可以更好地体会自动焊和手工焊、平角焊和立角焊、俯焊和仰焊的各自特点，并通过定义焊接信息来统计不同焊接方式的长度，形成报表。

（五）教学评价体系的实现

本系统的开发是面向船舶专业的学生，除了用于演示的教学模式外，为检验教学效果，系统开发了学生模型，让学生自己动手制订分段的装焊方案，并定义了题库，学生在制订分段装焊方案时完成相应的题目，最终由教师进行评价。这种教学方式增加了学生的参与度，既提高了学生的学习积极性，又达到了较好的教学效果。

五、船舶分段装配在虚拟仿真装备中的实现

分段虚拟装焊在Unity 3D中完成后还需要实现用户的交互性和沉浸性的体验，这需要借助必要的硬件设备来组成一个完整的虚拟现实系统[8]，硬件设备的选择直接影响用户体验效果。

（一）虚拟现实硬件

虚拟现实世界硬件设备由虚拟现实生成设备、虚拟现实输出设备和虚拟现实输入设备组成[9]。本文介绍的分段虚拟装焊实验系统根据实际实验环境空间和实验人员数量，借助立体投影仪和光学追踪器等设备构成一套完整的虚拟现实系统，如图5所示为一套虚拟现实硬件设备的构成：

1.虚拟现实世界生成设备。主机系统为惠普Z820工作站，24核48线程，采用了2颗Intel至强E5-2650V4，主频为2.2GHz，显卡为NVIDIA Quadro M5000 8GB专业显卡，具有有效增强处理3D效果的能力。

2.虚拟现实输入设备。交互设备使用的是ART公司的Flystick交互手柄，该手柄是用于虚拟现实应用领域的无线式交互设备，全面模拟鼠标交互操作，实现对分段零部件的移动操作。还有三维定位追踪设备，追踪设备为ART公司出品的ART Track设备，是一种经典的光学追踪解决设备，配备多个追踪摄像头，该追踪摄像头采用6自由度测量目标物体，可以快速精准地捕捉用户主动立体眼镜反馈的动作，实现沉浸式效果仿真。

3.虚拟现实输出设备。输出设备使用的是3D投影机和投影幕布，投影机采用DLP技术（Digital Light Procession数字光处理），支持主动立体。投影幕布使用具有波珠涂层的投影幕面，幕面平整，显示效果较好。同时还配备主动立体眼镜，它与3D投影机配合形成立体视感。

Unity 3D开发的分段虚拟装配程序与VR硬件还不能直接实现信息传递，而使用“MiddleVR”就可以简化这个过程[10]，“MiddleVR”作为一种中间工具软件囊括了VR应用的各个方面：输入、输出设备、立体显示、交互，它以可视化界面实现系统的配置。

（二）设置MiddleVR关键参数

1.使用MiddleVR软件创建针对VR硬件系统支持的配置文件，该配置文件应该包含：VR硬件交互设备定义、投影幕布在现实世界中的空间定位、光学追踪器的定位、反光球的反饋通道等虚拟设备与现实世界的交互定义。

2.设置VRManager参数。将MiddleVR插件添加到Unity后，还需要设置“VRManager”属性，“VRManager”属性可以管理与硬件交互的各个方面，例如指定配置文件、是否显示Flystick三维图标、VR系统的中心节点等。

3.统一坐标系。MiddleVR使用的是右手坐标系，但Unity 3D使用的是左手坐标系，Unity脚本直接从MiddleVR中读取3D节点或3D跟踪器的信息时，该信息记录的是MiddleVR中的坐标系，因此必须将此3D信息转换为Unity的坐标系，左手坐标系转换成右手坐标系。

4.传递数据。基于Unity开发的交互程序是以鼠标键盘作为输入设备，而当3D交互程序集成到VR硬件设备上之后，要使用Flystick代替鼠标进行操作（按钮点击、模拟杆操作），Flystick的交互信息最终要反映到3D交互程序中，因此需要通过脚本访问Flystick数据并传递到3D交互程序中。

5.发布程序。Unity 3D支持将开发的程序一键发布到主流操作系统平台，设置完成后，使用Unity 3D的“Build Settings”功能，将程序发布成.exe格式的可执行文件，通过MiddleVR中间软件打开，完成与硬件设备的连接。完成后的效果如图6所示。

六、总结与展望

本文使用建模软件构建了分段制造内场三维模型，并将三维模型导入Unity 3D，完成虛拟车间的构建。将Tribon构建的数字样船模型导入3D Max，并在3D Max中对模型优化处理，最终将分段模型导入Unity 3D，完成分段虚拟模型的构建。使用C#编程实现了分段装配交互式虚拟仿真程序，分段装配脚本具有可拓展性，将该脚本应用于不同船舶类似分段上，能快速实现新分段的装配仿真。最后通过中间软件MiddleVR实现虚拟场景和硬件设备的信息交互，将基于Unity 3D开发分段虚拟装配交互程序集成到一套完整的虚拟现实硬件设备上。

通过以上的虚拟现实手段实现了船舶分段装焊方案的沉浸式教学，在不消耗试验材料的前提下完成了分段不同装焊方案的比较，并让学生在安全的环境下实践了装焊过程，在实际教学中取得的不错的效果。

由于受硬件条件和开发时间的限制，系统内的分段种类和数量还不是很多，让学生在实践环节同时参与的数量有限制，这在未来的系统开发中还需要进一步完善。

参考文献：

[1]吴潇.虚拟现实技术发展研究[J].经营管理者，2016，（17）：12-13.

[2]陈蛟龙，田洋，王儒生.造船生产设计中TRIBON软件的应用[J].农家科技旬刊，2016，（4）：342.

[3]魏鑫.船舶分段装配工艺浅析[J].课程教育研究：学法教法研究，2014，（15）：28.

[4]马强，陈杨.船体分段装配的工艺研究[J].科技资讯，2010，（24）：58.

[5]王友乐，刘玉君，邓燕萍.基于量化分析的船体分段装配工艺优化研究[J].造船技术，2008，（05）：15-18.

[6]王欣宇.船体结构装配和焊接方法[J].商业文化月刊，2016，（9）：204.

[7]徐佳璐.图形用户界面外观设计专利的实质授权条件研究[D].上海：华东政法大学，2015.

[8]何伟.Unity虚拟现实开发圣典[M].北京：中国铁道出版社，2016.

[9]邓媛媛.用虚拟现实技术优化计算机硬件设备教学的方法探析[J].中国现代教育装备，2010，（12）：75-77.

[10]Kuntz S.MiddleVR a generic VR toolbox[C]// Virtual Reality.IEEE，2015：391-392.

Research on Hull Block Virtual Assembly Teaching Based on VR Technology

GAO Ting 1，ZHU An-qing1，HU An-chao2

（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，Jiangsu 212003，China;2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.，Ltd.，Zhenjiang，Jiangsu 212003，China）

Abstract：This paper introduces the use of three-dimensional modeling software and virtual reality software to build a block manufacturing virtual workshop，in which the digital sample ship model，created by Tribon，a professional ship design software，is light weight treated，import them into 3D Max，where the models are optimized and material details added，and then import the models into Unity 3D，where the interactive assembly actions are designed，and finally by means of VR integrated hardware to achieve block virtual assembly effect，consequently a comprehensive virtual reality system is developed.The application of forefront virtual reality technology into the block assembly simulation has positive significance in fields like teaching，training and so on.

Key words：block assembly;virtual assembly;virtual reality;VR hardware