周利江，孫丕波

（1.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院 山東 青島 266071；2.青島酒店管理學(xué)院 山東 青島 266100）

機(jī)械拆裝仿真教學(xué)平臺(tái)研究

周利江1，孫丕波2

（1.青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院 山東 青島 266071；2.青島酒店管理學(xué)院 山東 青島 266100）

針對(duì)設(shè)備投資大、損耗大、輔助材料消耗多的機(jī)械拆裝教學(xué)實(shí)驗(yàn)，建立仿真模擬教學(xué)系統(tǒng)和仿真實(shí)驗(yàn)室逐漸成為教學(xué)改革的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。綜合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了機(jī)械拆裝系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真機(jī)械結(jié)構(gòu)和拆裝過(guò)程，用于機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，本平臺(tái)具有通用性及綜合多樣的實(shí)驗(yàn)功能。

仿真教學(xué)系統(tǒng)；教學(xué)平臺(tái)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；VTree

學(xué)校許多應(yīng)用性和操作性較強(qiáng)的課程，要求學(xué)生在了解當(dāng)前基本原理情況下，能夠獨(dú)立動(dòng)手裝配、設(shè)計(jì)以及可以自己分析處理常規(guī)故障等。創(chuàng)建一個(gè)仿真教學(xué)系統(tǒng)的意義在于它不需要普通實(shí)驗(yàn)室的硬件支持，代價(jià)小，大大節(jié)約教育成本，實(shí)現(xiàn)教育資源共享，更新速度快，能夠逼真地模擬真實(shí)操作環(huán)境達(dá)到甚至超過(guò)實(shí)際操作的預(yù)期效果。

這里的仿真教學(xué)系統(tǒng)，是指基于計(jì)算機(jī)三維模型，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)設(shè)備、儀器（如教學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、洗衣機(jī)、組裝用的計(jì)算機(jī)設(shè)備、示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等）的純軟件系統(tǒng)。這些仿真教學(xué)設(shè)備、儀器都可通過(guò)筆記本電腦、臺(tái)式PC或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。仿真設(shè)備、儀器通過(guò)軟件仿真整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)教學(xué)、仿真拆裝實(shí)驗(yàn)，還可進(jìn)行仿真拆裝考核等功能。通過(guò)交互式拆裝以及必要的提示，輔助學(xué)習(xí)者的設(shè)備結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)及設(shè)備拆裝訓(xùn)練。通過(guò)對(duì)拆裝過(guò)程等的評(píng)估實(shí)現(xiàn)設(shè)備學(xué)習(xí)自測(cè)或考核[1，6]。

現(xiàn)實(shí)教學(xué)中，由于教學(xué)的不同需要，虛擬設(shè)備要不斷地改進(jìn)，以滿(mǎn)足變化的需求。通過(guò)該平臺(tái)，用戶(hù)（可以是經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的教師或者有一定基礎(chǔ)的軟件人員）可以方便的根據(jù)專(zhuān)業(yè)和課程的要求配置開(kāi)發(fā)出合適本次實(shí)驗(yàn)的仿真教學(xué)場(chǎng)景以輔助教學(xué)。即根據(jù)情況定義自己的模擬實(shí)驗(yàn)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的VC++6.0和CG2公司的VTree實(shí)現(xiàn)，VTree能用于多平臺(tái)的三維可視化應(yīng)用，它既可用在高端的SGI工作站上，也能用在普通PC上。其生成和連接不同節(jié)點(diǎn)到一個(gè)附屬于景物實(shí)體的可視化樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)可視化樹(shù)狀結(jié)構(gòu)定義了如何對(duì)實(shí)體進(jìn)行渲染和處理。SDK包括大量的C++類(lèi)和壓縮抽象OpenGL圖形庫(kù)、數(shù)組類(lèi)型及操作的方法。平臺(tái)本身可將細(xì)節(jié)處理成一組源代碼來(lái)開(kāi)發(fā)和維護(hù)。它將實(shí)時(shí)三維圖形的設(shè)計(jì)作為一個(gè)目標(biāo)，在可視化和仿真開(kāi)發(fā)方面是一個(gè)性能價(jià)格比非常好的開(kāi)發(fā)工具[2-4]。

1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模塊

如圖1所示系統(tǒng)模塊是一個(gè)有機(jī)的整體，互相之間存在邏輯關(guān)系。教學(xué)設(shè)備管理模塊：管理與設(shè)備有關(guān)的各種素材。此部分為教員提供教學(xué)設(shè)備的輸入、管理平臺(tái)，包括設(shè)備子部件與模型子結(jié)點(diǎn)名稱(chēng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系編輯、設(shè)備拆裝順序的定義等；設(shè)備瀏覽演示：瀏覽演示設(shè)備的各素材，作為學(xué)員或參觀(guān)人員進(jìn)行參觀(guān)教學(xué)的主要平臺(tái)。包括各種素材的瀏覽、播放等；設(shè)備拆裝訓(xùn)練：依據(jù)所選擇設(shè)備的拆裝順序指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行拆裝，并提供錯(cuò)誤警告、信息提示等；設(shè)備拆裝考核：依據(jù)所選擇設(shè)備的拆裝規(guī)則在指定時(shí)間內(nèi)對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)定。

圖1 仿真設(shè)備開(kāi)發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Simulation platform equipment development module structure

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖Fig.2 System architecture diagram

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）仿真設(shè)備建立：進(jìn)行設(shè)備場(chǎng)景設(shè)計(jì)，設(shè)備面板、元件選擇，在可視化的編輯環(huán)境中進(jìn)行設(shè)備組合，建立仿真設(shè)備。

2）設(shè)備操控關(guān)系建立與編輯：提供可視化的設(shè)備操控邏輯關(guān)系定義和代碼實(shí)時(shí)修改編譯環(huán)境。用戶(hù)可以在代碼編輯環(huán)境中，對(duì)操控關(guān)系等所有的軟件代碼進(jìn)行修改，以符合用戶(hù)對(duì)設(shè)備的復(fù)雜要求。

3）平面設(shè)備元件編輯：本平臺(tái)提供幾百套的元件模板，如開(kāi)關(guān)，數(shù)碼管，旋鈕等。用戶(hù)可以方便的利用它們生成所需的設(shè)備元件對(duì)象。

4）三維設(shè)備元件編輯：提供常用模塊文件的引入，模型分解、重建，并保存為自定義模型形式。

5）設(shè)備元件擴(kuò)充：提供標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，將不同的第三方軟件，如ActiveX等作為設(shè)備控件元件直接嵌入系統(tǒng)。

6）仿真教學(xué)設(shè)備輸出：提供實(shí)時(shí)、方便的軟件代碼修改、編譯、鏈接環(huán)境，將仿真設(shè)備編輯結(jié)果生成可執(zhí)行文件。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)理論，結(jié)合VC，VTree，MySQL設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)機(jī)械仿真拆裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[5]，在運(yùn)行界面中設(shè)置好所有的訓(xùn)練科目參數(shù)，然后進(jìn)入管理模塊，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，工作函數(shù)不斷調(diào)用各機(jī)械模塊的更新函數(shù)，實(shí)時(shí)更新對(duì)象位置、狀態(tài)、角度等。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)用戶(hù)界面Fig.3 System user interface

用戶(hù)利用本系統(tǒng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械部件擺放，代碼修改，可直接產(chǎn)生仿真教學(xué)場(chǎng)景執(zhí)行軟件，進(jìn)一步可形成機(jī)械仿真設(shè)備訓(xùn)練、設(shè)備運(yùn)行演示等。是一種適用范圍非常廣泛、使用方便的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本系統(tǒng)具有以下功能：

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)展示：系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)教學(xué)時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，如機(jī)械部件的展示，某些機(jī)械剖面圖的展示，還可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)；

2）部件相關(guān)信息的展示：在展示環(huán)節(jié)，根據(jù)鼠標(biāo)指向，可實(shí)時(shí)展示機(jī)械部件的名稱(chēng)、用途、基本工作原理、外形尺寸、材料、維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)等文字信息、實(shí)際照片、工作時(shí)的聲音信息、某些相關(guān)視頻信息等；

3）機(jī)械設(shè)備交互式拆裝功能：包括機(jī)械部件的選擇，某些部件需要進(jìn)行特殊拆裝工具的選擇；部件手動(dòng)拖動(dòng)（可通過(guò)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則對(duì)部件的移動(dòng)進(jìn)行限制）；拆裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)撤消、還原等操作；提供部件運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式等約束規(guī)則的編輯功能；提供部件拆裝先后順序的規(guī)則設(shè)置；提供部件組合功能的設(shè)置；提供部件拆裝提示功能設(shè)置。還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆裝演示（被選擇部件按預(yù)先設(shè)置的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行自動(dòng)拆裝）；

4）機(jī)械拆裝動(dòng)畫(huà)功能：可將拆裝過(guò)程記錄為動(dòng)畫(huà)，實(shí)現(xiàn)拆裝過(guò)程回放；單個(gè)部件動(dòng)畫(huà)效果（旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等）控制；動(dòng)畫(huà)參數(shù)設(shè)置（動(dòng)畫(huà)幀數(shù)控制及單幀設(shè)置）；動(dòng)畫(huà)的保存與讀??；播放進(jìn)度控制（播放、暫停、加速、減速等）；

5）實(shí)現(xiàn)機(jī)械拆裝的考核功能：拆裝考核（工具選擇、拆裝方式、拆裝順序等）；機(jī)械及部件的識(shí)別；按規(guī)定題目進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)等操作的考核；

6）機(jī)械模型管理：多種常見(jiàn)模型文件間的轉(zhuǎn)換；機(jī)械模型的編輯（燈光的設(shè)置、材質(zhì)的設(shè)置等）；機(jī)械及部件相關(guān)信息的管理；提供三維機(jī)械模型庫(kù)的管理功能（查詢(xún)、刪除、添加等）。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于VC和VTree開(kāi)發(fā)環(huán)境，真實(shí)的仿真了機(jī)械結(jié)構(gòu)和拆裝過(guò)程。文中提出的仿真教學(xué)平臺(tái)有較強(qiáng)的通用性，模板的定義和模型的添加全部使用可視化操作，各類(lèi)機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)，定義或者添加相應(yīng)的模型即可。

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Research of mechanical disassembly simulation teaching platform

ZHOU Li-jiang1，SUN Pi-bo2
（1.Qingdao Ocean Shipping Mariners College，Qingdao266071，China；2.Qingdao Hismile College，Qingdao266100，China）

For equipment investment， loss of large number of teaching support materials consumption experiments， the establishment of education system simulation，simulation laboratory teaching has become a hot issue.The design of mechanical disassembly system is discussed designed and simulated platform by integrated computer hardware and software system.The platform Simulation of mechanical structure and disassembly process，and it can be used for mechanical disassenmbly simulation.The platform is versatile and comprehensive variety of experimental features.

simulation teaching system；teaching platform；virtual reality technology；VTree

TP399

A

1674－6236（2012）05-0036-03

2011-10-21稿件編號(hào)：201110097

周利江（1977—），男，山東青島人，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。