沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院 馬洪安 陳 雷 劉 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐讓書

基于UG的拆裝虛擬教學(xué)平臺(tái)的搭建與應(yīng)用

沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)院 馬洪安 陳 雷 劉 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐讓書

針對(duì)內(nèi)燃機(jī)拆裝實(shí)踐教學(xué)效果不理想的情況，本文應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建內(nèi)燃機(jī)拆裝虛擬平臺(tái)。通過實(shí)際實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)及部件運(yùn)行原理等知識(shí)點(diǎn)的掌握與理解，明顯提高內(nèi)燃機(jī)拆裝實(shí)踐的教學(xué)效果。

UG 虛擬現(xiàn)實(shí) 教學(xué)平臺(tái)

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)、多媒體和信息交換等相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)已成為各國教育與教學(xué)重要的手段與工具。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)具有不受時(shí)間、不受地點(diǎn)約束的高校的特點(diǎn)，因此備受重視。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)建模、圖像處理、傳感控制、數(shù)值仿真及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的一種先進(jìn)仿真模擬系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建的虛擬場景內(nèi)，學(xué)習(xí)者可以用手或者工具觸摸、用眼睛完成直接觀察等交互式動(dòng)作，結(jié)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聲效，使人感受“虛擬的實(shí)際現(xiàn)場”。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)試驗(yàn)、電腦游戲、駕駛培訓(xùn)等多個(gè)領(lǐng)域。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教師在專業(yè)課程教學(xué)中可以充分利用直觀清晰的圖像、圖形、三維結(jié)構(gòu)和聲音等復(fù)雜多樣的表現(xiàn)形式，引起學(xué)生視覺、觸覺和聽覺等感官的同步感受，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)主要有兩種途徑與方式，均是在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件VRP上進(jìn)行的。

第一種是采用平臺(tái)結(jié)合VRML、Java3D、3DML和Virtools等軟件，這類軟件支持虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)，采用這種技術(shù)路線完成虛擬平臺(tái)建設(shè)的較多。該技術(shù)路線支持三維建模與紋理映射，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和虛擬操作的實(shí)時(shí)交互功能，能開發(fā)出靈活度高、交互性強(qiáng)的虛擬仿真系統(tǒng)，但因渲染效果差、信息傳輸率低及編程復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了此方式的進(jìn)一步應(yīng)用與推廣。

第二種是采用平臺(tái)結(jié)合METASTREAM、VIEWPOINT、CULT3D等相關(guān)軟件加以實(shí)現(xiàn)。虛擬拆裝系統(tǒng)中建模部分和控制部分分離，建模主要采用專業(yè)的3DMAX、Pro/E、UG和MAYA等三維軟件設(shè)計(jì)完成。專業(yè)三維軟件以渲染效果高、傳輸速率快、編程簡便等天然優(yōu)勢(shì)，便可獲得虛擬景象，以利用CULT3D、UG（Pro/E）與3DMAX等已成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)與開發(fā)的一套成熟方案，并被廣泛利用。CULT3D 軟件是可在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行3D產(chǎn)品發(fā)布的專業(yè)軟件，對(duì)電腦硬件要求低、易于上手和操作簡便。CULT3D其可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的高質(zhì)量性和流式傳送特性，模型庫文件較小。因此，CULT3D被廣泛應(yīng)用于3D產(chǎn)品發(fā)布、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)等多個(gè)方面。

一、背景

學(xué)生學(xué)習(xí)與了解內(nèi)燃機(jī)工作原理、內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造與設(shè)計(jì)、內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)等專業(yè)知識(shí)與基礎(chǔ)上，作為能源與動(dòng)力工程本科專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐類課程，發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)踐具有極為重要的意義，是學(xué)生內(nèi)燃機(jī)理論學(xué)習(xí)與實(shí)際相結(jié)合最重要的一環(huán)。當(dāng)前我?？晒┎鹧b實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)燃機(jī)為三菱4G63/4G64汽油機(jī)等共計(jì)10臺(tái)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為使學(xué)生更為熟悉與對(duì)比內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的變化，另增加結(jié)構(gòu)稍簡單的兩臺(tái)492型汽油機(jī)，相對(duì)應(yīng)的，能源與動(dòng)力工程專業(yè)（內(nèi)燃機(jī)方向）每年兩個(gè)班形，約62人，每臺(tái)（組）發(fā)動(dòng)機(jī)四至五名學(xué)生。另外，隨著科技的迅速發(fā)展，多種新型內(nèi)燃機(jī)不斷涌現(xiàn)，即使筆者所在院校的三菱4G63/4G64發(fā)動(dòng)機(jī)，也是2007年前后的產(chǎn)品，而且該型發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上也有了一定程度的改進(jìn)與更新，與當(dāng)今時(shí)代的產(chǎn)品與技術(shù)依舊有一定差距。

專業(yè)拆裝實(shí)踐教學(xué)中出現(xiàn)的問題主要有：

1.發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)陳舊，限制了學(xué)生了解更新的專利與技術(shù)。

2.實(shí)踐指導(dǎo)不夠及時(shí)。由于實(shí)踐教學(xué)時(shí)學(xué)生數(shù)較多，指導(dǎo)教師完全詳細(xì)講解較為困難與不便。

3.同組內(nèi)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)有好有壞。同組的同學(xué)部分參與、部分旁觀的情況，旁觀相對(duì)于動(dòng)手的學(xué)生了解。

4.部分部件拆卸不徹底。受限于實(shí)踐教學(xué)空間與工具，發(fā)動(dòng)機(jī)某些部件整體結(jié)構(gòu)拆卸不完全與不徹底，如活塞連桿機(jī)構(gòu)和缸蓋等。

5.某些零件的細(xì)微結(jié)構(gòu)單純依賴觀察難于理解與掌握。

針對(duì)上述實(shí)踐教學(xué)中的問題與困難，每年更新發(fā)動(dòng)機(jī)有現(xiàn)實(shí)的困難，很多廠商限于技術(shù)和專利的保護(hù)，以及教學(xué)設(shè)備資金不足與較長的周期；其他困難與問題則可以通過搭建拆裝虛擬平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)與解決。

（1）拆裝虛擬平臺(tái)可以隨時(shí)隨地的開展，不受時(shí)間、學(xué)生數(shù)、場地及工具的限制。

（2）平臺(tái)可以使學(xué)生產(chǎn)生沉浸感，提升學(xué)生的主動(dòng)性，增加學(xué)習(xí)效果；通過鍵盤與鼠標(biāo)等交互界面讓學(xué)生深入其中，探尋科技帶來的奧秘。

（3）減少實(shí)踐環(huán)節(jié)中的零件破損與丟失；在拆裝虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)過程中，將減少學(xué)生輔助性任務(wù)，借以減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件的破損。

（4）拆裝虛擬平臺(tái)的針對(duì)性；針對(duì)較為復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)部件和結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以反復(fù)觀察、學(xué)習(xí)與探究。

二、拆裝虛擬平臺(tái)建設(shè)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合軟件、硬件的優(yōu)勢(shì)而形成的新型技術(shù)。根據(jù)需要可選擇三維掃描儀、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、頭戴式顯示儀、音頻生成與合成裝備、力反饋設(shè)備等多種硬件。但硬件結(jié)合的拆裝虛擬平臺(tái)因投入巨大、難度極高等特點(diǎn)，在當(dāng)前的學(xué)校教學(xué)設(shè)備投入條件下難以實(shí)現(xiàn)。面對(duì)教學(xué)的主要方式和方法是，采用鍵盤、鼠標(biāo)操作方式的軟件人機(jī)交互界面，完成拆裝虛擬平臺(tái)的建設(shè)。

參考相關(guān)技術(shù)手段與研究成果，本拆裝虛擬平臺(tái)建設(shè)采用UG+3DMAx+CLUT3D路線實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)主要用于輔助我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生拆裝實(shí)踐課程教學(xué)。通過鼠標(biāo)和鍵盤操作可以縮放、轉(zhuǎn)動(dòng)零部件，調(diào)整觀測視角完整認(rèn)識(shí)與了解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、零件裝配連接與位置關(guān)系，給出部件與整機(jī)拆卸和裝配等過程。

零件通過參數(shù)化建模方法，利用UGNX進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以得到準(zhǔn)確尺寸的零件三維模型。CULT3D與UG軟件的模型不可以直接對(duì)接，因此，需要零件的三維模型通過3D STUDIO MAX進(jìn)行文件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

測繪得到所有零件的尺寸，通過UG構(gòu)建各個(gè)零件的三維模型，并導(dǎo)出為STL的格式文件，利用3D STUDIO MAX軟件將STL零件文件進(jìn)行渲染處理，增加光效、材質(zhì)與動(dòng)畫等處理，以增加零件模型的真實(shí)性，并通過形成的文件進(jìn)行輸出為c3d類型的文件，該類文件能夠由CULT3D導(dǎo)入與處理。

在CULT3D中輸入各個(gè)零件的c3d文件，將其轉(zhuǎn)換成矢量格式文件，從而在進(jìn)行圖形放大與縮小時(shí)均表現(xiàn)出良好的真實(shí)效果動(dòng)畫或模型，通過添加相應(yīng)的交互事件，完成與實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的分解與裝配等功能。針對(duì)原始模型與動(dòng)畫，加入“分解”動(dòng)作后，便可實(shí)現(xiàn)整機(jī)的分解效果；相應(yīng)增加“裝配”事件，可按照既定順序完成整機(jī)裝配；旋轉(zhuǎn)、縮放和移動(dòng)功能也可相應(yīng)添加。

對(duì)完成的CULT3D文件可以另存為HTML文件，通過多種瀏覽器打開觀看相應(yīng)的網(wǎng)頁與視頻，增加相應(yīng)的ActiveX Player插件，在瀏覽過程中可以完成相應(yīng)的交互界面控制等。

在本教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中，主要通過利用CULT3D+3D MAX +UG技術(shù)路線與方法實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的零部件構(gòu)建、渲染與動(dòng)畫處理及顯示。圖1給出了某型四缸四氣門電噴汽油機(jī)的裝配圖，圖2給出了該汽油機(jī)零部件示意圖。

圖2 某型四缸四氣門電噴發(fā)動(dòng)機(jī)零部件圖

通過該型四缸四氣門電噴發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝虛擬系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，通過CULT3D+3D MAX +UG技術(shù)路線最終實(shí)現(xiàn)。結(jié)合應(yīng)用該汽油機(jī)拆裝虛擬平臺(tái)，學(xué)生在拆裝實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)效果有了較大幅度的提升，可指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的操作過程，在正式拆裝過程中因錯(cuò)誤操作引起的零件損壞和丟失明顯減少。

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（本文系基金項(xiàng)目：“沈陽航空航天大學(xué)本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目”，項(xiàng)目編號(hào)：02140127）

ISSN2095-6711/Z01-2016-12-0235