Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術在機械設計教學中的應用

鄧小林

（梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術在機械設計教學中的應用

鄧小林

（梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

對計算機輔助教學和傳統教學方式進行闡述，分析減速器在現有教學中存在的問題。在介紹Pro/ENGINEER動畫模塊的基礎上，構建了減速器的三維參數化模型，利用Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術，制作了減速器虛擬裝拆動畫。

虛擬裝配；虛擬拆卸；減速器；動畫技術

隨著信息社會的深入發展和計算機技術的普及與推廣，傳統教育已越來越難于適應信息社會的發展需求，弊端越來越明顯。計算機輔助教學是近30年來迅速發展的一門新興的綜合性計算機技術，它在因材施教、生動有趣等方面具有傳統教學方式不可比擬的優勢，因而正日益受到重視與推廣。計算機輔助教學是教學發展的新趨勢，傳統教學模式側重教師的“教”，強調通過教師的最佳教法來收到最佳的教學教果。而計算機輔助教學與傳統教學模式有著本質的不同，它注重通過引導學生進行學習，運用多媒體提高學生的學習積極性，通過學習內容、教學過程和計算機輔助教學的有機結合，求得最佳的學習效果。

減速器是機械設計基礎課程中的一個典型教學實例，包含有典型的機械零件結構和傳動機構，如：箱體、齒輪、軸、盤套等常用件和標準件[1]。在實際教學中，它的結構組成、拆裝過程及工作演示是機械教學中一項非常重要的內容，如果僅通過書本的平面裝配圖配以大量的文字進行講解，那么學生是難以理解和接受的。

針對上述問題，本文將Pro/ENGINEER動畫技術應用到機械輔助教學中，通過制作虛擬裝拆動畫，將減速器的零件結構和裝拆過程以虛擬動畫的形式，形象、生動地展現在學生面前，使學生加深印象，提高教學效果。使學生在理解和掌握減速器教學內容的同時，進一步提高學習興趣。

1 Pro/ENGINEER動畫模塊

所謂動畫（Animation）就是利用人們的視覺在每秒23～30張畫面（Frame）的播放速度時，根本無法辨認每一張畫面的靜態圖像的視覺暫留特性，快速地播放一系列的靜態圖像，使視覺產生動態效果。Pro/ENGINEER動畫制作技術通過利用上述原理，把機構仿真模塊中的機構模型或Pro/ENGINEER中的組件模型在不同的時間點的關鍵狀態畫面用快照記錄下來，并通過插入中間畫面連續地展示出來，使其具有可視性，從而用動畫的方式形象地表示產品的裝配和拆卸序列，用以指導用戶了解產品的結構，功能原理及虛擬裝拆過程[2-4]。

Pro/ENEGINEER動畫模塊以動態的形式把組件模型的現實情景演示出來，并輸出為視頻或圖片格式將其傳遞出去，即使對方沒有Pro/ENGINEER也可以查看模型，促進了信息的交流和溝通。普通和專業Pro/ENGINEER用戶都可以應用動畫模塊動態的展示模型，而不像運動仿真模塊那樣需要創建基于專業機構知識的運動軸或伺服電動機[5-6]。

2 基于Pro/ENGINEER的減速器三維模型建立

減速器的結構通常包含傳動零件及其支撐、箱體結構和減速器附件三大部分，視孔蓋、吊環、油尺、油尺套、螺塞、端蓋、軸承、擋油環、高級速齒輪、高速軸、低速軸、低級速齒輪、定位銷、甩油盤、底座、底座與箱蓋連接螺栓、箱蓋、軸承座連接螺栓、軸承蓋螺釘和通氣罩等20多個零部件構成[1]。

2.1 傳動零件及其支撐

傳動零件包括軸、齒輪、帶輪、蝸桿、蝸輪等。

2.2 箱體結構

減速器的箱體一般由鑄鐵材料鑄造而成，分為上箱體和下箱體。

2.3 減速器附件

常見的減速器附件主要有：窺視孔和視孔蓋、通氣器、油面指示器、定位銷、起蓋螺釘、起吊裝置、放油孔和螺塞等部分組成。

其具體裝配示意圖如下頁圖1所示。

圖1 減速器裝配示意圖

3 減速器裝拆動畫制作

動畫的制作主要由以下幾個步驟組成：

（1）打開建立的組件模型，選擇菜單條“應用程序→動畫”命令，進入動畫模塊。

（2）定義主體，并對主體的位置進行編輯定義。

（3）定義關鍵幀。

（4）重復（2）、（3）創建其余關鍵幀。

（5）創建關鍵幀序列。將所做的關鍵幀進行序列化。

（6）制作播放文件、生成視頻文件。

（7）導出動畫。

在Pro/ENGINEER軟件中，通過Pro/ENGINEER動畫制作技術，安裝減速器，裝配后的減速器模型如下頁圖2所示。

圖2 減速器動畫制作結果

4 虛擬裝拆動畫技術在機械設計教學中的應用

“機械設計”是高等學校機械類、近機械類專業的一門非常重要的專業基礎課，傳統的機械設計教學通常采用實物模型具有和掛圖的形式來幫助學生理解。由于實物模型具有體積大，零部件多，攜帶不方便，而且容易損壞，不便于保管等缺點，已經不能滿足現代教學的需要。如果沒有模型和掛圖，僅僅依靠講解，學生缺乏對實物的感官認識，就更難理解機構的結構組成及裝拆過程，從而影響了學生對課程的學習興趣，達不到教學應有的效果。目前，以三維CAD技術為代表的數字化設計，為機械設計行業帶來翻天覆地的變化。三維動畫技術是數學建模、算法技術和計算機圖形學的有機結合，是在計算機上通過連續的動態畫面顯示系統的運動狀態以揭示研究對象的運動規律[4]。Pro/ENGINEER集成了造型及動畫制作功能，可以方便建立機構的三維裝拆動畫，以滿足機械類課程三維動畫教學資源的需求。

4.1 演示機構的組成及裝配關系

機械基礎課程中有很多機構都是組合體，單純講解其中的零件并不能反映機構中其他零件之間的裝配和相互聯接關系，也很難讓學生理解掌握[7]。傳統的教學方法在講授機構的組成及裝配關系時，是采用二維平面裝配圖去講解，學生理解這些知識需要有豐富的空間想象力和讀圖能力。如果借助教學實物模型，裝拆過程極不方便,且操作較為費時。而采用虛擬裝拆動畫技術則可以很好地解決此類問題。如在講解減速器的組成和裝配關系時，就可以通過虛擬裝拆動畫，將減速器的裝拆過程以動畫的形式播放出來，并且給學生講解裝拆過程中需要注意的地方，使學生對所學的內容和知識有一個更完整的理解，還能將減速器的結構組成淋漓盡致的表達出來，學生通過觀看減速器的裝拆動畫，不僅能掌握減速器的構造原理，還能了解和明白減速器的裝配方法。

4.2 演示機構工作原理情況

在“機械設計”課程設計中，利用Pro/ENGINEER軟件對減速器的各個零部件進行三維建模，依據一定的約束關系對其進行虛擬裝配，然后便可以通過Pro/ENGINEER的動畫模塊制作其三維動畫文件，該文件使設計者能實時看到機構的運動模擬情況，直觀地理解減速器運行的工作原理和空間結構等。

4.3 對設計結果進行動態演示

傳統的機械設計以二維裝配圖的形式進行表達，設計結果是否按預定設計運行很難在加工制造之前進行判斷，通過虛擬裝拆動畫技術，可以對設計結果進行動畫模擬，教師也可對學生的設計結果進行打分評價。

傳統教學方法采用二維平面圖形以及借助教學實物模型來講解減速器零部件組成及工作原理，該方法對學生空間想象能力要求較高，并且裝拆實物模型不方便，操作較為費時。虛擬裝拆動畫技術可以將減速器的結構組成、構造及裝配方法通過動畫淋漓盡致的表現出來，有效地提高了學習效率。Pro/ENEINEER的虛擬動畫技術將有效促進教學質量的提高，對教學改革起到推動作用。

[1]張春宜，郝廣平，劉敏.減速器設計實例精解[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]施威銘研究室.Animator Pro/E動畫制作系統實例手冊[M].北京：學苑出版社，1994：11-13.

[3]夏紅梅，李志偉，鄭丁科.基于PRO/E的減速器虛擬裝拆教學軟件的設計[J].農機化研究，2005（5）.

[4]李曙生，金家楣.三維動畫技術在機械類課程教學中的應用[J].泰州職業技術學院學報，2003（2）.

[5]Gungor A.，Gupta，S.M.An evaluation methodology for disassemblyprocesses[J].Computer&Industrial Engineering，1997（1）.

[6]安美玲.減速器虛擬裝拆及運動仿真教學軟件設計[J].計算機應用研究，2008（11）.

[7]謝穎.利用Pro/E軟件提升機械類課程教學效果[J].科技廣場，2007（11）.

Application of Pro/Engineer’s Virtual Assembling and Disassembling Animation in Teaching Mechanical Design

Deng Xiaolin
（Department of Computer and Electronic Information Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543002，China）

This article will be devoted todescribingcomputer-aided teachingand traditional teaching methods,analyzing the existing problems in teaching the reducer.Based on introduction of the Pro/ENGINEER animation module,three-dimensional parametric model reducer is constructed,the use of Pro/ENGINEER animation of virtual assembly and disassembly technology,a reducer of virtual assemblyand disassemblyanimation is produced.

virtual assembly;virtual disassembly;speed reducer;animation technology

G642

A

1673-8535（2011）03-0095-05

2011-03-18

梧州學院院級教改項目（Wyjg2010B006）

鄧小林（1984-），男，湖南永州人，梧州學院電子信息工程系助教，碩士，主要研究方向：大批量定制技術和產品變型設計技術。

高 堅）