機械拆裝仿真教學平臺研究

周利江，孫丕波

（1.青島遠洋船員學院 山東 青島 266071；2.青島酒店管理學院 山東 青島 266100）

機械拆裝仿真教學平臺研究

周利江1，孫丕波2

（1.青島遠洋船員學院 山東 青島 266071；2.青島酒店管理學院 山東 青島 266100）

針對設備投資大、損耗大、輔助材料消耗多的機械拆裝教學實驗，建立仿真模擬教學系統(tǒng)和仿真實驗室逐漸成為教學改革的一個熱點問題。綜合計算機軟硬件技術設計構建了機械拆裝系統(tǒng)仿真實驗平臺，仿真機械結構和拆裝過程，用于機械拆裝實驗實訓，本平臺具有通用性及綜合多樣的實驗功能。

仿真教學系統(tǒng)；教學平臺；虛擬現(xiàn)實技術；VTree

學校許多應用性和操作性較強的課程，要求學生在了解當前基本原理情況下，能夠獨立動手裝配、設計以及可以自己分析處理常規(guī)故障等。創(chuàng)建一個仿真教學系統(tǒng)的意義在于它不需要普通實驗室的硬件支持，代價小，大大節(jié)約教育成本，實現(xiàn)教育資源共享，更新速度快，能夠逼真地模擬真實操作環(huán)境達到甚至超過實際操作的預期效果。

這里的仿真教學系統(tǒng)，是指基于計算機三維模型，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學設備、儀器（如教學發(fā)動機、柴油機、洗衣機、組裝用的計算機設備、示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等）的純軟件系統(tǒng)。這些仿真教學設備、儀器都可通過筆記本電腦、臺式PC或工作站等各種計算機平臺進行模擬實驗。仿真設備、儀器通過軟件仿真整個實驗過程，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。不僅實現(xiàn)了結構教學、仿真拆裝實驗，還可進行仿真拆裝考核等功能。通過交互式拆裝以及必要的提示，輔助學習者的設備結構學習及設備拆裝訓練。通過對拆裝過程等的評估實現(xiàn)設備學習自測或考核[1，6]。

現(xiàn)實教學中，由于教學的不同需要，虛擬設備要不斷地改進，以滿足變化的需求。通過該平臺，用戶（可以是經(jīng)過培訓的教師或者有一定基礎的軟件人員）可以方便的根據(jù)專業(yè)和課程的要求配置開發(fā)出合適本次實驗的仿真教學場景以輔助教學。即根據(jù)情況定義自己的模擬實驗，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

系統(tǒng)采用功能強大的VC++6.0和CG2公司的VTree實現(xiàn)，VTree能用于多平臺的三維可視化應用，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)點到一個附屬于景物實體的可視化樹狀結構，這個可視化樹狀結構定義了如何對實體進行渲染和處理。SDK包括大量的C++類和壓縮抽象OpenGL圖形庫、數(shù)組類型及操作的方法。平臺本身可將細節(jié)處理成一組源代碼來開發(fā)和維護。它將實時三維圖形的設計作為一個目標，在可視化和仿真開發(fā)方面是一個性能價格比非常好的開發(fā)工具[2-4]。

1.1 系統(tǒng)開發(fā)模塊

如圖1所示系統(tǒng)模塊是一個有機的整體，互相之間存在邏輯關系。教學設備管理模塊：管理與設備有關的各種素材。此部分為教員提供教學設備的輸入、管理平臺，包括設備子部件與模型子結點名稱的對應關系編輯、設備拆裝順序的定義等；設備瀏覽演示：瀏覽演示設備的各素材，作為學員或參觀人員進行參觀教學的主要平臺。包括各種素材的瀏覽、播放等；設備拆裝訓練：依據(jù)所選擇設備的拆裝順序指導學員進行拆裝，并提供錯誤警告、信息提示等；設備拆裝考核：依據(jù)所選擇設備的拆裝規(guī)則在指定時間內(nèi)對學員的操作進行評定。

圖1 仿真設備開發(fā)系統(tǒng)平臺模塊結構Fig.1 Simulation platform equipment development module structure

1.2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構關系圖Fig.2 System architecture diagram

1.3 系統(tǒng)設計關鍵結構設計

1）仿真設備建立：進行設備場景設計，設備面板、元件選擇，在可視化的編輯環(huán)境中進行設備組合，建立仿真設備。

2）設備操控關系建立與編輯：提供可視化的設備操控邏輯關系定義和代碼實時修改編譯環(huán)境。用戶可以在代碼編輯環(huán)境中，對操控關系等所有的軟件代碼進行修改，以符合用戶對設備的復雜要求。

3）平面設備元件編輯：本平臺提供幾百套的元件模板，如開關，數(shù)碼管，旋鈕等。用戶可以方便的利用它們生成所需的設備元件對象。

4）三維設備元件編輯：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）設備元件擴充：提供標準的軟件接口，將不同的第三方軟件，如ActiveX等作為設備控件元件直接嵌入系統(tǒng)。

6）仿真教學設備輸出：提供實時、方便的軟件代碼修改、編譯、鏈接環(huán)境，將仿真設備編輯結果生成可執(zhí)行文件。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述設計理論，結合VC，VTree，MySQL設計開發(fā)機械仿真拆裝實驗系統(tǒng)[5]，在運行界面中設置好所有的訓練科目參數(shù)，然后進入管理模塊，系統(tǒng)自動調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)。在系統(tǒng)運行過程中，工作函數(shù)不斷調(diào)用各機械模塊的更新函數(shù)，實時更新對象位置、狀態(tài)、角度等。如圖3所示。

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

用戶利用本系統(tǒng)，通過簡單的機械部件擺放，代碼修改，可直接產(chǎn)生仿真教學場景執(zhí)行軟件，進一步可形成機械仿真設備訓練、設備運行演示等。是一種適用范圍非常廣泛、使用方便的開發(fā)平臺。本系統(tǒng)具有以下功能：

1）機械結構展示：系統(tǒng)不僅實現(xiàn)機械設備結構教學時的內(nèi)部結構展示，如機械部件的展示，某些機械剖面圖的展示，還可以實現(xiàn)場景移動、縮放、旋轉；

2）部件相關信息的展示：在展示環(huán)節(jié)，根據(jù)鼠標指向，可實時展示機械部件的名稱、用途、基本工作原理、外形尺寸、材料、維護保養(yǎng)知識等文字信息、實際照片、工作時的聲音信息、某些相關視頻信息等；

3）機械設備交互式拆裝功能：包括機械部件的選擇，某些部件需要進行特殊拆裝工具的選擇；部件手動拖動（可通過預先設置的規(guī)則對部件的移動進行限制）；拆裝過程實現(xiàn)撤消、還原等操作；提供部件運動路徑、運動方式等約束規(guī)則的編輯功能；提供部件拆裝先后順序的規(guī)則設置；提供部件組合功能的設置；提供部件拆裝提示功能設置。還可以實現(xiàn)自動拆裝演示（被選擇部件按預先設置的運動方式進行自動拆裝）；

4）機械拆裝動畫功能：可將拆裝過程記錄為動畫，實現(xiàn)拆裝過程回放；單個部件動畫效果（旋轉、移動等）控制；動畫參數(shù)設置（動畫幀數(shù)控制及單幀設置）；動畫的保存與讀取；播放進度控制（播放、暫停、加速、減速等）；

5）實現(xiàn)機械拆裝的考核功能：拆裝考核（工具選擇、拆裝方式、拆裝順序等）；機械及部件的識別；按規(guī)定題目進行維護保養(yǎng)等操作的考核；

6）機械模型管理：多種常見模型文件間的轉換；機械模型的編輯（燈光的設置、材質(zhì)的設置等）；機械及部件相關信息的管理；提供三維機械模型庫的管理功能（查詢、刪除、添加等）。

3 結束語

基于VC和VTree開發(fā)環(huán)境，真實的仿真了機械結構和拆裝過程。文中提出的仿真教學平臺有較強的通用性，模板的定義和模型的添加全部使用可視化操作，各類機械拆裝實驗只要進行簡單的二次開發(fā)，定義或者添加相應的模型即可。

[1]李士明，曹凱.交通仿真系統(tǒng)中碰撞檢測技術研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009（2）：30-33.

LI Shi-ming，CAO Kai.Research on collision detection in traffic simulation system[J].Agricultural Equipment&Vehicle Engineering，2009（2）:30-33.

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ZHONG Zhen-long，WU Wei-wei，ZHAO Yue.Research and design of a product assembly model base on virtual assembly[J].Manufacturing Automation，2010（7）:176-187，232.

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XU Zhi，TANG Shuo，YAN Xiao-dong.Application of high fidelity large-scale terrain database in VTree[J].Computer Simulation，2006（2）:47-49，103.

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ZHAO Yu-liang，XU Zhao-lin，ZHAO Hong-qiang.Research of new scout platform simulated training system[J].Electronic Design Engineering，2011（19）:47-48，51.

[6]鄒萍.虛擬實驗室中的場景建模研究 [D].上海：華東師范大學，2011.

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：201110097

周利江（1977—），男，山東青島人，碩士，講師。研究方向：計算機應用。