基于UG的拆裝虛擬教學平臺的搭建與應用

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

基于UG的拆裝虛擬教學平臺的搭建與應用

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

針對內燃機拆裝實踐教學效果不理想的情況，本文應用虛擬現實技術搭建內燃機拆裝虛擬平臺。通過實際實踐教學應用，加深學生對內燃機構造與設計及部件運行原理等知識點的掌握與理解，明顯提高內燃機拆裝實踐的教學效果。

UG 虛擬現實 教學平臺

近年來，隨著網絡、多媒體和信息交換等相關計算機技術的迅速發展，借助于網絡技術的教學已成為各國教育與教學重要的手段與工具。網絡教學具有不受時間、不受地點約束的高校的特點，因此備受重視。虛擬現實技術是在計算機建模、圖像處理、傳感控制、數值仿真及網絡等技術的基礎上開發而成的一種先進仿真模擬系統。在計算機上構建的虛擬場景內，學習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作，結合運動機構的聲效，使人感受“虛擬的實際現場”。

當前，虛擬現實技術已被廣泛應用于科學試驗、電腦游戲、駕駛培訓等多個領域。結合虛擬現實技術，教師在專業課程教學中可以充分利用直觀清晰的圖像、圖形、三維結構和聲音等復雜多樣的表現形式，引起學生視覺、觸覺和聽覺等感官的同步感受，達到良好的教學效果。

軟件虛擬現實技術應用于教學主要有兩種途徑與方式，均是在虛擬現實平臺軟件VRP上進行的。

第一種是采用平臺結合VRML、Java3D、3DML和Virtools等軟件，這類軟件支持虛擬現實技術的開發，采用這種技術路線完成虛擬平臺建設的較多。該技術路線支持三維建模與紋理映射，可實現運動控制和虛擬操作的實時交互功能，能開發出靈活度高、交互性強的虛擬仿真系統，但因渲染效果差、信息傳輸率低及編程復雜等缺點，限制了此方式的進一步應用與推廣。

第二種是采用平臺結合METASTREAM、VIEWPOINT、CULT3D等相關軟件加以實現。虛擬拆裝系統中建模部分和控制部分分離，建模主要采用專業的3DMAX、Pro/E、UG和MAYA等三維軟件設計完成。專業三維軟件以渲染效果高、傳輸速率快、編程簡便等天然優勢，便可獲得虛擬景象，以利用CULT3D、UG（Pro/E）與3DMAX等已成為虛擬現實技術設計與開發的一套成熟方案，并被廣泛利用。CULT3D 軟件是可在網絡中進行3D產品發布的專業軟件，對電腦硬件要求低、易于上手和操作簡便。CULT3D其可實現數據壓縮的高質量性和流式傳送特性，模型庫文件較小。因此，CULT3D被廣泛應用于3D產品發布、虛擬現實系統開發等多個方面。

一、背景

學生學習與了解內燃機工作原理、內燃機的構造與設計、內燃機電控系統等專業知識與基礎上，作為能源與動力工程本科專業的專業實踐類課程，發動機拆裝實踐具有極為重要的意義，是學生內燃機理論學習與實際相結合最重要的一環。當前我?？晒┎鹧b實踐教學的內燃機為三菱4G63/4G64汽油機等共計10臺，結構較為復雜，為使學生更為熟悉與對比內燃機結構的變化，另增加結構稍簡單的兩臺492型汽油機，相對應的，能源與動力工程專業（內燃機方向）每年兩個班形，約62人，每臺（組）發動機四至五名學生。另外，隨著科技的迅速發展，多種新型內燃機不斷涌現，即使筆者所在院校的三菱4G63/4G64發動機，也是2007年前后的產品，而且該型發動機在結構上也有了一定程度的改進與更新，與當今時代的產品與技術依舊有一定差距。

專業拆裝實踐教學中出現的問題主要有：

1.發動機本身結構與功能相對陳舊，限制了學生了解更新的專利與技術。

2.實踐指導不夠及時。由于實踐教學時學生數較多，指導教師完全詳細講解較為困難與不便。

3.同組內學生實踐學習有好有壞。同組的同學部分參與、部分旁觀的情況，旁觀相對于動手的學生了解。

4.部分部件拆卸不徹底。受限于實踐教學空間與工具，發動機某些部件整體結構拆卸不完全與不徹底，如活塞連桿機構和缸蓋等。

5.某些零件的細微結構單純依賴觀察難于理解與掌握。

針對上述實踐教學中的問題與困難，每年更新發動機有現實的困難，很多廠商限于技術和專利的保護，以及教學設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加以實現與解決。

（1）拆裝虛擬平臺可以隨時隨地的開展，不受時間、學生數、場地及工具的限制。

（2）平臺可以使學生產生沉浸感，提升學生的主動性，增加學習效果；通過鍵盤與鼠標等交互界面讓學生深入其中，探尋科技帶來的奧秘。

（3）減少實踐環節中的零件破損與丟失；在拆裝虛擬發動機過程中，將減少學生輔助性任務，借以減少對發動機各個零部件的破損。

（4）拆裝虛擬平臺的針對性；針對較為復雜的內燃機部件和結構，學生可以反復觀察、學習與探究。

二、拆裝虛擬平臺建設

虛擬現實技術結合軟件、硬件的優勢而形成的新型技術。根據需要可選擇三維掃描儀、立體眼鏡、數據手套、頭戴式顯示儀、音頻生成與合成裝備、力反饋設備等多種硬件。但硬件結合的拆裝虛擬平臺因投入巨大、難度極高等特點，在當前的學校教學設備投入條件下難以實現。面對教學的主要方式和方法是，采用鍵盤、鼠標操作方式的軟件人機交互界面，完成拆裝虛擬平臺的建設。

參考相關技術手段與研究成果，本拆裝虛擬平臺建設采用UG+3DMAx+CLUT3D路線實現。該平臺主要用于輔助我校能源與動力工程專業學生拆裝實踐課程教學。通過鼠標和鍵盤操作可以縮放、轉動零部件，調整觀測視角完整認識與了解發動機內部結構特點、零件裝配連接與位置關系，給出部件與整機拆卸和裝配等過程。

零件通過參數化建模方法，利用UGNX進行設計與實現，可以得到準確尺寸的零件三維模型。CULT3D與UG軟件的模型不可以直接對接，因此，需要零件的三維模型通過3D STUDIO MAX進行文件數據格式轉換。

測繪得到所有零件的尺寸，通過UG構建各個零件的三維模型，并導出為STL的格式文件，利用3D STUDIO MAX軟件將STL零件文件進行渲染處理，增加光效、材質與動畫等處理，以增加零件模型的真實性，并通過形成的文件進行輸出為c3d類型的文件，該類文件能夠由CULT3D導入與處理。

在CULT3D中輸入各個零件的c3d文件，將其轉換成矢量格式文件，從而在進行圖形放大與縮小時均表現出良好的真實效果動畫或模型，通過添加相應的交互事件，完成與實現響應的分解與裝配等功能。針對原始模型與動畫，加入“分解”動作后，便可實現整機的分解效果；相應增加“裝配”事件，可按照既定順序完成整機裝配；旋轉、縮放和移動功能也可相應添加。

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

在本教學平臺建設中，主要通過利用CULT3D+3D MAX +UG技術路線與方法實現了整機的零部件構建、渲染與動畫處理及顯示。圖1給出了某型四缸四氣門電噴汽油機的裝配圖，圖2給出了該汽油機零部件示意圖。

圖2 某型四缸四氣門電噴發動機零部件圖

通過該型四缸四氣門電噴發動機拆裝虛擬系統的開發與設計，通過CULT3D+3D MAX +UG技術路線最終實現。結合應用該汽油機拆裝虛擬平臺，學生在拆裝實踐環節的教學效果有了較大幅度的提升，可指導學生對實際發動機進行準確的操作過程，在正式拆裝過程中因錯誤操作引起的零件損壞和丟失明顯減少。

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（本文系基金項目：“沈陽航空航天大學本科教學改革研究項目”，項目編號：02140127）

ISSN2095-6711/Z01-2016-12-0235