《汽車拆裝實習》課程虛擬拆裝教學系統的開發

王鵬飛　李躍　業紅玲　王琳

【摘 要】針對《汽車拆裝實習》課程傳統教學過程中存在的弊端，綜合使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等軟件開發了一個具有三維動態性、真實性和交互性強等優點的虛擬拆裝教學系統。該虛擬拆裝教學系統模擬了汽車拆裝實習中主要的拆裝項目，學生可以通過網頁隨時進行訪問，使用鼠標鍵盤進行虛擬拆裝操作，不受設備數量和場地等因素的限制，彌補了傳統實習的缺點，在實際應用中收到了較好的效果。

【關鍵詞】Cult 3D；虛擬拆裝教學系統；實習教學

中圖分類號： TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0063-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.026

Development of Virtual Disassembly and Assembly Teaching System for Automobile Disassembly Practice Course

WANG Peng-fei LI Yue YE Hong-ling WANG Lin

（School of Mechanical and Vehicular Engineering， Bengbu University， Bengbu Anhui 233000，China）

【Abstract】In view of the drawbacks in the traditional teaching process of automobile disassembly practice，by using CATIA，3DSMax，Cult3D and Dreamweaver software，a virtual disassembly teaching system with 3D dynamic，authenticity and interactivity is developed.The virtual disassembly teaching system simulates the project practice in automobile assembly.Students can access through the website，use the mouse and keyboard for virtual assembly operation.It is not limited by the number of equipment and factors such as the site，makes up for the shortcomings of traditional practice. It has received good results in practical application.

【Key words】Cult 3D；Virtual Disassembly Teaching System；Practice Teaching

0 引言

《汽車拆裝實習》課程是應用型本科高校車輛工程、汽車服務工程等專業重要的實習課程，是學習完成《汽車構造》課程后，對汽車主要零部件結構進一步熟悉的重要實踐教學環節。目前，國內許多高校的《汽車拆裝實習》課程都是采用口頭講授與實物動手拆裝操作相結合的教學方法，但因汽車主要總成結構復雜，同時又受制于實物設備臺數和場地等條件的限制，會出現學生學習后印象不深，實習教學效果不好等弊端。

為消除這些弊端，許多高校都根據自身的教學需求建立了虛擬拆裝教學系統，比如減速器虛擬拆裝[1]、起重機械的虛擬仿真[2]、虛擬土工實驗[3]等，但有關汽車拆裝方面的虛擬拆裝實習教學系統開發的較少。因此，本文在研究Cult3D相關資料[4-6]的基礎上，根據本校《汽車拆裝實習》課程主要拆裝實習項目內容，使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等軟件開發了一個具有三維動態性、真實性和交互性強等優點的虛擬拆裝教學系統，作為學生課前預習、課后復習的補充學習手段，在實際應用中收到了較好的效果。

1 虛擬拆裝教學系統的結構和開發流程

1.1 虛擬拆裝教學系統的結構

虛擬拆裝教學系統采用B/S架構（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式），這種架構是互聯網絡興起后的一種網絡結構模式。這種模式將客戶端進行了統一，網絡瀏覽器是客戶端主要的應用軟件，而將系統功能實現的核心部分集中在服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。用戶只需要通過互聯網使用IE瀏覽器就可以隨時訪問，操作鼠標鍵盤來進行虛擬拆裝操作。

虛擬拆裝教學系統的功能結構如圖1所示。根據本校《汽車拆裝實習》實踐課程中的拆裝項目，汽車部件虛擬拆裝主要分為發動機虛擬拆裝、手動變速器虛擬拆裝和自動變速器虛擬拆裝三類，再往下根據部件總成結構分為不同的虛擬拆裝項目。

虛擬拆裝教學系統拆裝項目的設計充分以學生為主體，以方便學生學習為目標，內容主要依據《汽車拆裝實習》實踐課程中拆裝項目的安排，采用模塊化項目的設計方法。這種設計方法條理清晰，為系統以后的擴展和管理提供了極大的便利。

1.2 虛擬拆裝教學系統的開發流程

虛擬拆裝教學系統的開發流程如圖2所示，總體可分為三維模型的創建及處理、動態交互的設計與實現、文件發布與系統集成這幾個步驟。

由于Cult3D軟件只有設計交互步驟的功能，沒有建模功能，所以需要使用建模功能強大的CATIA軟件進行三維建模，再使用3DSMax進行三維模型處理、燈光和攝像機設定等操作。而在Cult3D設計交互步驟完成后，可以發布得到*.co文件，然后在Dreamweaver 環境中編輯網頁，并使用控件和代碼將*.co文件嵌入網頁中。用戶就可以通過隨時訪問網頁來完成虛擬拆裝的操作。

2 虛擬拆裝教學系統的開發

2.1 三維模型的創建與處理

三維模型的創建及處理主要包括利用CATIA軟件進行三維建模和使用3DSMax進行模型處理兩部分，制作好的無級變速器三維模型如圖3所示。在這個過程中，需要注意的問題主要有以下幾點。

（1）建模精度和模型格式。在使用CATIA進行三維建模時，要提高精度，盡量減少曲面數量，保證曲面的光滑度；由于3DSMax不能識別CATIA直接保存的文件格式，所以需要將建好的三維模型另存為*.stl格式。

（2）模型和場景處理。3DSMax輸入*.stl格式的零部件后，要對三維模型進行材質、燈光的設置，對模型場景進行布置，來提高模型的視覺效果，場景和模型顏色設置要有一定的對比度，一般都將背景設置為白色。

（3）模型分組和坐標軸的設置。在Cult3D中，三維模型是根據其中心軸位置來完成所有拆裝動作，所以根據拆裝的需要，要在3DSMax中將同步運動的模型設為一組，并且要調整模型坐標軸中心的位置，為后續交互設計步驟做準備。

（4）在3DSMax中要安裝Cult3D exporter for 3DSMax插件，才能將設置好的三維模型以*.c3d的格式導出，此文件包含三維模型的幾何形狀和材質顏色等信息。

2.2 動態交互的設計與實現

Cult3D Designer軟件可以識別從安裝有插件的3DSMax中生成的*.c3d文件。動態交互的設計與實現就是在Cult3D Designer軟件中，通過將對象和動作事件拖放到EventMap 窗口，設置相應屬性，關聯對象與動作和事件來完成的。這項工作主要分為真實拆裝過程分析和交互步驟的設計與實現兩部分，交互步驟的設計與實現是在真實拆裝過程分析的基礎上完成的。

2.2.1 真實拆裝過程分析

進行真實拆裝過程分析的時候，不僅要分析拆裝項目的結構組成，還要分析每個（組）零部件的的拆裝先后順序和動作過程。

分析拆裝項目的結構組成要分析包含哪些零部件以及哪些零部件可以做為一組，一般將同一類且拆裝順序和動作相同的零部件做為一組。分析每個（組）零部件的拆裝先后順序和動作過程是根據真實的拆裝過程來記錄的，動作過程主要是指零部件的拆裝運動動作，有平移、旋轉等。比如，發動機氣門組是安裝在發動機氣缸蓋上的，主要由挺柱、氣門彈簧座、氣門鎖夾、氣門彈簧和氣門組成，而兩個相同的氣門鎖夾拆裝順序和動作相同，就可以做為一組零部件，都使用向上平移的運動動作。

2.2.2 交互步驟的設計與實現

交互步驟的設計與實現是在Cult3D中，使用其相關工具，配合設計事件規劃圖來完成的。Cult3D中設計交互步驟用到的主要工具有“鼠標和控制球”、“工具提示”和“時間線”等。

（1）動態查看控制

通過“鼠標和控制球”功能，與模型產生關聯，可以方便的實現虛擬拆裝過程的360°瀏覽查看，默認使用鼠標左鍵旋轉模型，使用中鍵平移模型，使用右鍵縮放模型。

（2）零部件名稱提示

通過“工具提示”功能，可以將零部件名稱與零部件三維模型相關聯，當鼠標移動到三維模型上時，會顯示出該三維模型的名稱，方便認識和學習各零部件。

（3）拆裝過程的邏輯控制

拆裝過程需要有先后順序，所以我們在設計交互步驟時要進行邏輯控制。在同一拆裝步驟中，使用“時間線”來控制零部件的先后運動順序；在不同的拆裝步驟中，通過鼠標左鍵單擊“激活事件”來實現下一拆裝步驟的開啟，通過“解除事件”來實現本拆裝步驟的終止。

（4）拆裝過程的模擬

為了使虛擬拆裝過程更接近真實的拆裝過程，拆裝過程的運動動作利用“對象平移”、“對象旋轉”等動作模擬實際拆裝過程中零部件的移動。我們可以將拆裝工具也進行三維建模和設計交互步驟，并且使用兩組零部件，一組用于模擬拆裝，另外一組用于模擬顯示拆解下的零部件模型，通過使用渲染動作里的“隱藏對象”、“顯示對象”等功能，來更真實地模擬拆裝過程。

2.3 文件發布與集成

交互步驟設計好后，將以*.co文件的形式發布。在使用Dreamweaver設計網頁時，插入如下代碼，就可以把*.co文件集成進去。只要安裝Cult3D Viewer for Web browsers控件就可以通過IE瀏覽器打開網頁，瀏覽查看和進行虛擬拆裝操作。

SRC="XXXX.co"

ANTIALIASING="0"

WIDTH=800

HEIGHT=600

PBCOLOR="FFFFFF"

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VIEWFINISHED="0"

DISABLEPB="0"

ANTIALIASINGDELAY="250"