自動變速器虛擬拆裝實驗系統的開發

王鵬飛，業紅玲，王 琳

（蚌埠學院 機械與車輛工程學院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

目前，我校汽車類專業的自動變速器拆裝實習實驗采用的是書面講授和實物動手拆裝教學相結合的方法，即先由老師書面講述自動變速器的結構和工作原理，然后老師按照拆卸順序示范拆裝零部件，再具體講述各零件之間的裝配關系和各分總成的工作原理，最后由學生親自動手拆解和裝配，進一步熟悉其結構和工作原理.由于自動變速器內部結構復雜，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，實驗教學效果不好等弊端.針對這種情況，為了使學生對自動變速器的掌握程度更全面和深刻，我們可以設計并開發自動變速器虛擬拆裝實驗系統.

近年來，國內許多高校根據自身的教學和科研需要，建立了不少虛擬實驗系統，比如減速器虛擬拆裝[1]、虛擬土木工程試驗系統[2]、轉向助力泵拆裝[3]等，但是關于自動變速器虛擬拆裝實驗系統的文獻資料較少.

本文在熟悉自動變速器結構和工作原理[4]的基礎上，研究Cult3D的三維交互技術[5-6]，以大眾轎車的01N型自動變速器為樣機，使用Cult3D、CATIA、3DS MX、VB和ACCESS等軟件，進行自動變速器虛擬拆裝實驗系統的開發，將復雜的自動變速器內部結構清晰地展現在學生面前，可以滿足學生學習自動變速器各部件結構和工作原理的需求，解決教學中局限于設備數量和場地的限制，降低原材料的損耗成本，減小實物拆裝過程中引發安全事故的風險，提高學生的學習興趣和實習實驗的教學質量.

2 虛擬拆裝技術和Cult3D簡介

虛擬拆裝是虛擬現實技術的重要應用，它允許用戶以交互方式控制產品的模擬拆裝過程，方便用戶熟悉產品各零部件之間的約束關系，對用戶熟悉產品的結構有很大幫助.

Cult3D是由瑞典Cycore公司推出的一款多平臺可用的網絡應用程序，可以在網頁上和各種文檔格式中建立交互的3D對象.Cult3D的內核是基于JAVA的，可以使用JAVA來增強交互與擴展，這使得它具有跨平臺、交互性好、渲染快、壓縮后文件小等優點，開發效率很高[7].

Cult3D軟件主要由Designer工具和其它一些插件組成[8].在進行交互設計和使用之前，需要在相應的軟件中安裝對應插件，以保證設計工作的正常進行.

（1）Cult3D Designer 它是Cult3D軟件設計拆裝交互步驟的主要工具.

（2）Cult3D Viewer插件 這個插件是給IE瀏覽器使用的，它的功能是輔助瀏覽器播放Cult3D對象并展示其交互性能.

（3）Cult3D Exporter插件 這個插件是給3D建模軟件使用的.利用這個插件就可以從3DSMAX中把文件以*.C3D的格式導出，再導入到Cult3D Designer中來設計制作交互步驟.

3 虛擬拆裝實驗系統的總體框架和功能結構

3.1 系統的總體框架

系統的總體框架如圖1所示，由用戶層、應用層和數據層組成.用戶在用戶界面選擇不同的內容，通過應用層來實現三維模型的交互顯示、虛擬拆裝、動畫播放等功能，而實現這些功能還需要訪問數據層的數據庫和對應類型的文件.

圖1 虛擬拆裝實驗系統的總體框架

3.2 系統的功能結構

自動變速器虛擬拆裝實驗系統主要由零部件三維模型交互顯示、自動變速器虛擬拆裝、工作原理視頻動畫、維修維護知識、測試試題及答案和用戶管理這幾個功能模塊組成.其中，自動變速器虛擬拆裝，由01N型自動變速器各組件虛擬拆裝組成，工作原理視頻動畫包括平面視頻動畫和三維視頻動畫，用戶管理則包含修改用戶名、修改密碼和權限管理三個功能.虛擬拆裝實驗系統的功能結構如圖2所示.

圖2 虛擬拆裝實驗系統的功能結構

4 虛擬拆裝實驗系統的開發

虛擬拆裝實驗系統的開發可以分為四個步驟，三維模型的建立、動態與交互功能的設計、作品的生成與發布、系統界面設計與系統集成.前三個步驟完成后得到可交互的*.co文件，再使用VB編程進行界面設計和功能的集成.虛擬拆裝實驗系統的開發流程如圖3所示.

4.1 自動變速器三維模型的建立

4.1.1 三維模型的創建

創建三維模型需要熟悉01N型自動變速器的結構，拆解自動變速器，并對各零部件進行尺寸測量，再使用CATIA軟件對各個零部件進行三維建模.

圖3 虛擬拆裝實驗系統的開發流程

使用CATIA軟件進行三維建模時，要注意提高模型精度，并盡量減少多邊形的數量.由于3DSMAX不能識別*.CATpart文件，所以使用CATIA建模完成后要另存為*.stl格式.

4.1.2 3DSMAX的渲染和轉化處理

將得到的*.stl格式的零部件導入3DSMAX后，在3DSMAX中要對模型進行優化渲染等處理，而在實際操作過程中需要注意以下一些問題.

（1）精簡不需要的邊，減少曲面的數量，保證曲面光滑度.

（2）根據設計需要，調整材質球的參數，將設置好的材質球和貼圖添加到三維模型上，對模型的材質和顏色進行渲染，有的時候需要通過多次局部渲染達到要求.

（3）需要設置燈光和添加攝像機，來提高視覺效果和滿足不同視角的轉換.

（4）將三維模型按照實際裝配位置進行移動和裝配.

（5）按照同步運動的模型分為一組的原則對模型進行分組，然后再根據需要對其坐標原點進行設定.

處理完成的自動變速器三維模型如圖4所示，完成后需要通過Cult3D Exporter插件，將其以*.c3d格式的文件導出，此文件包含三維模型的幾何形狀和材質顏色等信息.

圖4 處理完成的自動變速器三維模型

4.2 動態與交互功能的設計

將保存好的*.c3d文件導入到Cult3D Designer中，文件添加成功后就可以進行交互設計.在Cult3D Designer中進行交互設計是通過拖放操作來完成的.首先從場景圖表窗口選擇要操作的對象，拖入事件規劃圖窗口，再在動作窗口選擇要實施的動作，在事件規劃圖窗口選擇觸發該動作的事件，最后通過預覽窗口檢查對象、動作和事件之間相互關系的正確性.

Cult3D Designer提供了平移縮放旋轉等動作，還提供了基于鼠標和鍵盤的動作觸發事件，如鼠標左、中、右三鍵的點擊、鍵盤按鍵的按下或釋放等，為交互功能的設計提供了方便.

為了使虛擬拆裝過程盡量接近真實實驗過程，動態與交互功能的設計十分重要.拆裝過程必須符合一定的邏輯順序，這就需要通過時間線來控制對象動作的先后順序，使用激活事件和解除激活事件控制拆裝的每一步.另外，還可以給各零部件添加工具提示，將工具提示與對應零部件關聯，提供零部件名稱和拆裝步驟提示等信息，使設計的交互功能更人性化.

4.3 作品的生成與發布

動態和交互功能設計完成后，將生成的作品文件進行發布，保存為*.co和*.html文件，Cult3D 最后生成的*.co格式文件非常小，可以很好的嵌入到網頁中，只要安裝Cult3D Viewer控件就可以打開瀏覽器查看并操作三維模型.

4.4 系統界面設計與系統集成

系統的界面設計和系統集成是使用VB 6.0和ACCESS數據庫完成的，VB 6.0用來進行界面和程序的設計，ACCESS數據庫用來存儲零部件、視頻動畫、維護資料、測試題和用戶等信息.

系統的主窗體界面是基于Windows系統風格的菜單式界面，系統各功能按照層次關系分布于各菜單中，點擊菜單可以打開新窗體.

三維模型交互顯示和虛擬拆裝窗體主要通過Web-Browser控件調用本機Windows內置的IE瀏覽器，打開和*.co文件對應生成的*.html文件，來查看和操作三維模型.視頻動畫窗體主要功能的實現是通過UUFlv第三方控件完成的，維護資料窗體主要功能的實現是通過PDFView第三方控件完成的.

自動變速器離合器K1組件虛擬拆裝窗體界面如圖5所示.自動變速器維修維護知識窗體界面如圖6所示.

圖5 離合器K1組件虛擬拆裝窗體界面

圖6 自動變速器維修維護知識窗體界面

5 總結

本文在研究Cult3D三維交互技術的基礎上，詳細說明了自動變速器虛擬拆裝實驗系統的開發方法，并以01N型自動變速器為樣機進行了開發應用.該自動變速器虛擬拆裝實驗系統可作為課前預習和課后鞏固復習的工具，用于汽車類專業《汽車構造》、《汽車拆裝與駕駛實習》等課程的實習實驗教學過程，有助于學生更直觀熟悉自動變速器的結構和工作原理，降低原材料的損耗成本，減小實物拆裝過程中引發安全事故的風險，提高學生的學習興趣和實習實驗的教學質量.

參考文獻：

〔1〕馮桂珍，池建斌，王大鳴，等.減速器虛擬拆裝實驗系統的構建[J].工程圖學學報，2011，32（1）：89-93.

〔2〕馮桂珍，邢海軍，張增強，池建斌.基于Cult3D的虛擬土木工程實驗平臺的構建 [J].實驗技術與管理，2015，32（7）：109-112.

〔3〕周志國，曾祥軍.虛擬現實技術在汽車拆裝實訓中的應用研究[J].農業裝備與車輛工程，2011，18（10）：47-50.

〔4〕史文庫，姚為民.汽車構造第六版（下冊）[M].北京：人民交通出版社，2013.73-115.

〔5〕網冠科技.Cult3D 產品三維演示時尚創作百例[M].北京：機械工業出版社，2002.1-100.

〔6〕李正浩，金城元，樸光宇.三維魔術——Cult3D和3DS MAX[M].北京：電子工業出版社，2002.10-60.

〔7〕牛敏，陳錦昌.Cult3D在機電產品中交互設計中的研究[J].工程圖學學報，2010，31（4）：194-199.

〔8〕蘇威洲，童仲豪，葉翰鴻.實現網絡三維互動——Cult3D應用指南[M].北京：清華大學出版社，2001.1-3.