復雜裝配體虛實結合實驗教學系統開發與實踐

李昌平， 高嘉偉， 賀 鑫

（中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，武漢 430074）

0 引 言

人才培養是中國制造2025 強國戰略的關鍵［1］。教學手段科技化、教育傳播信息化、教學方式現代化對于多元化實驗教學具有重要意義［2］。目前，行業特色院校針對專業性大型復雜機械裝備的實驗教學存在如下難題：①實物價格昂貴，后期維護及保養費用亦不可忽視。同時大型復雜裝備往往占地面積大；②大型復雜裝備結構復雜，實物制作或模型制作困難，內部結構原理難以清晰展示；③由于零件多，裝配工藝復雜，不適合頻繁裝拆；④難以實現多人同時教學，實物展示效果不佳?；谏鲜鲈?，當前復雜裝備的實驗教學模式資源緊張，教學模式單一，缺乏新意［3］，容易讓學生產生倦怠。傳統的實驗教學模式通常停留在裝備認知上，多數采用靜態觀察的模式，難以向學生展示其內部的結構，更難以動態展示其工作原理。只有做到理論與實際操作相結合，才能讓學生做到有“實”可依，有“理”可循。通過開發“虛實結合”的大型復雜裝備的實驗平臺，不僅滿足培養創新型人才的需要，亦可解放實驗人員的生產力［4］，促進中國2025 強國人才培養戰略［5］。

為提高實驗教學質量和實踐教學育人水平，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的教學原則，以信息化為導向，建設特色院校特色專業“虛實結合”實踐教學平臺，可以有效降低實驗成本，實現教學資源共享，培養學生探究式思維和自主學習能力，提升教學效果［6］。

本文以航空發動機這一典型復雜裝備作為虛實結合實驗教學研究對象，研制了“虛實結合”實踐教學平臺，針對四類典型的航空發動機：渦輪風扇發動機、渦輪軸發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪噴氣發動機，開發出虛擬實驗系統，實現虛擬環境下航空發動機結構原理介紹、三維漫游展示、自動虛擬拆裝、手動拆解、零部件裝配，整機動態模擬運行等交互實驗；同時開發了航空發動機3D 打印實驗平臺，實現航空發動機關鍵零部件及整體模型展示，模擬運轉等功能，從而達到“虛實結合”的實驗教學效果。

1 教學系統總體方案設計

復雜裝配體虛實結合實驗教學系統以航空發動機為虛擬實驗教學研究對象，其總體方案如圖1 所示。在航空發動機三維模型建模方面：采用三維建模軟件Solidworks完成渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪軸發動機、渦輪螺旋槳發動機的建模和渲染；在虛擬實驗系統方面：首先在3Dmax 中附材質、渲染及制作動畫，然后在Virtools平臺上開發虛擬實驗系統，實現航空發動機原理結構介紹、航空發動機自動虛擬拆裝、航空發動機手動虛擬拆裝、運動虛擬仿真、零部件展示、全視角交互漫游、實驗記錄、統計等功能；在航空發動機3D打印實驗平臺實現方面：首先針對航空發動機打印前實體模型重建，并搭建3D打印模型工作演示臺。

圖1 航空發動機虛實結合實驗教學系統總體方案

本實驗教學系統研究和建設的目標具體如下：①實現航空發動機等復雜裝配體整體運行的三維漫游展示、零部件三維漫游展示、零部件爆炸圖的展示以及各零部件的功能說明、虛擬操作、虛擬運動仿真等，實現虛擬實訓教學，使學生掌握和應用相關專業知識分析和設計相應裝備，提高學生工程實踐能力。虛擬實訓可以讓學生隨時隨地系統、深入地進行實驗，提高自主學習的興趣。②實現關鍵零部件模型的實體展示、裝配體零部件的拆裝等。最終，建立一個虛實結合的實驗平臺，讓學生能在一個實時交互平臺上對航空發動機功能、結構、工作等產生深刻的認識，并了解最近3D打印以及先進的制造工藝及設備。豐富教學內容，優化實踐教學形式，解決了實踐教學資源不足的問題，通過該實踐教學平臺實現的功能達到良好的實踐教學結果，培養同學們的科研實踐能力，有利于培養面向社會需求的創新型人才。

2 系統設計與實現

2.1 航空發動機三維展示模型優化

航空燃氣渦輪發動機主要由壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪所組成。燃氣渦輪發動機主要分為渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機［7］。為了充分展示燃氣渦輪發動機核心機結構部件及燃燒運轉過程，對航空發動機三維展示模型進行建模和優化。航空渦輪發動機建模采用CATIA 和Solidworks進行建模，在3dsmax 中進行材質添加及渲染。在Catia上先進行平面圖的繪制，對于風扇部分先平面圖繪制，再進行建模，并開好鍵槽等輪廓。之后對葉片進行繪制、扭轉并建模，接著再對其余轉子部分進行建模，包括渦輪，渦輪軸，各級輪盤的建模［8］。分別從渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機、渦輪軸發動機中各選出一款發動機完成建模及渲染。圖2 所示為渦輪軸和渦輪風扇航空發動機優化及渲染模型。

圖2 渦輪軸和渦輪風扇航空發動機優化及渲染模型

2.2 系統技術實現

航空發動機虛擬系統在Virtools平臺進行開發，Virtools可制作具有沉浸感的虛擬環境，它對參與者生成諸如視覺、聽覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺?；赩irtools的虛擬實驗平臺的開發主要包括虛擬元件素材準備、虛擬元件數據庫開發、數據庫與接口模塊開發、虛擬場景開發、虛擬場景中虛擬元件交互動作開發等步驟［9］，是一種應用廣泛的虛擬人機交互設計方法。Virtools 經由一個設計完善的圖形使用者界面，使用模塊化的行為模塊撰寫互動行為元素的腳本語言，使得使用者能夠快速地熟悉各種功能，包括從簡單的變形到力學功能等。Virtools可以制作出許多不同用途的3D 產品，如網際網絡、計算機游戲、多媒體、建筑設計、交互式電視、教育訓練、仿真與產品展示等。圖3 所示為采用Virtools 開發的航空發動機虛擬系統結構功能圖。

圖3 航空發動機虛擬實驗系統總體方案結構圖

由于Virtools不具有三維建模功能，但可以與多種建模軟件搭配使用，例如3dsmax，Maya等，開發航空發動機虛擬系統，首先將建好的模型導入到3Dmax 中，進行材質賦予、場景的烘焙、模型的簡化及坐標系的調整等步驟，這是由于3Dmax 可以降低模型復雜度，保證尺寸準確無誤［10］。然后在Photoshop中制作虛擬實驗系統界面，最后在Virtools中重新調整材質、燈光，創建各種對象的物理化程序和控制程序，創建攝像機程序等。并且Virtools架構靈活，開發者可以對相應的模塊進行編輯，并且配套多種引擎和工具集，普通開發者可通過鼠標鍵盤進行交互控制［11］，進而開發出航空發動機虛擬系統，實現發動機原理結構介紹及實驗記錄、統計，全視角交互漫游，發動機自動虛擬拆裝，發動機手動虛擬拆裝，零部件展示，運動虛擬仿真等功能，該虛擬系統還可與數據手套等外接設備進行人機交互操作，使航空發動機結構展示沉浸感更強，圖4 為開發航空發動機虛擬系統結構流程圖。

用戶可以通過網絡與服務器端相連，獲取各個模塊組件、數據庫文件等。對于有些零部件的裝配過程不同，還可以設計開發出工具選用系統，用戶所需的不同功能的實現就可通過編寫腳本代碼來實現［12］。

開發航空發動機虛擬實驗系統需首先完成建模、渲染及虛擬操作演示系統開發平臺間數據模型傳遞；然后進行三維數字模型虛擬操作演示系統界面設計及虛擬操作及漫游功能實現；最后發布虛擬操作演示系統文件，Virtools虛擬操作演示系統可發布*.exe文件格式嵌入至教學綜合管理系統中運行，也可生成IE瀏覽器能瀏覽*.VMO 文件，以鏈接的形式在網站上運行，進而提供多種實驗教學途徑。航空發動機虛擬系統完成了航空渦輪發動機全視角漫游、自動虛擬拆裝、手動虛擬拆裝、零部件切換、運動仿真、零部件結構展示及說明等功能。航空發動機的設計頁面應簡潔，減少不必要的渲染以減輕計算機的壓力提升性能并保證運行的流暢度。如圖5 所示為航空發動機虛擬實驗系統界面。

圖5 航空發動機虛擬實驗系統界面

圖6 渦輪軸航空發動機3D打印關鍵零部件

3 3D打印實驗平臺設計與實現

3D打印技術在目前已經越發成熟，無論是金屬3D打印或是非金屬3D打印都有一定的優勢，如制造加工效率高，加工成本低，結構美觀，更依賴于計算機設計［13］。由于當前3D 打印精度、發動機結構及裝配關系，同時根據教學需要，航空發動機模型在打印之前要進行再設計、再建模，根據所需展示效果決定模型的打印方式。以渦輪軸發動機重要零部件3D打印為例，首先需刪除與渦輪軸發動機結構展示無關的，固定孔、油管等附件及特征；然后為了保證渦輪軸發動機與電動機相連轉動，故軸及軸上安裝的渦扇、齒輪等要合并為一個零件；同時考慮到安裝，殼也要分成兩邊分開打印；最后將模型保存為.stl 格式［14］，模型最薄處為了保證強度可靠性，需對其厚度進行修改。這是由于3D打印技術打印表面粗糙，精度不高，且打印速度慢，還需要添加支撐部分，為了節省時間，需要改變模型的厚度，以及簡化模型，否則打印出來的產品會十分粗糙。

為保證實驗平臺上的3D 打印模型與原模型接近。渦輪軸航空發動機實驗平臺整機布置圖和整機實物圖如圖7 所示。直流電動機通過聯軸器與渦輪軸航空發動機主軸連接，通過電動機的轉動帶動渦輪風扇等轉動，模擬其燃燒運轉過程。后期將在此平臺上進行采用PLC［15］進行邏輯控制，進而用聲、光、電模擬航空發動機工作。

4 結 語

復雜裝配體虛實結合實驗教學系統以航空發動機為虛擬實驗教學研究對象，主要包括航空發動機虛擬實驗系統和航空發動機3D 打印實驗平臺。實現了航空燃氣渦輪發動機整體運行的三維漫游展示、零部件三維漫游展示、零部件爆炸圖的展示以及各零部件的功能說明、虛擬操作、虛擬運動仿真等。同時實現了航空發動機關鍵零部件模型的3D打印模型展示、3D 打印裝配體零件的拆裝等。通過該虛實結合實驗教學系統的研發，可為學生在實體實驗的基礎上使用虛擬仿真實驗作為輔助，提高學生的實踐操作能力；虛擬內容突破了時空的限制、人數的限制、儀器的限制等，可以保證虛擬仿真實驗教學資源社會共享，實驗平臺進一步加深了對航空發動機結構及運行原理的理解，增強了學生對CAD/CAM及制造裝配技術的理解，從而有效擴展學生的知識面，提升學生的學術能力和創新能力。