Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術(shù)在機械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

鄧小林

（梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術(shù)在機械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

鄧小林

（梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002）

對計算機輔助教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式進行闡述，分析減速器在現(xiàn)有教學(xué)中存在的問題。在介紹Pro/ENGINEER動畫模塊的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了減速器的三維參數(shù)化模型，利用Pro/ENGINEER的虛擬裝拆動畫技術(shù)，制作了減速器虛擬裝拆動畫。

虛擬裝配；虛擬拆卸；減速器；動畫技術(shù)

隨著信息社會的深入發(fā)展和計算機技術(shù)的普及與推廣，傳統(tǒng)教育已越來越難于適應(yīng)信息社會的發(fā)展需求，弊端越來越明顯。計算機輔助教學(xué)是近30年來迅速發(fā)展的一門新興的綜合性計算機技術(shù)，它在因材施教、生動有趣等方面具有傳統(tǒng)教學(xué)方式不可比擬的優(yōu)勢，因而正日益受到重視與推廣。計算機輔助教學(xué)是教學(xué)發(fā)展的新趨勢，傳統(tǒng)教學(xué)模式側(cè)重教師的“教”，強調(diào)通過教師的最佳教法來收到最佳的教學(xué)教果。而計算機輔助教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)模式有著本質(zhì)的不同，它注重通過引導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)習(xí)，運用多媒體提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，通過學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)過程和計算機輔助教學(xué)的有機結(jié)合，求得最佳的學(xué)習(xí)效果。

減速器是機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中的一個典型教學(xué)實例，包含有典型的機械零件結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)，如：箱體、齒輪、軸、盤套等常用件和標(biāo)準(zhǔn)件[1]。在實際教學(xué)中，它的結(jié)構(gòu)組成、拆裝過程及工作演示是機械教學(xué)中一項非常重要的內(nèi)容，如果僅通過書本的平面裝配圖配以大量的文字進行講解，那么學(xué)生是難以理解和接受的。

針對上述問題，本文將Pro/ENGINEER動畫技術(shù)應(yīng)用到機械輔助教學(xué)中，通過制作虛擬裝拆動畫，將減速器的零件結(jié)構(gòu)和裝拆過程以虛擬動畫的形式，形象、生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生加深印象，提高教學(xué)效果。使學(xué)生在理解和掌握減速器教學(xué)內(nèi)容的同時，進一步提高學(xué)習(xí)興趣。

1 Pro/ENGINEER動畫模塊

所謂動畫（Animation）就是利用人們的視覺在每秒23～30張畫面（Frame）的播放速度時，根本無法辨認(rèn)每一張畫面的靜態(tài)圖像的視覺暫留特性，快速地播放一系列的靜態(tài)圖像，使視覺產(chǎn)生動態(tài)效果。Pro/ENGINEER動畫制作技術(shù)通過利用上述原理，把機構(gòu)仿真模塊中的機構(gòu)模型或Pro/ENGINEER中的組件模型在不同的時間點的關(guān)鍵狀態(tài)畫面用快照記錄下來，并通過插入中間畫面連續(xù)地展示出來，使其具有可視性，從而用動畫的方式形象地表示產(chǎn)品的裝配和拆卸序列，用以指導(dǎo)用戶了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，功能原理及虛擬裝拆過程[2-4]。

Pro/ENEGINEER動畫模塊以動態(tài)的形式把組件模型的現(xiàn)實情景演示出來，并輸出為視頻或圖片格式將其傳遞出去，即使對方?jīng)]有Pro/ENGINEER也可以查看模型，促進了信息的交流和溝通。普通和專業(yè)Pro/ENGINEER用戶都可以應(yīng)用動畫模塊動態(tài)的展示模型，而不像運動仿真模塊那樣需要創(chuàng)建基于專業(yè)機構(gòu)知識的運動軸或伺服電動機[5-6]。

2 基于Pro/ENGINEER的減速器三維模型建立

減速器的結(jié)構(gòu)通常包含傳動零件及其支撐、箱體結(jié)構(gòu)和減速器附件三大部分，視孔蓋、吊環(huán)、油尺、油尺套、螺塞、端蓋、軸承、擋油環(huán)、高級速齒輪、高速軸、低速軸、低級速齒輪、定位銷、甩油盤、底座、底座與箱蓋連接螺栓、箱蓋、軸承座連接螺栓、軸承蓋螺釘和通氣罩等20多個零部件構(gòu)成[1]。

2.1 傳動零件及其支撐

傳動零件包括軸、齒輪、帶輪、蝸桿、蝸輪等。

2.2 箱體結(jié)構(gòu)

減速器的箱體一般由鑄鐵材料鑄造而成，分為上箱體和下箱體。

2.3 減速器附件

常見的減速器附件主要有：窺視孔和視孔蓋、通氣器、油面指示器、定位銷、起蓋螺釘、起吊裝置、放油孔和螺塞等部分組成。

其具體裝配示意圖如下頁圖1所示。

圖1 減速器裝配示意圖

3 減速器裝拆動畫制作

動畫的制作主要由以下幾個步驟組成：

（1）打開建立的組件模型，選擇菜單條“應(yīng)用程序→動畫”命令，進入動畫模塊。

（2）定義主體，并對主體的位置進行編輯定義。

（3）定義關(guān)鍵幀。

（4）重復(fù)（2）、（3）創(chuàng)建其余關(guān)鍵幀。

（5）創(chuàng)建關(guān)鍵幀序列。將所做的關(guān)鍵幀進行序列化。

（6）制作播放文件、生成視頻文件。

（7）導(dǎo)出動畫。

在Pro/ENGINEER軟件中，通過Pro/ENGINEER動畫制作技術(shù)，安裝減速器，裝配后的減速器模型如下頁圖2所示。

圖2 減速器動畫制作結(jié)果

4 虛擬裝拆動畫技術(shù)在機械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

“機械設(shè)計”是高等學(xué)校機械類、近機械類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的機械設(shè)計教學(xué)通常采用實物模型具有和掛圖的形式來幫助學(xué)生理解。由于實物模型具有體積大，零部件多，攜帶不方便，而且容易損壞，不便于保管等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要。如果沒有模型和掛圖，僅僅依靠講解，學(xué)生缺乏對實物的感官認(rèn)識，就更難理解機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及裝拆過程，從而影響了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，達不到教學(xué)應(yīng)有的效果。目前，以三維CAD技術(shù)為代表的數(shù)字化設(shè)計，為機械設(shè)計行業(yè)帶來翻天覆地的變化。三維動畫技術(shù)是數(shù)學(xué)建模、算法技術(shù)和計算機圖形學(xué)的有機結(jié)合，是在計算機上通過連續(xù)的動態(tài)畫面顯示系統(tǒng)的運動狀態(tài)以揭示研究對象的運動規(guī)律[4]。Pro/ENGINEER集成了造型及動畫制作功能，可以方便建立機構(gòu)的三維裝拆動畫，以滿足機械類課程三維動畫教學(xué)資源的需求。

4.1 演示機構(gòu)的組成及裝配關(guān)系

機械基礎(chǔ)課程中有很多機構(gòu)都是組合體，單純講解其中的零件并不能反映機構(gòu)中其他零件之間的裝配和相互聯(lián)接關(guān)系，也很難讓學(xué)生理解掌握[7]。傳統(tǒng)的教學(xué)方法在講授機構(gòu)的組成及裝配關(guān)系時，是采用二維平面裝配圖去講解，學(xué)生理解這些知識需要有豐富的空間想象力和讀圖能力。如果借助教學(xué)實物模型，裝拆過程極不方便,且操作較為費時。而采用虛擬裝拆動畫技術(shù)則可以很好地解決此類問題。如在講解減速器的組成和裝配關(guān)系時，就可以通過虛擬裝拆動畫，將減速器的裝拆過程以動畫的形式播放出來，并且給學(xué)生講解裝拆過程中需要注意的地方，使學(xué)生對所學(xué)的內(nèi)容和知識有一個更完整的理解，還能將減速器的結(jié)構(gòu)組成淋漓盡致的表達出來，學(xué)生通過觀看減速器的裝拆動畫，不僅能掌握減速器的構(gòu)造原理，還能了解和明白減速器的裝配方法。

4.2 演示機構(gòu)工作原理情況

在“機械設(shè)計”課程設(shè)計中，利用Pro/ENGINEER軟件對減速器的各個零部件進行三維建模，依據(jù)一定的約束關(guān)系對其進行虛擬裝配，然后便可以通過Pro/ENGINEER的動畫模塊制作其三維動畫文件，該文件使設(shè)計者能實時看到機構(gòu)的運動模擬情況，直觀地理解減速器運行的工作原理和空間結(jié)構(gòu)等。

4.3 對設(shè)計結(jié)果進行動態(tài)演示

傳統(tǒng)的機械設(shè)計以二維裝配圖的形式進行表達，設(shè)計結(jié)果是否按預(yù)定設(shè)計運行很難在加工制造之前進行判斷，通過虛擬裝拆動畫技術(shù)，可以對設(shè)計結(jié)果進行動畫模擬，教師也可對學(xué)生的設(shè)計結(jié)果進行打分評價。

傳統(tǒng)教學(xué)方法采用二維平面圖形以及借助教學(xué)實物模型來講解減速器零部件組成及工作原理，該方法對學(xué)生空間想象能力要求較高，并且裝拆實物模型不方便，操作較為費時。虛擬裝拆動畫技術(shù)可以將減速器的結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)造及裝配方法通過動畫淋漓盡致的表現(xiàn)出來，有效地提高了學(xué)習(xí)效率。Pro/ENEINEER的虛擬動畫技術(shù)將有效促進教學(xué)質(zhì)量的提高，對教學(xué)改革起到推動作用。

[1]張春宜，郝廣平，劉敏.減速器設(shè)計實例精解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]施威銘研究室.Animator Pro/E動畫制作系統(tǒng)實例手冊[M].北京：學(xué)苑出版社，1994：11-13.

[3]夏紅梅，李志偉，鄭丁科.基于PRO/E的減速器虛擬裝拆教學(xué)軟件的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2005（5）.

[4]李曙生，金家楣.三維動畫技術(shù)在機械類課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003（2）.

[5]Gungor A.，Gupta，S.M.An evaluation methodology for disassemblyprocesses[J].Computer&Industrial Engineering，1997（1）.

[6]安美玲.減速器虛擬裝拆及運動仿真教學(xué)軟件設(shè)計[J].計算機應(yīng)用研究，2008（11）.

[7]謝穎.利用Pro/E軟件提升機械類課程教學(xué)效果[J].科技廣場，2007（11）.

Application of Pro/Engineer’s Virtual Assembling and Disassembling Animation in Teaching Mechanical Design

Deng Xiaolin
（Department of Computer and Electronic Information Engineering,Wuzhou University,Wuzhou 543002，China）

This article will be devoted todescribingcomputer-aided teachingand traditional teaching methods,analyzing the existing problems in teaching the reducer.Based on introduction of the Pro/ENGINEER animation module,three-dimensional parametric model reducer is constructed,the use of Pro/ENGINEER animation of virtual assembly and disassembly technology,a reducer of virtual assemblyand disassemblyanimation is produced.

virtual assembly;virtual disassembly;speed reducer;animation technology

G642

A

1673-8535（2011）03-0095-05

2011-03-18

梧州學(xué)院院級教改項目（Wyjg2010B006）

鄧小林（1984-），男，湖南永州人，梧州學(xué)院電子信息工程系助教，碩士，主要研究方向：大批量定制技術(shù)和產(chǎn)品變型設(shè)計技術(shù)。

高 堅）