三維實(shí)體虛擬仿真環(huán)境下壓縮機(jī)拆裝課件開發(fā)

劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125000）

0 前言

現(xiàn)今多媒體課件已經(jīng)成為教學(xué)過程的重要元素，在提高教學(xué)質(zhì)量和效率方面發(fā)揮著積極作用。然而，要開發(fā)出高質(zhì)量的課件，不但需要精心的設(shè)計(jì)和科學(xué)的規(guī)劃，還需要項(xiàng)目管理人員、教學(xué)內(nèi)容專家、教學(xué)設(shè)計(jì)專家、多媒體制作人員和美工等多方面的通力合作。因此，深入理解多媒體課件的內(nèi)涵，掌握多媒體課件開發(fā)的基本工作程序和方法是保證課件質(zhì)量的前提。三維實(shí)體虛擬仿真環(huán)境下的壓縮機(jī)拆裝是將理論知識貫穿在職業(yè)技能訓(xùn)練過程中，讓學(xué)生在做中學(xué)，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”合一，學(xué)生可以在三維實(shí)體仿真的環(huán)境下親自動手操作，真正模擬實(shí)際工作環(huán)境。三維仿真壓縮機(jī)實(shí)體可以由一個學(xué)生拆，拆完后由另一個學(xué)生組裝，學(xué)生之間共同合作完成拆裝，教學(xué)任務(wù)變成了工作任務(wù)，使學(xué)生在壓縮機(jī)拆裝的同時(shí)完成了工作任務(wù)，更好地了解了壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用壓縮機(jī)三維實(shí)體仿真課件的作用體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，運(yùn)用壓縮機(jī)仿真課件講解壓縮機(jī)內(nèi)容可以有效提高教師的教學(xué)效果，避免了傳統(tǒng)教學(xué)中使用掛圖帶來的弊端，可以使學(xué)生迅速掌握壓縮機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、壓縮機(jī)拆卸及裝配，為壓縮機(jī)的故障排除打下良好基礎(chǔ)。第二，使用仿真課件可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生往往對教學(xué)掛圖沒有興趣，特別是機(jī)械結(jié)構(gòu)掛圖，剖面線錯綜復(fù)雜，造成學(xué)生識圖困難，而三維實(shí)體仿真課件可以提高學(xué)生對壓縮機(jī)實(shí)體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。第三，運(yùn)用仿真課件可以為學(xué)生的實(shí)景教學(xué)打下基礎(chǔ)，通過三維實(shí)體仿真課件的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)有了全新的認(rèn)識。同時(shí)，提高了教師運(yùn)用多媒體技術(shù)講授專業(yè)知識的能力，為教師開展科研工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 課件開發(fā)過程

應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，以三維設(shè)計(jì)軟件為平臺，進(jìn)行活塞式壓縮機(jī)的虛擬仿真。在三維設(shè)計(jì)軟件環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)零部件的可視化三維造型設(shè)計(jì)、壓縮機(jī)零部件的造型設(shè)計(jì)、壓縮機(jī)零部件的動態(tài)可視化裝配過程。

本課件以制冷實(shí)驗(yàn)室一臺KS100活塞式制冷壓縮機(jī)為實(shí)體原型，應(yīng)用三維軟件進(jìn)行壓縮機(jī)的實(shí)體建模。首先對壓縮機(jī)機(jī)體、壓縮機(jī)活塞組件（氣環(huán)與油環(huán)、活塞銷）、壓縮機(jī)曲軸組件、壓縮機(jī)連桿組件（連桿大小頭、連桿螺栓、連桿大頭軸瓦）、壓縮機(jī)軸封組件（軸封彈簧端蓋、動靜密封環(huán)）、壓縮機(jī)飛輪和壓縮機(jī)端蓋進(jìn)行實(shí)體三維構(gòu)建，然后對各個組件進(jìn)行裝配，形成一臺完整的壓縮機(jī)，進(jìn)行課堂演示，讓學(xué)生快速掌握壓縮機(jī)內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)和拆裝順序。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.1 數(shù)據(jù)獲取

查閱KS100活塞式壓縮機(jī)的技術(shù)圖紙和實(shí)體模型，收集數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于二維圖紙是標(biāo)準(zhǔn)圖紙，應(yīng)將其轉(zhuǎn)化成具備三維建模的技術(shù)圖紙。三維造型軟件都可以通過創(chuàng)建的三維模型自動生成各種視圖，包括基本視圖、輔助視圖、剖視圖、斷面圖等各種三維投影圖，如圖2所示。以Solidworks軟件為例，此軟件具有很好的視圖自動生成功能，且視圖能隨著造型立體的變化而更新變化，其投影方法也能在第一角投影和第三角投影之間進(jìn)行選擇。

圖2 壓縮機(jī)部分組件三維圖

1.3 對壓縮機(jī)零部件進(jìn)行三維建模，形成各自的三維模型

在機(jī)械CAD領(lǐng)域，二維工程圖包含了產(chǎn)品生產(chǎn)全過程所需的必要信息，如形狀、材料、檢驗(yàn)規(guī)范等。為了充分利用已有的二維工程圖資源，提高三維建模的速度，必須進(jìn)行二、三維聯(lián)合建模。以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)的Solidworks軟件，充分利用了AutoCAD二維繪圖的豐富資源，與二維圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兼容，可以實(shí)現(xiàn)dwg文件的輸入輸出。而且在Solidworks軟件中，還提供了AutoCAD軟件的模擬器，使得AutoCAD用戶可以在保持原有設(shè)計(jì)習(xí)慣的基礎(chǔ)上，順利地從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維實(shí)體設(shè)計(jì)。壓縮機(jī)組件三維模型如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)組件三維模型

1.4 系統(tǒng)集成

完成二維圖形到三維圖形的轉(zhuǎn)換后，需要進(jìn)一步對壓縮機(jī)的三維模型進(jìn)行系統(tǒng)集成。將各個組件根據(jù)圖紙的要求進(jìn)行裝配，形成一個完整的壓縮機(jī)三維裝配模型。將裝配后的三維圖形進(jìn)行渲染，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成壓縮機(jī)三維實(shí)體模型。

1.5 效果顯示

壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真和可視化拆裝過程，學(xué)生可移動鼠標(biāo)進(jìn)行壓縮機(jī)拆裝。壓縮機(jī)效果圖如圖4所示。

圖4 壓縮機(jī)效果圖

2 虛擬課件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運(yùn)用三維實(shí)體軟件進(jìn)行課件開發(fā)

多媒體課件本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，軟件工程中通常以流程圖的形式來描述軟件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作過程。從總體上看，壓縮機(jī)虛擬仿真課件開發(fā)包括軟件設(shè)計(jì)、軟件制作、課件設(shè)計(jì)和課件制作4個階段，前兩個階段已經(jīng)在三維設(shè)計(jì)軟件平臺上完成，后兩個階段需要運(yùn)用多媒體技術(shù)完成。三維實(shí)體軟件應(yīng)根據(jù)高職院校學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行多媒體課件開發(fā)。壓縮機(jī)課件開發(fā)流程如圖5所示。

圖5 壓縮機(jī)課件開發(fā)流程

2.2 采用網(wǎng)頁和Flash形式將壓縮機(jī)三維軟件深度融合

三維機(jī)械類繪圖軟件Solidworks是一款基于特征的參數(shù)化三維繪圖軟件，其功能強(qiáng)大，使用簡單，但在制作三維機(jī)械類動畫課件方面存在不足，如其自帶的簡單動畫功能比較單調(diào)、安裝拆卸方面有明顯缺陷等。與此相反，F(xiàn)lash軟件雖然在繪制三維機(jī)械圖方面存在不足，但其在動畫制作方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因此在課件開發(fā)中，可以將兩款軟件有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，制作出栩栩如生的三維機(jī)械類動畫多媒體課件。利用Flash制作的課件應(yīng)具有雙向的信息傳遞功能，不僅可以向用戶演示相關(guān)信息，同時(shí)也允許用戶將使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行反饋，使課件具有交互功能。Solidworks軟件所繪制的三維實(shí)體建模文件巨大，不方便打開，同時(shí)也不便于網(wǎng)絡(luò)的傳播，而Flash軟件所特有的“流媒體”播放方式可以將三維Solidworks文件變成SWF文件，克服低版本軟件不支持高版本軟件的缺陷，提高文件的兼容性。另外，即使某些處理器沒有安裝Flash軟件，也可以通過安裝Flash插件或者利用Flash軟件的發(fā)布功能，將Flash動畫發(fā)布成Html格式，無需插件即可播放Flash動畫。

2.3 人機(jī)交互方式的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互是指人與計(jì)算機(jī)之間使用某種對話手段，以一定交互方式，為完成確定任務(wù)而進(jìn)行的人機(jī)之間信息交換的過程。目前，常用的人機(jī)交互方式有按鈕、菜單、熱字、熱區(qū)、條件判斷、文本輸入、移動物體進(jìn)目標(biāo)區(qū)域、限定時(shí)間、限定次數(shù)和按鍵等。常用的交互輸入手段有鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、跟蹤球、操縱桿、圖形輸入板、聲音輸入設(shè)備等。

在完成壓縮機(jī)機(jī)體三維實(shí)體構(gòu)建后，進(jìn)行壓縮機(jī)三維動態(tài)實(shí)體虛擬拆卸與裝配，形成壓縮機(jī)可執(zhí)行的仿真拆裝文件，有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。學(xué)生可以通過計(jì)算機(jī)模擬壓縮機(jī)真實(shí)的拆裝環(huán)境，在動態(tài)可視的過程下將一臺壓縮機(jī)進(jìn)行完整的拆裝。拆裝課件通過計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的對話。通過人機(jī)交互，可以輕松實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體虛擬仿真環(huán)境下壓縮機(jī)拆裝課件演示，如圖6所示。

圖6 壓縮機(jī)拆裝課件的演示界面

3 結(jié)束語

三維實(shí)體虛擬仿真環(huán)境下壓縮機(jī)拆裝課件解決了教學(xué)中的難題。如果讓每個學(xué)生都到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拆裝，一是實(shí)驗(yàn)室沒有足夠的設(shè)備供學(xué)生拆裝；二是拆裝每臺設(shè)備的時(shí)間較長，如果學(xué)生輪流拆裝會影響正常的教學(xué)進(jìn)程；三是多次拆裝會影響壓縮機(jī)的配合間隙，影響壓縮機(jī)設(shè)備的正常使用。利用三維實(shí)體虛擬仿真環(huán)境下壓縮機(jī)拆裝課件，可以將壓縮機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、零部件和裝配順序表述清晰，提高了教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。所以，此課件的開發(fā)對高職院校學(xué)生的實(shí)景訓(xùn)練和虛擬仿真產(chǎn)生積極的影響，同時(shí)對研究和開發(fā)三維仿真課件的新方法和新手段有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

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