發(fā)動(dòng)機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉光宇 王偉蔚 王馗

（63996部隊(duì)，北京 100094）

發(fā)動(dòng)機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉光宇 王偉蔚 王馗

（63996部隊(duì)，北京 100094）

隨著三維動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)可生動(dòng)地展示設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理。本文介紹了利用SolidWorks、3DVIA Composer等軟件開發(fā)動(dòng)機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)的方法及步驟。系統(tǒng)的開發(fā)能夠讓學(xué)習(xí)人員通過交互式動(dòng)畫操作快速地掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造及工作原理，彌補(bǔ)了實(shí)習(xí)的不足，提高了學(xué)習(xí)效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)仿真教學(xué)SolidWorks 3DVIA Composer

1 引言

在職業(yè)技能教育中，學(xué)員實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)是教學(xué)中的重點(diǎn)，這種能力的培養(yǎng)的主要方法是加強(qiáng)教學(xué)實(shí)習(xí)，通過大量的實(shí)習(xí)操作強(qiáng)化技能。然而在職業(yè)培訓(xùn)中，如汽車維修技工培訓(xùn)中，實(shí)習(xí)設(shè)備價(jià)格高，培訓(xùn)成本大，多數(shù)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)實(shí)習(xí)設(shè)備少，實(shí)習(xí)時(shí)間短，從而制約了學(xué)員實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維仿真動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，利用三維動(dòng)畫軟件開發(fā)的仿真教學(xué)系統(tǒng)可以對實(shí)體設(shè)備進(jìn)行真實(shí)、準(zhǔn)確地模擬。為此，我們針對勇士越野車CYQD32TI型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。

2 系統(tǒng)的主要內(nèi)容及開發(fā)步驟

2.1 系統(tǒng)的主要內(nèi)容

發(fā)動(dòng)機(jī)總成包括兩大機(jī)構(gòu)、五大系統(tǒng)：曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)[1]。針對這七大組成部分，本仿真系統(tǒng)主要包含以下主要教學(xué)內(nèi)容：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)總成及各部件的主要參數(shù)、工作原理講解，零部件構(gòu)造、及裝配關(guān)系展示。

（2）零部件拆裝練習(xí)。以交互式三維動(dòng)畫的方式摸擬發(fā)動(dòng)機(jī)維修中零部件的折裝。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作拆裝零件，掌握正確的拆裝順序，當(dāng)發(fā)生拆裝順序錯(cuò)誤時(shí)，無法完成下一步的拆裝操作。

（3）考核。就學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)建立考核數(shù)據(jù)庫，考核中采用隨機(jī)抽題折方式組題。主要題型包括填空、選擇、判斷、簡答、三維動(dòng)畫拆裝實(shí)作考核。其中客觀題可自動(dòng)判分。

2.2 表現(xiàn)方式

總成及零部件主要參數(shù)及工作原理的講解主要以文字、圖片展示，并伴隨同步音頻講解。而零部件的構(gòu)造、裝配關(guān)系及傳動(dòng)關(guān)系主要通過交互式三維動(dòng)畫進(jìn)行展示。SolidWorks相比3DVIA Composer的Digger工具使其動(dòng)畫功能更加強(qiáng)大。

Digger工具主要包含洋蔥皮、X光、剖切平面、縮放四種工作模式[4]。在洋蔥皮模式下可以實(shí)現(xiàn)對裝配實(shí)體外部結(jié)構(gòu)的逐層剝離以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)；X光模式可實(shí)現(xiàn)對實(shí)體的內(nèi)部透視；剖切平面模式可以任意定義剖切平面位置，動(dòng)態(tài)地對實(shí)體剖切，以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)；縮放模式下展示任意位置的局部視圖，通過調(diào)節(jié)縮放比，展示零件的局部細(xì)節(jié)。這些展示方式是學(xué)員在實(shí)習(xí)中通過觀察實(shí)物也無法觀察到的。

3 開發(fā)軟件的選擇及開發(fā)步驟

仿真軟件的開發(fā)核心工作是交互式三維動(dòng)畫的制作，包括發(fā)動(dòng)機(jī)零件的3D建模、零件的裝配、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、編輯及發(fā)布。其中3D建模是基礎(chǔ)，零件的裝配及動(dòng)畫設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

3.1 建模

在開發(fā)中選用SolidWorks作為3D建模軟件。SolidWorks是基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模軟件，是一款Windows平臺(tái)下的三維CAD軟件，其繪圖功能強(qiáng)大，簡單易用[2]。利用它可以方便創(chuàng)建任何復(fù)雜實(shí)體，快捷地組成裝配體。SolidWorks具有零件圖、裝配體、工程圖三個(gè)模塊，三個(gè)模塊相互關(guān)聯(lián)，在任一模塊中的修改，都會(huì)自動(dòng)反映到其它模塊中。利用零件圖或?qū)崪y零件尺寸參數(shù)，采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣多種方式進(jìn)行快速建模。在建模中可以對模型進(jìn)行干涉檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)繪制中的錯(cuò)誤。SolidWorks集成了大量的插件，極大地拓展了其功能。其中Toolbox插件是一個(gè)智能化的標(biāo)準(zhǔn)件庫，常用的螺栓、軸承、鍵、銷等標(biāo)準(zhǔn)件可以直接調(diào)用，該插件的應(yīng)用可大大提高建模效率。在零件模型創(chuàng)建完成后可進(jìn)行零件的顏色、材質(zhì)、紋理、透明度等屬性設(shè)置，同時(shí)對環(huán)境光源進(jìn)行必要的設(shè)置、調(diào)整，以便使零件更加生動(dòng)、逼真。

3.2 交互動(dòng)畫合成

SolidWorks集成的Animator等插件可以進(jìn)行高級(jí)渲染及交互動(dòng)畫合成等工作，但這里選用功能更強(qiáng)大的3DVIA Composer作為三維動(dòng)畫制作工具，該軟件可以高效地完成圖形文檔編輯、三維交互動(dòng)畫制作工作[3]。3DVIA Composer與SolidWorks高度集成，3DVIA Composer可以直接打開包括SolidWorks在內(nèi)的多種三維CAD軟件建立的零件及裝配體三維模型。3DVIA Composer很好地繼承了SolidWorks中的操作，例如爆炸圖、爆炸引線及配置等，避免重復(fù)性的工作。3DVIA Composer制作的動(dòng)畫中，可以通過鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對三維實(shí)體的平移、縮放、任意角度的旋轉(zhuǎn)等基本動(dòng)畫操作，還可以生成爆炸視圖展示零件的裝配關(guān)系，生成局部視圖展示零件的細(xì)節(jié)，通過對外部零件的消隱展示內(nèi)部零件的結(jié)構(gòu)。此外與

Digger的剖切平面模式

Digger的縮放模式

在動(dòng)畫制作中應(yīng)合理設(shè)置攝像機(jī)，通過設(shè)置攝像機(jī)的位置、角度、鏡頭參數(shù)等確定角色在視口中合理的布局?？赏ㄟ^復(fù)制變換，設(shè)置樞軸、對齊、鏈接父子關(guān)系、創(chuàng)建選擇集等工具快速地設(shè)置角色的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，同時(shí)要根據(jù)需要添加起輔助作用的協(xié)同角色，如標(biāo)簽、箭頭、2D圖片和文本、編號(hào)、非關(guān)聯(lián)路徑、標(biāo)記、測量、照明、坐標(biāo)系、切除面等。根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及特點(diǎn)在時(shí)間窗口中設(shè)置合理的動(dòng)畫時(shí)間及關(guān)鍵幀，經(jīng)過預(yù)覽無誤后渲染、導(dǎo)出動(dòng)畫文件。

3.3 系統(tǒng)合成

作為一個(gè)教學(xué)軟件，必須依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分，按照學(xué)習(xí)章節(jié)把文字、講解配音、圖片、三維動(dòng)畫等素材及考核題庫有機(jī)地組織起來。這里我們選用Director作為后期合成軟件。Director是Adobe公司開發(fā)的一款項(xiàng)目集成軟件，利用該軟件可把高品質(zhì)圖像、數(shù)字視頻、音頻、動(dòng)畫、三維模型、文本、超文本等素材合成交互式多媒體系統(tǒng)[5]。基于調(diào)取3DVIA Composer三維動(dòng)畫的需要，系統(tǒng)要嵌入3DVIA Play播放插件進(jìn)行動(dòng)畫播放。在系統(tǒng)合成中還創(chuàng)建了導(dǎo)航工具條，可以讓用戶在使用時(shí)方便地在各章節(jié)快速跳轉(zhuǎn)到新的學(xué)習(xí)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

交互式三維仿真教學(xué)系統(tǒng)在汽車維修技工教學(xué)中雖然不能代替實(shí)習(xí)教學(xué)，但可作為一種輔助教學(xué)手段。學(xué)員使用該系統(tǒng)能更清楚地了解發(fā)動(dòng)機(jī)零部件構(gòu)造、零件的裝配關(guān)系、傳動(dòng)關(guān)系、拆裝順序等，從而有效地提高了教學(xué)效果。

[1]于增信.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造、原理與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]詹迪維.SolidWorks高級(jí)應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]張志利,褚識(shí)廣,等,基于CATIA和3DVIA Composer的液壓元件虛擬裝配仿真[A].全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2010: 35-37

[4]李大磊.3DVIA Composer工程應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]許曉潔，仲福根，顧彩莉等.Director多媒體應(yīng)用教程.[M]電子工業(yè)出版社，2014.

The Design of Engine Simulation Teaching System

LIU Guang-yu,WANG Wei-wei,Wang Kui
（The 63996th troop of the PLA,Beijing 100094,China）

With the development of the three dimensional animation technology,the structure and working principle of machines can be displayed vividly with simulation technology.This paper introduced the methods of engine simulation teaching system by SolidWorks and 3DVIA Composer.Base on this interactive system,students can quickly master the structure and working principle of engine,which make up for the deficiency of the operation practice and improve the learning efficiency.

engine;simulation;education;Solidworks;3DVIA compose

TP311

A

1008-1739（2015）05-71-3

定稿日期：2015-02-12