基于UG的拆裝虛擬教學平臺的搭建與應用

沈陽航空航天大學航空航天工程學院 馬洪安 陳 雷 劉 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐讓書

基于UG的拆裝虛擬教學平臺的搭建與應用

沈陽航空航天大學航空航天工程學院 馬洪安 陳 雷 劉 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐讓書

針對內(nèi)燃機拆裝實踐教學效果不理想的情況，本文應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)搭建內(nèi)燃機拆裝虛擬平臺。通過實際實踐教學應用，加深學生對內(nèi)燃機構(gòu)造與設計及部件運行原理等知識點的掌握與理解，明顯提高內(nèi)燃機拆裝實踐的教學效果。

UG 虛擬現(xiàn)實 教學平臺

近年來，隨著網(wǎng)絡、多媒體和信息交換等相關(guān)計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，借助于網(wǎng)絡技術(shù)的教學已成為各國教育與教學重要的手段與工具。網(wǎng)絡教學具有不受時間、不受地點約束的高校的特點，因此備受重視。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在計算機建模、圖像處理、傳感控制、數(shù)值仿真及網(wǎng)絡等技術(shù)的基礎上開發(fā)而成的一種先進仿真模擬系統(tǒng)。在計算機上構(gòu)建的虛擬場景內(nèi)，學習者可以用手或者工具觸摸、用眼睛完成直接觀察等交互式動作，結(jié)合運動機構(gòu)的聲效，使人感受“虛擬的實際現(xiàn)場”。

當前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被廣泛應用于科學試驗、電腦游戲、駕駛培訓等多個領(lǐng)域。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師在專業(yè)課程教學中可以充分利用直觀清晰的圖像、圖形、三維結(jié)構(gòu)和聲音等復雜多樣的表現(xiàn)形式，引起學生視覺、觸覺和聽覺等感官的同步感受，達到良好的教學效果。

軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于教學主要有兩種途徑與方式，均是在虛擬現(xiàn)實平臺軟件VRP上進行的。

第一種是采用平臺結(jié)合VRML、Java3D、3DML和Virtools等軟件，這類軟件支持虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)，采用這種技術(shù)路線完成虛擬平臺建設的較多。該技術(shù)路線支持三維建模與紋理映射，可實現(xiàn)運動控制和虛擬操作的實時交互功能，能開發(fā)出靈活度高、交互性強的虛擬仿真系統(tǒng)，但因渲染效果差、信息傳輸率低及編程復雜等缺點，限制了此方式的進一步應用與推廣。

第二種是采用平臺結(jié)合METASTREAM、VIEWPOINT、CULT3D等相關(guān)軟件加以實現(xiàn)。虛擬拆裝系統(tǒng)中建模部分和控制部分分離，建模主要采用專業(yè)的3DMAX、Pro/E、UG和MAYA等三維軟件設計完成。專業(yè)三維軟件以渲染效果高、傳輸速率快、編程簡便等天然優(yōu)勢，便可獲得虛擬景象，以利用CULT3D、UG（Pro/E）與3DMAX等已成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)設計與開發(fā)的一套成熟方案，并被廣泛利用。CULT3D 軟件是可在網(wǎng)絡中進行3D產(chǎn)品發(fā)布的專業(yè)軟件，對電腦硬件要求低、易于上手和操作簡便。CULT3D其可實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的高質(zhì)量性和流式傳送特性，模型庫文件較小。因此，CULT3D被廣泛應用于3D產(chǎn)品發(fā)布、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)等多個方面。

一、背景

學生學習與了解內(nèi)燃機工作原理、內(nèi)燃機的構(gòu)造與設計、內(nèi)燃機電控系統(tǒng)等專業(yè)知識與基礎上，作為能源與動力工程本科專業(yè)的專業(yè)實踐類課程，發(fā)動機拆裝實踐具有極為重要的意義，是學生內(nèi)燃機理論學習與實際相結(jié)合最重要的一環(huán)。當前我校可供拆裝實踐教學的內(nèi)燃機為三菱4G63/4G64汽油機等共計10臺，結(jié)構(gòu)較為復雜，為使學生更為熟悉與對比內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)的變化，另增加結(jié)構(gòu)稍簡單的兩臺492型汽油機，相對應的，能源與動力工程專業(yè)（內(nèi)燃機方向）每年兩個班形，約62人，每臺（組）發(fā)動機四至五名學生。另外，隨著科技的迅速發(fā)展，多種新型內(nèi)燃機不斷涌現(xiàn)，即使筆者所在院校的三菱4G63/4G64發(fā)動機，也是2007年前后的產(chǎn)品，而且該型發(fā)動機在結(jié)構(gòu)上也有了一定程度的改進與更新，與當今時代的產(chǎn)品與技術(shù)依舊有一定差距。

專業(yè)拆裝實踐教學中出現(xiàn)的問題主要有：

1.發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)與功能相對陳舊，限制了學生了解更新的專利與技術(shù)。

2.實踐指導不夠及時。由于實踐教學時學生數(shù)較多，指導教師完全詳細講解較為困難與不便。

3.同組內(nèi)學生實踐學習有好有壞。同組的同學部分參與、部分旁觀的情況，旁觀相對于動手的學生了解。

4.部分部件拆卸不徹底。受限于實踐教學空間與工具，發(fā)動機某些部件整體結(jié)構(gòu)拆卸不完全與不徹底，如活塞連桿機構(gòu)和缸蓋等。

5.某些零件的細微結(jié)構(gòu)單純依賴觀察難于理解與掌握。

針對上述實踐教學中的問題與困難，每年更新發(fā)動機有現(xiàn)實的困難，很多廠商限于技術(shù)和專利的保護，以及教學設備資金不足與較長的周期；其他困難與問題則可以通過搭建拆裝虛擬平臺加以實現(xiàn)與解決。

（1）拆裝虛擬平臺可以隨時隨地的開展，不受時間、學生數(shù)、場地及工具的限制。

（2）平臺可以使學生產(chǎn)生沉浸感，提升學生的主動性，增加學習效果；通過鍵盤與鼠標等交互界面讓學生深入其中，探尋科技帶來的奧秘。

（3）減少實踐環(huán)節(jié)中的零件破損與丟失；在拆裝虛擬發(fā)動機過程中，將減少學生輔助性任務，借以減少對發(fā)動機各個零部件的破損。

（4）拆裝虛擬平臺的針對性；針對較為復雜的內(nèi)燃機部件和結(jié)構(gòu)，學生可以反復觀察、學習與探究。

二、拆裝虛擬平臺建設

虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合軟件、硬件的優(yōu)勢而形成的新型技術(shù)。根據(jù)需要可選擇三維掃描儀、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、頭戴式顯示儀、音頻生成與合成裝備、力反饋設備等多種硬件。但硬件結(jié)合的拆裝虛擬平臺因投入巨大、難度極高等特點，在當前的學校教學設備投入條件下難以實現(xiàn)。面對教學的主要方式和方法是，采用鍵盤、鼠標操作方式的軟件人機交互界面，完成拆裝虛擬平臺的建設。

參考相關(guān)技術(shù)手段與研究成果，本拆裝虛擬平臺建設采用UG+3DMAx+CLUT3D路線實現(xiàn)。該平臺主要用于輔助我校能源與動力工程專業(yè)學生拆裝實踐課程教學。通過鼠標和鍵盤操作可以縮放、轉(zhuǎn)動零部件，調(diào)整觀測視角完整認識與了解發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點、零件裝配連接與位置關(guān)系，給出部件與整機拆卸和裝配等過程。

零件通過參數(shù)化建模方法，利用UGNX進行設計與實現(xiàn)，可以得到準確尺寸的零件三維模型。CULT3D與UG軟件的模型不可以直接對接，因此，需要零件的三維模型通過3D STUDIO MAX進行文件數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

測繪得到所有零件的尺寸，通過UG構(gòu)建各個零件的三維模型，并導出為STL的格式文件，利用3D STUDIO MAX軟件將STL零件文件進行渲染處理，增加光效、材質(zhì)與動畫等處理，以增加零件模型的真實性，并通過形成的文件進行輸出為c3d類型的文件，該類文件能夠由CULT3D導入與處理。

在CULT3D中輸入各個零件的c3d文件，將其轉(zhuǎn)換成矢量格式文件，從而在進行圖形放大與縮小時均表現(xiàn)出良好的真實效果動畫或模型，通過添加相應的交互事件，完成與實現(xiàn)響應的分解與裝配等功能。針對原始模型與動畫，加入“分解”動作后，便可實現(xiàn)整機的分解效果；相應增加“裝配”事件，可按照既定順序完成整機裝配；旋轉(zhuǎn)、縮放和移動功能也可相應添加。

對完成的CULT3D文件可以另存為HTML文件，通過多種瀏覽器打開觀看相應的網(wǎng)頁與視頻，增加相應的ActiveX Player插件，在瀏覽過程中可以完成相應的交互界面控制等。

在本教學平臺建設中，主要通過利用CULT3D+3D MAX +UG技術(shù)路線與方法實現(xiàn)了整機的零部件構(gòu)建、渲染與動畫處理及顯示。圖1給出了某型四缸四氣門電噴汽油機的裝配圖，圖2給出了該汽油機零部件示意圖。

圖2 某型四缸四氣門電噴發(fā)動機零部件圖

通過該型四缸四氣門電噴發(fā)動機拆裝虛擬系統(tǒng)的開發(fā)與設計，通過CULT3D+3D MAX +UG技術(shù)路線最終實現(xiàn)。結(jié)合應用該汽油機拆裝虛擬平臺，學生在拆裝實踐環(huán)節(jié)的教學效果有了較大幅度的提升，可指導學生對實際發(fā)動機進行準確的操作過程，在正式拆裝過程中因錯誤操作引起的零件損壞和丟失明顯減少。

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（本文系基金項目：“沈陽航空航天大學本科教學改革研究項目”，項目編號：02140127）

ISSN2095-6711/Z01-2016-12-0235