《汽車拆裝實(shí)習(xí)》課程虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

王鵬飛　李躍　業(yè)紅玲　王琳

【摘 要】針對《汽車拆裝實(shí)習(xí)》課程傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的弊端，綜合使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等軟件開發(fā)了一個(gè)具有三維動(dòng)態(tài)性、真實(shí)性和交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)。該虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)模擬了汽車拆裝實(shí)習(xí)中主要的拆裝項(xiàng)目，學(xué)生可以通過網(wǎng)頁隨時(shí)進(jìn)行訪問，使用鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行虛擬拆裝操作，不受設(shè)備數(shù)量和場地等因素的限制，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)習(xí)的缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】Cult 3D；虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)；實(shí)習(xí)教學(xué)

中圖分類號： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0063-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.026

Development of Virtual Disassembly and Assembly Teaching System for Automobile Disassembly Practice Course

WANG Peng-fei LI Yue YE Hong-ling WANG Lin

（School of Mechanical and Vehicular Engineering， Bengbu University， Bengbu Anhui 233000，China）

【Abstract】In view of the drawbacks in the traditional teaching process of automobile disassembly practice，by using CATIA，3DSMax，Cult3D and Dreamweaver software，a virtual disassembly teaching system with 3D dynamic，authenticity and interactivity is developed.The virtual disassembly teaching system simulates the project practice in automobile assembly.Students can access through the website，use the mouse and keyboard for virtual assembly operation.It is not limited by the number of equipment and factors such as the site，makes up for the shortcomings of traditional practice. It has received good results in practical application.

【Key words】Cult 3D；Virtual Disassembly Teaching System；Practice Teaching

0 引言

《汽車拆裝實(shí)習(xí)》課程是應(yīng)用型本科高校車輛工程、汽車服務(wù)工程等專業(yè)重要的實(shí)習(xí)課程，是學(xué)習(xí)完成《汽車構(gòu)造》課程后，對汽車主要零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步熟悉的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)許多高校的《汽車拆裝實(shí)習(xí)》課程都是采用口頭講授與實(shí)物動(dòng)手拆裝操作相結(jié)合的教學(xué)方法，但因汽車主要總成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)又受制于實(shí)物設(shè)備臺數(shù)和場地等條件的限制，會(huì)出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)后印象不深，實(shí)習(xí)教學(xué)效果不好等弊端。

為消除這些弊端，許多高校都根據(jù)自身的教學(xué)需求建立了虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)，比如減速器虛擬拆裝[1]、起重機(jī)械的虛擬仿真[2]、虛擬土工實(shí)驗(yàn)[3]等，但有關(guān)汽車拆裝方面的虛擬拆裝實(shí)習(xí)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的較少。因此，本文在研究Cult3D相關(guān)資料[4-6]的基礎(chǔ)上，根據(jù)本?！镀嚥鹧b實(shí)習(xí)》課程主要拆裝實(shí)習(xí)項(xiàng)目內(nèi)容，使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等軟件開發(fā)了一個(gè)具有三維動(dòng)態(tài)性、真實(shí)性和交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)，作為學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的補(bǔ)充學(xué)習(xí)手段，在實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果。

1 虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和開發(fā)流程

1.1 虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式），這種架構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式。這種模式將客戶端進(jìn)行了統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器是客戶端主要的應(yīng)用軟件，而將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中在服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。用戶只需要通過互聯(lián)網(wǎng)使用IE瀏覽器就可以隨時(shí)訪問，操作鼠標(biāo)鍵盤來進(jìn)行虛擬拆裝操作。

虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)本?！镀嚥鹧b實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程中的拆裝項(xiàng)目，汽車部件虛擬拆裝主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬拆裝、手動(dòng)變速器虛擬拆裝和自動(dòng)變速器虛擬拆裝三類，再往下根據(jù)部件總成結(jié)構(gòu)分為不同的虛擬拆裝項(xiàng)目。

虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)拆裝項(xiàng)目的設(shè)計(jì)充分以學(xué)生為主體，以方便學(xué)生學(xué)習(xí)為目標(biāo)，內(nèi)容主要依據(jù)《汽車拆裝實(shí)習(xí)》實(shí)踐課程中拆裝項(xiàng)目的安排，采用模塊化項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法條理清晰，為系統(tǒng)以后的擴(kuò)展和管理提供了極大的便利。

1.2 虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程

虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示，總體可分為三維模型的創(chuàng)建及處理、動(dòng)態(tài)交互的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、文件發(fā)布與系統(tǒng)集成這幾個(gè)步驟。

由于Cult3D軟件只有設(shè)計(jì)交互步驟的功能，沒有建模功能，所以需要使用建模功能強(qiáng)大的CATIA軟件進(jìn)行三維建模，再使用3DSMax進(jìn)行三維模型處理、燈光和攝像機(jī)設(shè)定等操作。而在Cult3D設(shè)計(jì)交互步驟完成后，可以發(fā)布得到*.co文件，然后在Dreamweaver 環(huán)境中編輯網(wǎng)頁，并使用控件和代碼將*.co文件嵌入網(wǎng)頁中。用戶就可以通過隨時(shí)訪問網(wǎng)頁來完成虛擬拆裝的操作。

2 虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 三維模型的創(chuàng)建與處理

三維模型的創(chuàng)建及處理主要包括利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模和使用3DSMax進(jìn)行模型處理兩部分，制作好的無級變速器三維模型如圖3所示。在這個(gè)過程中，需要注意的問題主要有以下幾點(diǎn)。

（1）建模精度和模型格式。在使用CATIA進(jìn)行三維建模時(shí)，要提高精度，盡量減少曲面數(shù)量，保證曲面的光滑度；由于3DSMax不能識別CATIA直接保存的文件格式，所以需要將建好的三維模型另存為*.stl格式。

（2）模型和場景處理。3DSMax輸入*.stl格式的零部件后，要對三維模型進(jìn)行材質(zhì)、燈光的設(shè)置，對模型場景進(jìn)行布置，來提高模型的視覺效果，場景和模型顏色設(shè)置要有一定的對比度，一般都將背景設(shè)置為白色。

（3）模型分組和坐標(biāo)軸的設(shè)置。在Cult3D中，三維模型是根據(jù)其中心軸位置來完成所有拆裝動(dòng)作，所以根據(jù)拆裝的需要，要在3DSMax中將同步運(yùn)動(dòng)的模型設(shè)為一組，并且要調(diào)整模型坐標(biāo)軸中心的位置，為后續(xù)交互設(shè)計(jì)步驟做準(zhǔn)備。

（4）在3DSMax中要安裝Cult3D exporter for 3DSMax插件，才能將設(shè)置好的三維模型以*.c3d的格式導(dǎo)出，此文件包含三維模型的幾何形狀和材質(zhì)顏色等信息。

2.2 動(dòng)態(tài)交互的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Cult3D Designer軟件可以識別從安裝有插件的3DSMax中生成的*.c3d文件。動(dòng)態(tài)交互的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就是在Cult3D Designer軟件中，通過將對象和動(dòng)作事件拖放到EventMap 窗口，設(shè)置相應(yīng)屬性，關(guān)聯(lián)對象與動(dòng)作和事件來完成的。這項(xiàng)工作主要分為真實(shí)拆裝過程分析和交互步驟的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)兩部分，交互步驟的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是在真實(shí)拆裝過程分析的基礎(chǔ)上完成的。

2.2.1 真實(shí)拆裝過程分析

進(jìn)行真實(shí)拆裝過程分析的時(shí)候，不僅要分析拆裝項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)組成，還要分析每個(gè)（組）零部件的的拆裝先后順序和動(dòng)作過程。

分析拆裝項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)組成要分析包含哪些零部件以及哪些零部件可以做為一組，一般將同一類且拆裝順序和動(dòng)作相同的零部件做為一組。分析每個(gè)（組）零部件的拆裝先后順序和動(dòng)作過程是根據(jù)真實(shí)的拆裝過程來記錄的，動(dòng)作過程主要是指零部件的拆裝運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，有平移、旋轉(zhuǎn)等。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門組是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上的，主要由挺柱、氣門彈簧座、氣門鎖夾、氣門彈簧和氣門組成，而兩個(gè)相同的氣門鎖夾拆裝順序和動(dòng)作相同，就可以做為一組零部件，都使用向上平移的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。

2.2.2 交互步驟的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

交互步驟的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是在Cult3D中，使用其相關(guān)工具，配合設(shè)計(jì)事件規(guī)劃圖來完成的。Cult3D中設(shè)計(jì)交互步驟用到的主要工具有“鼠標(biāo)和控制球”、“工具提示”和“時(shí)間線”等。

（1）動(dòng)態(tài)查看控制

通過“鼠標(biāo)和控制球”功能，與模型產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，可以方便的實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝過程的360°瀏覽查看，默認(rèn)使用鼠標(biāo)左鍵旋轉(zhuǎn)模型，使用中鍵平移模型，使用右鍵縮放模型。

（2）零部件名稱提示

通過“工具提示”功能，可以將零部件名稱與零部件三維模型相關(guān)聯(lián)，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到三維模型上時(shí)，會(huì)顯示出該三維模型的名稱，方便認(rèn)識和學(xué)習(xí)各零部件。

（3）拆裝過程的邏輯控制

拆裝過程需要有先后順序，所以我們在設(shè)計(jì)交互步驟時(shí)要進(jìn)行邏輯控制。在同一拆裝步驟中，使用“時(shí)間線”來控制零部件的先后運(yùn)動(dòng)順序；在不同的拆裝步驟中，通過鼠標(biāo)左鍵單擊“激活事件”來實(shí)現(xiàn)下一拆裝步驟的開啟，通過“解除事件”來實(shí)現(xiàn)本拆裝步驟的終止。

（4）拆裝過程的模擬

為了使虛擬拆裝過程更接近真實(shí)的拆裝過程，拆裝過程的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作利用“對象平移”、“對象旋轉(zhuǎn)”等動(dòng)作模擬實(shí)際拆裝過程中零部件的移動(dòng)。我們可以將拆裝工具也進(jìn)行三維建模和設(shè)計(jì)交互步驟，并且使用兩組零部件，一組用于模擬拆裝，另外一組用于模擬顯示拆解下的零部件模型，通過使用渲染動(dòng)作里的“隱藏對象”、“顯示對象”等功能，來更真實(shí)地模擬拆裝過程。

2.3 文件發(fā)布與集成

交互步驟設(shè)計(jì)好后，將以*.co文件的形式發(fā)布。在使用Dreamweaver設(shè)計(jì)網(wǎng)頁時(shí)，插入如下代碼，就可以把*.co文件集成進(jìn)去。只要安裝Cult3D Viewer for Web browsers控件就可以通過IE瀏覽器打開網(wǎng)頁，瀏覽查看和進(jìn)行虛擬拆裝操作。

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