基于Cult3D的無級變速器虛擬拆裝實驗設計

李躍 王鵬飛 王阿龍 胡鑫達 蘇國運

摘要：對于當前理論和實驗教學過程中，出現(xiàn)的無級變速器結構較復雜，設備臺數(shù)和場地受限制、教學效果不好等問題，以某型號無級變速器為樣機，基于Cult3D平臺進行無級變速器虛擬拆裝實驗的設計。該虛擬拆裝實驗不僅能夠解決實驗教學過程中的弊端，還能用于課堂理論教學課件，使教學過程更直觀形象、富有立體感，提高教學質量。

關鍵詞：Cult3D;無級變速器;虛擬拆裝實驗

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0031-03

1概述

應用型本科院校在車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，理論教學注重詳細講解基本知識、原理及方法，實驗教學注重培養(yǎng)學生實踐動手能力，兩者是同等重要的。具有起步平順、省油、振動低、維護頻率低等眾多優(yōu)點的無級變速器作為《汽車構造》課程的重點教學內容，其拆裝實驗是學生將所學理論知識運用到實踐中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，但在實際的教學過程中，發(fā)現(xiàn)了一些客觀存在的問題。

無級變速器組成零件較多，包括主油缸、副油缸、v型鋼帶、齒輪組等零部件，其結構和工作原理較復雜，在理論教學過程中多以文字內容講解、平面圖片展示，教師在授課過程中很難深刻講透其結構和工作原理等，學生則難以直觀理解其具體構造，對其運動方式及工作原理等掌握不清，同時由于教學手段單一，課堂缺乏生動和立體感，不少學生感覺枯燥。

在無級變速器拆裝實驗教學環(huán)節(jié)中，受制于實驗室實物設備臺數(shù)和場地等條件的限制，難以做到人人動手操作，這樣會出現(xiàn)學生學習后印象不深，實驗教學效果不好等問題。同時，在實物拆裝過程中容易造成部分實物零件損壞，也增大了發(fā)生安全事故的幾率。

為解決這些問題，幫助更好的學習無級變速器的結構、工作原理等內容，我們以現(xiàn)階段技術成熟、應用范圍廣的某款無級變速器為樣機，分析其真實實驗拆裝過程，使用CATIA對各零部件進行三維建模，運用3DSMax進行零部件渲染、貼圖和裝配等處理，基于Cult3D進行無級變速器虛擬拆裝實驗的設計。設計完成的虛擬拆裝實驗不僅可以解決實際實驗條件的限制，還可以使學生們直觀的感受無級變速器的運轉過程，理解傳動機構的變速原理，幫助學生們更好的掌握無級變速器相關知識。

2虛擬拆裝及Cult3D介紹

虛擬拆裝是虛擬現(xiàn)實技術的重要應用。用戶可以依賴虛擬拆裝以交互的控制方式查看和控制產品的模擬拆裝過程，可以更容易的熟悉產品零部件之間的約束形式，在一定程度上，幫助用戶熟悉產品的結構特性。虛擬現(xiàn)實技術通過生成較真實的模擬環(huán)境，使用戶在虛擬環(huán)境中感受現(xiàn)實。通過用戶與虛擬環(huán)境的互動打造出身臨其境的效果，虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢在于沉浸感、交互性和實時性。

本文使用Cult3D作為虛擬拆裝實驗設計的工具，它是由瑞典Cyeore公司推出的一款多平臺可用的網絡應用程序，其特點是可以在網頁和各種文檔格式中建立文件小、交互性好的3D對象。Cult3D軟件主要由Cult3D Designer工具和Cult3D Viewer插件、Cult3D Exporter插件組成。在使用其進行交互設計前，需要在相應的軟件中安裝對應插件，來保證設計工作的正常進行。

3虛擬拆裝實驗設計

虛擬拆裝實驗設計流程如圖1所示，總體包括三維模型創(chuàng)建、渲染和處理，動態(tài)交互功能設計和集成發(fā)布三部分。

Cult3D軟件只有設計交互步驟的功能，沒有建模功能，所以使用建模功能強大的CATIA軟件對無級變速器進行三維建模，得到*.stl文件，再使用3DSMax進行渲染貼圖和燈光等處理操作，得到*.c3d文件。在使用Cult3D設計交互功能時，需要分析真實實驗過程的拆裝順序和步驟，動態(tài)交互功能完成后，可以發(fā)布得到*c0文件。該文件可以嵌入PPT課件、網頁或通過代碼編程將交互3D對象顯示出來。

3.1三維模型創(chuàng)建、渲染和處理

3.1.1三維模型的創(chuàng)建

三維模型的創(chuàng)建需要先熟悉無級變速器結構，再對其進行拆解，測量各零部件尺寸，使用CATIA軟件依次對各零部件進行三維建模。完成后，需要將保存的*.CATpart文件另存為*stl格式，再導入3DSMax中進行修補、渲染等處理操作。

3.1.2三維模型的渲染和處理

將得到的*stl格式零部件導入3DSMax后，在3DSMax中要對模型進行優(yōu)化渲染等處理，處理包括以下事項。

（1）三維模型和場景處理。導入3DSMax中的三維模型多為三角形片面，眾多片面會使程序運行速度變慢，所以需要使用優(yōu)化修改器來調整面閾值。另外，還需要使用材質球和貼圖對三維模型進行渲染處理，使用位置調整功能對各三維模型進行裝配。同時，還要對模型場景和燈光進行設置，來提高模型的視覺效果，場景和模型顏色設置要有一定的對比度，一般將背景設置為淺色，模型設置為深色。

（2）模型分組和坐標軸的設置。在Cult3D中，三維模型是根據(jù)其中心軸位置來完成移動旋轉等動作的，所以要在3DSMax中將同步運動的模型分為一組，并且要根據(jù)需要調整模型坐標軸中心的位置，為后續(xù)交互設計做準備。坐標軸中心位置的調整原則為：固定部件調整到固定處，旋轉部件調整到該部件實際的旋轉中心，滑動部件需調整到滑動最小處。

（3）根據(jù)需要添加攝像機，來為拆裝過程不同視角的轉換做準備。

（4）在3DSMax中安裝Cult3D exporter for 3DSMax插件，將處理好的三維模型以*.c3d的格式導出，此文件包含了三維模型的幾何形狀、位置和顏色等信息。在3DSMax中，處理好的無級變速器三維模型如圖2所示。

3.2動態(tài)交互功能設計

動態(tài)交互功能設計是很重要的環(huán)節(jié)，包括真實實驗拆裝步驟分析和動態(tài)交互步驟設計兩部分。在進行動態(tài)交互步驟設計前，要分析真實實驗拆裝順序和步驟，繪制無級變速器的拆裝步驟圖，為動態(tài)交互設計做準備。分析結束后，需要將3.1中得到的*.c3d格式的各零部件導入Cult3D Designer中，再進行動態(tài)交互步驟設計。

交互步驟設計是按照“對象一動作一事件”的模式在事件規(guī)劃圖窗口中一步步設計完成的，每個事件規(guī)劃圖都需要先使用世界啟動功能啟動事件，再使用鼠標控制球功能使對象獲得鼠標平移旋轉和縮放的交互控制?！皩ο笠粍幼饕皇录蹦Ｊ郊聪葟膱鼍皥D表窗口選擇要設計動作的零部件對象，使用鼠標拖入事件規(guī)劃圖窗口，再在動作窗口選擇要設計的動作和觸發(fā)該動作的事件，最后將三者相連，通過演示窗口檢查對象、事件和動作之間相互關系的正確性。

Cult3D Designer中控制動作的事件有觸發(fā)事件、復位事件、激活事件和解除激活事件，還有鼠標點擊和鍵盤的按下釋放、計時器等，可以使用這些功能來進行交互步驟設計。動作包括有平移、縮放、旋轉、隊列和復位等，可以用來模擬真實拆裝過程中的零件運動。另外，還可以使用時間線控制對象各動作的先后順序，使用工具提示來添加零部件名稱等信息，使用播放聲音來添加動作聲音，這些都可以使虛擬拆裝過程更形象更真實。

3.3集成發(fā)布

動態(tài)交互功能設計完成后，生成的方案可以保存為*.e3p文件，方便以后進行修改。方案還可以發(fā)布Internet文件，保存為*.co和對應的*.html文件。生成的*.co格式文件非常小，而且不可更改，可以使用控件很好的嵌入到PPT課件，也可以使用代碼制作添加到網頁中，只要安裝Cuh3D Viewer插件就可以瀏覽和操作模型的拆裝。

另外，也可以使用編程語言來設計用戶界面。本文使用VB 6.0來進行界面和集成程序的設計，開發(fā)了CVT虛擬拆裝程序，供學生虛擬拆裝實驗課使用。程序的功能框架圖如圖3所示。

CVT虛擬拆裝程序主窗體如圖4所示，它是Windows操作系統(tǒng)風格的菜單式界面，點擊各菜單可以打開新窗體來實現(xiàn)各功能。虛擬拆裝窗體使用WebBrowser控件打開和*co文件對應生成的*html文件，來查看和操作拆裝無級變速器三維模型;視頻動畫是使用UUFlv控件來播放視頻文件，分為平面動畫和三維動畫，使用3DSMax制作完成;電子資源包括瀏覽查看圖片和使用PDFView控件瀏覽PDF文檔，PDF電子文檔窗體能自動生成二維碼，學生可以使用手機掃描后瀏覽學習。整機拆裝窗體、殼體拆裝窗體和PDF電子文檔瀏覽窗體依次如圖5、圖6和圖7所示。

4結束語

基于Cu]t3D平臺設計完成的虛擬拆裝實驗可以嵌入PFF課件在課堂理論教學中使用，使教學內容更生動形象，也可以添加制作成網頁，供學生課余時間使用IE瀏覽器訪問學習，還可以開發(fā)CVT虛擬拆裝程序，供學生拆裝實驗課使用。將設計的虛擬拆裝實驗應用于理論課堂教學、課余時間自主學習和實驗課教學三者結合的“混合式學習”模式，解決了實驗教學設備場地的限制，減少了實驗經費開支，有效的優(yōu)化了教學資源，同時也增加了學生的學習興趣，增強了學生自主學習的積極性，較好的提高了教學質量。

虛擬拆裝技術與“混合式學習”模式密切結合，將課本中枯燥乏味的文字敘述、二維圖紙等內容通過視頻動畫、三維實體模型、交互拆裝等手段形象地表達出來，學生們可以不受時間地點限制，隨時隨地獲取知識，這將會是未來教育模式的發(fā)展趨勢。