基于UG的拆装虚拟教学平台的搭建与应用

沈阳航空航天大学航空航天工程学院 马洪安 陈 雷 刘 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐让书

基于UG的拆装虚拟教学平台的搭建与应用

沈阳航空航天大学航空航天工程学院 马洪安 陈 雷 刘 宇寇志海 曾 文 牛 玲 徐让书

针对内燃机拆装实践教学效果不理想的情况，本文应用虚拟现实技术搭建内燃机拆装虚拟平台。通过实际实践教学应用，加深学生对内燃机构造与设计及部件运行原理等知识点的掌握与理解，明显提高内燃机拆装实践的教学效果。

UG 虚拟现实 教学平台

近年来，随着网络、多媒体和信息交换等相关计算机技术的迅速发展，借助于网络技术的教学已成为各国教育与教学重要的手段与工具。网络教学具有不受时间、不受地点约束的高校的特点，因此备受重视。虚拟现实技术是在计算机建模、图像处理、传感控制、数值仿真及网络等技术的基础上开发而成的一种先进仿真模拟系统。在计算机上构建的虚拟场景内，学习者可以用手或者工具触摸、用眼睛完成直接观察等交互式动作，结合运动机构的声效，使人感受“虚拟的实际现场”。

当前，虚拟现实技术已被广泛应用于科学试验、电脑游戏、驾驶培训等多个领域。结合虚拟现实技术，教师在专业课程教学中可以充分利用直观清晰的图像、图形、三维结构和声音等复杂多样的表现形式，引起学生视觉、触觉和听觉等感官的同步感受，达到良好的教学效果。

软件虚拟现实技术应用于教学主要有两种途径与方式，均是在虚拟现实平台软件VRP上进行的。

第一种是采用平台结合VRML、Java3D、3DML和Virtools等软件，这类软件支持虚拟现实技术的开发，采用这种技术路线完成虚拟平台建设的较多。该技术路线支持三维建模与纹理映射，可实现运动控制和虚拟操作的实时交互功能，能开发出灵活度高、交互性强的虚拟仿真系统，但因渲染效果差、信息传输率低及编程复杂等缺点，限制了此方式的进一步应用与推广。

第二种是采用平台结合METASTREAM、VIEWPOINT、CULT3D等相关软件加以实现。虚拟拆装系统中建模部分和控制部分分离，建模主要采用专业的3DMAX、Pro/E、UG和MAYA等三维软件设计完成。专业三维软件以渲染效果高、传输速率快、编程简便等天然优势，便可获得虚拟景象，以利用CULT3D、UG（Pro/E）与3DMAX等已成为虚拟现实技术设计与开发的一套成熟方案，并被广泛利用。CULT3D 软件是可在网络中进行3D产品发布的专业软件，对电脑硬件要求低、易于上手和操作简便。CULT3D其可实现数据压缩的高质量性和流式传送特性，模型库文件较小。因此，CULT3D被广泛应用于3D产品发布、虚拟现实系统开发等多个方面。

一、背景

学生学习与了解内燃机工作原理、内燃机的构造与设计、内燃机电控系统等专业知识与基础上，作为能源与动力工程本科专业的专业实践类课程，发动机拆装实践具有极为重要的意义，是学生内燃机理论学习与实际相结合最重要的一环。当前我校可供拆装实践教学的内燃机为三菱4G63/4G64汽油机等共计10台，结构较为复杂，为使学生更为熟悉与对比内燃机结构的变化，另增加结构稍简单的两台492型汽油机，相对应的，能源与动力工程专业（内燃机方向）每年两个班形，约62人，每台（组）发动机四至五名学生。另外，随着科技的迅速发展，多种新型内燃机不断涌现，即使笔者所在院校的三菱4G63/4G64发动机，也是2007年前后的产品，而且该型发动机在结构上也有了一定程度的改进与更新，与当今时代的产品与技术依旧有一定差距。

专业拆装实践教学中出现的问题主要有：

1.发动机本身结构与功能相对陈旧，限制了学生了解更新的专利与技术。

2.实践指导不够及时。由于实践教学时学生数较多，指导教师完全详细讲解较为困难与不便。

3.同组内学生实践学习有好有坏。同组的同学部分参与、部分旁观的情况，旁观相对于动手的学生了解。

4.部分部件拆卸不彻底。受限于实践教学空间与工具，发动机某些部件整体结构拆卸不完全与不彻底，如活塞连杆机构和缸盖等。

5.某些零件的细微结构单纯依赖观察难于理解与掌握。

针对上述实践教学中的问题与困难，每年更新发动机有现实的困难，很多厂商限于技术和专利的保护，以及教学设备资金不足与较长的周期；其他困难与问题则可以通过搭建拆装虚拟平台加以实现与解决。

（1）拆装虚拟平台可以随时随地的开展，不受时间、学生数、场地及工具的限制。

（2）平台可以使学生产生沉浸感，提升学生的主动性，增加学习效果；通过键盘与鼠标等交互界面让学生深入其中，探寻科技带来的奥秘。

（3）减少实践环节中的零件破损与丢失；在拆装虚拟发动机过程中，将减少学生辅助性任务，借以减少对发动机各个零部件的破损。

（4）拆装虚拟平台的针对性；针对较为复杂的内燃机部件和结构，学生可以反复观察、学习与探究。

二、拆装虚拟平台建设

虚拟现实技术结合软件、硬件的优势而形成的新型技术。根据需要可选择三维扫描仪、立体眼镜、数据手套、头戴式显示仪、音频生成与合成装备、力反馈设备等多种硬件。但硬件结合的拆装虚拟平台因投入巨大、难度极高等特点，在当前的学校教学设备投入条件下难以实现。面对教学的主要方式和方法是，采用键盘、鼠标操作方式的软件人机交互界面，完成拆装虚拟平台的建设。

参考相关技术手段与研究成果，本拆装虚拟平台建设采用UG+3DMAx+CLUT3D路线实现。该平台主要用于辅助我校能源与动力工程专业学生拆装实践课程教学。通过鼠标和键盘操作可以缩放、转动零部件，调整观测视角完整认识与了解发动机内部结构特点、零件装配连接与位置关系，给出部件与整机拆卸和装配等过程。

零件通过参数化建模方法，利用UGNX进行设计与实现，可以得到准确尺寸的零件三维模型。CULT3D与UG软件的模型不可以直接对接，因此，需要零件的三维模型通过3D STUDIO MAX进行文件数据格式转换。

测绘得到所有零件的尺寸，通过UG构建各个零件的三维模型，并导出为STL的格式文件，利用3D STUDIO MAX软件将STL零件文件进行渲染处理，增加光效、材质与动画等处理，以增加零件模型的真实性，并通过形成的文件进行输出为c3d类型的文件，该类文件能够由CULT3D导入与处理。

在CULT3D中输入各个零件的c3d文件，将其转换成矢量格式文件，从而在进行图形放大与缩小时均表现出良好的真实效果动画或模型，通过添加相应的交互事件，完成与实现响应的分解与装配等功能。针对原始模型与动画，加入“分解”动作后，便可实现整机的分解效果；相应增加“装配”事件，可按照既定顺序完成整机装配；旋转、缩放和移动功能也可相应添加。

对完成的CULT3D文件可以另存为HTML文件，通过多种浏览器打开观看相应的网页与视频，增加相应的ActiveX Player插件，在浏览过程中可以完成相应的交互界面控制等。

在本教学平台建设中，主要通过利用CULT3D+3D MAX +UG技术路线与方法实现了整机的零部件构建、渲染与动画处理及显示。图1给出了某型四缸四气门电喷汽油机的装配图，图2给出了该汽油机零部件示意图。

图2 某型四缸四气门电喷发动机零部件图

通过该型四缸四气门电喷发动机拆装虚拟系统的开发与设计，通过CULT3D+3D MAX +UG技术路线最终实现。结合应用该汽油机拆装虚拟平台，学生在拆装实践环节的教学效果有了较大幅度的提升，可指导学生对实际发动机进行准确的操作过程，在正式拆装过程中因错误操作引起的零件损坏和丢失明显减少。

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（本文系基金项目：“沈阳航空航天大学本科教学改革研究项目”，项目编号：02140127）

ISSN2095-6711/Z01-2016-12-0235