虚拟现实技术在高职高专汽车制造与装配专业的应用—以汽车装配为例

李光雷，柴 群

1南京工业职业技术学院实验室与资产管理处，南京 210023;2凯里学院，贵州 凯里 556011

1 汽车制造与装配专业教学现状及面临的问题

当前，随着国民经济的发展和居民收入水平的提高，汽车日益走进千家万户，相应的对汽车相关专业的技能型人才的需求也日益增加［1］。

高职院校作为培养高端技能型人才的重要基地，其培养的人才除应具有一定的理论知识外，还需要具有较强的动手能力，这样才能与高等职业院校培养生产、服务、管理一线所需的高技能人才的目标相一致。汽车制造与装配专业正是在这一背景下设立的，该专业的学生除了应该掌握机械、电子等相关专业知识外，还要掌握现代汽车基本结构及工作原理、汽车检测与维修、现代汽车检测仪器、设备的使用方法等基本技能［2］。在实际学习过程中，采用课堂上讲理论，然后到实训场地结合实物进行动手检测、诊断、维修等操作，理论与实践分开使得学生在学习过程中难以将理论与实际紧密结合;而且理论课程和实践课程的分开，不利于学生对所学知识的建构。而将理论知识放到实训场地进行讲授，或者将汽车零部件的分解、装配搬进课堂，都是不现实的。因此，找到一种更好的方法来有效地解决这一难题便成了汽车制造与装配专业教师不得不认真思考的问题。

2 虚拟现实技术应用于汽车制造与装配

虚拟现实技术是一种采用计算机技术制作模拟仿真的假想“世界”的技术。它采用计算机产生一个被模拟仿真的动态三维视觉环境，使操作者产生一种身临其境的感觉，对探讨大量需要借助形象思维的问题很有帮助［3］。通过虚拟现实技术，可以将大量的教学信息直观地表现出来，既方便又快捷，便于学生理解和掌握，还可以使抽象的概念直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。

具体到汽车制造与装配专业来说，就是将传统的理论与实践分开的两个课程环节结合起来。利用虚拟现实技术，将汽车的零配件进行建模，利用虚拟现实软件生成模型，学生可以在课堂上“动手”拆解、装配这些零配件，而且不会产生材料的损耗。教师也可以结合“实物”对各个部件的功能进行讲解，甚至一些基础性的实验，也可以通过虚拟现实实验进行，而较为贵重的需要实际操作的实践部分，可以先通过虚拟现实的零配件了解实验过程，作为实际动手前的热身。因此，虚拟现实应用于汽车制造与装配专业具有广阔的前景。

3 虚拟现实技术应用于汽车装配的实例

3.1 系统设计

该虚拟现实装配平台采用B/S架构，系统教学内容模块如图1所示。主要包括基于Web的客户端和基于模型库的服务器端。通过客户端的控制，调用不同的模型，实现汽车零部件的拆解、装配，使学生能够通过模型了解零部件的内部结构以及装配的过程。

图1 系统教学内容模块图

3.2 模型构建

该平台以汽车发电机模型为例。建模软件选用美国PTC公司的Pro/Engineer Wildfire版，首先分析发电机的结构，主要由端盖、风扇、定子、定芯、皮带轮组成。利用Pro/Engineer设置好基准及参考平面、坐标系，绘制出相应模型的草绘图，通过拉伸、扫描、镜像、旋转、阵列等操作，依次完成各个零部件的模型构建。通过利用Pro/Engineer建模好汽车发电机的各个零部件后，完成装配(如图2所示)。

图2 汽车发电机模型构建与装配拆解

该研究以汽车发电机装配为例，结合三维建模技术，在学生实际动手操作前，先在电脑上进行模型拆解，不仅可以让学生在实际动手操作前有个直观的印象，也可以让学生观察到实际拆解中难以观察到的部件结构，更可以降低在实际操作中部件的损耗，有利于让学生更好地掌握相关知识，加深记忆，提高其学习效率。

3.3 交互实现

Cult3D是一种全新的网络3D技术，也是一个跨平台的3D引擎。它能较为方便地在网页上建立具有交互功能的3D对象，并且可以使用鼠标或键盘在网页上操作用Cult3D制作的三维物体;可以旋转、缩放，还可以用鼠标捕捉事件完成更加复杂的动作，体现真实的物体属性。但是，Cult3D软件本身并没有建模功能，需使用其他的三维软件建立减速器的三维实体模型，然后导入到Cult3D软件实现虚拟现实转换。首先将在Pro/Engineer中创建好的模型(*.prt)输出为3DS MAX支持的(*.wrl)格式;在3DS MAX中导入(*.wrl)文件的同时进行进一步的材质编辑，然后导出为Cult3D支持的(*.c3d)文件。要完成这一步，必须安装Cult3D Exporter插件，该插件支持3DS MAX(*.c3d)格式的文件。制作好的模型经过3DS max转换格式后导入Cult3D的效果如图3所示。

Cult3D Designer是Cult3D的交互制作工具，通过它，可以为模型加上旋转、缩放、移动等交互性的特性。运行Cult3D，选择“File→Add Cult3D Designer File”，在弹出的打开文件对话框中，选择用3DS Max导出的C3D.c3d文件。拖动Event Map窗口中的World Start事件至右侧的空白区域。创建一个新的World Start_1事件。选择Action窗口，展开Object Motion节点，从中拖动Arcball图标到World Start_1事件上，然后松开鼠标。这样两者之间就建立了连接关系。单击预览窗口的Run按钮，就可以在演示窗口中任意拖动零件，从不同的方位观察模型了(如图4所示)。

图3 利用Cult3D导入制作好的虚拟装配

图4 利用Cult3D添加交互

Cult3D可生成.EXE可执行文件或者生成可发布Internet文件，用户可直接在自己的浏览器上打开虚拟的模型并且可以用鼠标、键盘操作这些模型。由于本例模型文件较大，故选择导出为EXE可执行文件。Cult3D可以通过VC++程序从Cult3D底层接口出来封装成一个独立的EXE文件或者通过NeoBook插件导出EXE可执行文件。该例选择利用NeoBook插件来输出一个可执行EXE文件，经测试在Win 7英文专业版平台运行良好(如图5所示)。也可以选择导出为Web格式，这时需要在浏览器安装“Cult3D Viewer for Web browsers”，安装完成后，即可以利用IE浏览器打开导出的文件，并且进行相应的操作。

3.4 虚拟现实的应用

经过南京工业职业技术学院汽车维修专业的小范围试用，取得较好的反馈效果。实验组学生在上车前对被拆解物内部结构已经有了较为详细的了解，能够较快地完成拆解和组装，并知道各个部件的作用。而对照组的学生则显得较为盲从，不知道从哪里开始拆解，对各个部件的功能结构也缺乏了解。

图5 使用Neobook插件编译的Cult3D演示场景截图

该研究利用Pro/Engineer、3DS MAX及Cult 3D软件对汽车零部件分别进行三维实体建模、交互控制设计，最后生成了逼真的模型平台。虚拟现实技术应用于教育，是这一新技术在教育行业的一次应用尝试。汽车制造与装配作为高职院校的一门特点较强的专业，其培养目标要求学生既掌握一定的理论知识，又具有较强的动手能力。将虚拟现实技术与汽车制造与装配相结合，有利于这一培养目标的实现，也有利于培养学生的信息素养，开阔学生的视野，增强课堂的互动。但在实际应用中，要注意控制好虚拟和真实相结合，虚拟作为实际上机操作的补充，现场操作作为虚拟操作的加强，只有虚实结合，才能达到更好的效果。虚拟现实技术在高职教育模式中有强大的生命力，在与传统课堂相结合的过程中，将逐步推动传统课堂模式向虚拟现实课堂模式转变。

［1］陆忠东.高职院校汽车专业教学改革的思考［J］.上海电机技术高等专科学校学报，2004，(6):137

［2］张保成，张林仙，赵冬青.汽车专业教学改革的思考［J］.华北工学院学报，2001，(4):39-41

［3］李光雷.虚拟现实技术在高中通用技术课程应用初探［J］.中国医学教育技术，2011，25(6):647-649