《汽车拆装实习》课程虚拟拆装教学系统的开发

王鹏飞　李跃　业红玲　王琳

【摘 要】针对《汽车拆装实习》课程传统教学过程中存在的弊端，综合使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等软件开发了一个具有三维动态性、真实性和交互性强等优点的虚拟拆装教学系统。该虚拟拆装教学系统模拟了汽车拆装实习中主要的拆装项目，学生可以通过网页随时进行访问，使用鼠标键盘进行虚拟拆装操作，不受设备数量和场地等因素的限制，弥补了传统实习的缺点，在实际应用中收到了较好的效果。

【关键词】Cult 3D；虚拟拆装教学系统；实习教学

中图分类号： TP391 文献标识码： A 文章编号： 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

《汽車拆装实习》课程是应用型本科高校车辆工程、汽车服务工程等专业重要的实习课程，是学习完成《汽车构造》课程后，对汽车主要零部件结构进一步熟悉的重要实践教学环节。目前，国内许多高校的《汽车拆装实习》课程都是采用口头讲授与实物动手拆装操作相结合的教学方法，但因汽车主要总成结构复杂，同时又受制于实物设备台数和场地等条件的限制，会出现学生学习后印象不深，实习教学效果不好等弊端。

为消除这些弊端，许多高校都根据自身的教学需求建立了虚拟拆装教学系统，比如减速器虚拟拆装[1]、起重机械的虚拟仿真[2]、虚拟土工实验[3]等，但有关汽车拆装方面的虚拟拆装实习教学系统开发的较少。因此，本文在研究Cult3D相关资料[4-6]的基础上，根据本校《汽车拆装实习》课程主要拆装实习项目内容，使用CATIA、3DSMax、Cult3D和Dreamweaver等软件开发了一个具有三维动态性、真实性和交互性强等优点的虚拟拆装教学系统，作为学生课前预习、课后复习的补充学习手段，在实际应用中收到了较好的效果。

1 虚拟拆装教学系统的结构和开发流程

1.1 虚拟拆装教学系统的结构

虚拟拆装教学系统采用B/S架构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），这种架构是互联网络兴起后的一种网络结构模式。这种模式将客户端进行了统一，网络浏览器是客户端主要的应用软件，而将系统功能实现的核心部分集中在服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。用户只需要通过互联网使用IE浏览器就可以随时访问，操作鼠标键盘来进行虚拟拆装操作。

虚拟拆装教学系统的功能结构如图1所示。根据本校《汽车拆装实习》实践课程中的拆装项目，汽车部件虚拟拆装主要分为发动机虚拟拆装、手动变速器虚拟拆装和自动变速器虚拟拆装三类，再往下根据部件总成结构分为不同的虚拟拆装项目。

虚拟拆装教学系统拆装项目的设计充分以学生为主体，以方便学生学习为目标，内容主要依据《汽车拆装实习》实践课程中拆装项目的安排，采用模块化项目的设计方法。这种设计方法条理清晰，为系统以后的扩展和管理提供了极大的便利。

1.2 虚拟拆装教学系统的开发流程

虚拟拆装教学系统的开发流程如图2所示，总体可分为三维模型的创建及处理、动态交互的设计与实现、文件发布与系统集成这几个步骤。

由于Cult3D软件只有设计交互步骤的功能，没有建模功能，所以需要使用建模功能强大的CATIA软件进行三维建模，再使用3DSMax进行三维模型处理、灯光和摄像机设定等操作。而在Cult3D设计交互步骤完成后，可以发布得到*.co文件，然后在Dreamweaver 环境中编辑网页，并使用控件和代码将*.co文件嵌入网页中。用户就可以通过随时访问网页来完成虚拟拆装的操作。

2 虚拟拆装教学系统的开发

2.1 三维模型的创建与处理

三维模型的创建及处理主要包括利用CATIA软件进行三维建模和使用3DSMax进行模型处理两部分，制作好的无级变速器三维模型如图3所示。在这个过程中，需要注意的问题主要有以下几点。

（1）建模精度和模型格式。在使用CATIA进行三维建模时，要提高精度，尽量减少曲面数量，保证曲面的光滑度；由于3DSMax不能识别CATIA直接保存的文件格式，所以需要将建好的三维模型另存为*.stl格式。

（2）模型和场景处理。3DSMax输入*.stl格式的零部件后，要对三维模型进行材质、灯光的设置，对模型场景进行布置，来提高模型的视觉效果，场景和模型颜色设置要有一定的对比度，一般都将背景設置为白色。

（3）模型分组和坐标轴的设置。在Cult3D中，三维模型是根据其中心轴位置来完成所有拆装动作，所以根据拆装的需要，要在3DSMax中将同步运动的模型设为一组，并且要调整模型坐标轴中心的位置，为后续交互设计步骤做准备。

（4）在3DSMax中要安装Cult3D exporter for 3DSMax插件，才能将设置好的三维模型以*.c3d的格式导出，此文件包含三维模型的几何形状和材质颜色等信息。

2.2 动态交互的设计与实现

Cult3D Designer软件可以识别从安装有插件的3DSMax中生成的*.c3d文件。动态交互的设计与实现就是在Cult3D Designer软件中，通过将对象和动作事件拖放到EventMap 窗口，设置相应属性，关联对象与动作和事件来完成的。这项工作主要分为真实拆装过程分析和交互步骤的设计与实现两部分，交互步骤的设计与实现是在真实拆装过程分析的基础上完成的。

2.2.1 真实拆装过程分析

进行真实拆装过程分析的时候，不仅要分析拆装项目的结构组成，还要分析每个（组）零部件的的拆装先后顺序和动作过程。

分析拆装项目的结构组成要分析包含哪些零部件以及哪些零部件可以做为一组，一般将同一类且拆装顺序和动作相同的零部件做为一组。分析每个（组）零部件的拆装先后顺序和动作过程是根据真实的拆装过程来记录的，动作过程主要是指零部件的拆装运动动作，有平移、旋转等。比如，发动机气门组是安装在发动机气缸盖上的，主要由挺柱、气门弹簧座、气门锁夹、气门弹簧和气门组成，而两个相同的气门锁夹拆装顺序和动作相同，就可以做为一组零部件，都使用向上平移的运动动作。

2.2.2 交互步骤的设计与实现

交互步骤的设计与实现是在Cult3D中，使用其相关工具，配合设计事件规划图来完成的。Cult3D中设计交互步骤用到的主要工具有“鼠标和控制球”、“工具提示”和“时间线”等。

（1）动态查看控制

通过“鼠标和控制球”功能，与模型产生关联，可以方便的实现虚拟拆装过程的360°浏览查看，默认使用鼠标左键旋转模型，使用中键平移模型，使用右键缩放模型。

（2）零部件名称提示

通过“工具提示”功能，可以将零部件名称与零部件三维模型相关联，当鼠标移动到三维模型上时，会显示出该三维模型的名称，方便认识和学习各零部件。

（3）拆装过程的逻辑控制

拆装过程需要有先后顺序，所以我们在设计交互步骤时要进行逻辑控制。在同一拆装步骤中，使用“时间线”来控制零部件的先后运动顺序；在不同的拆装步骤中，通过鼠标左键单击“激活事件”来实现下一拆装步骤的开启，通过“解除事件”来实现本拆装步骤的终止。

（4）拆装过程的模拟

为了使虚拟拆装过程更接近真实的拆装过程，拆装过程的运动动作利用“对象平移”、“对象旋转”等动作模拟实际拆装过程中零部件的移动。我们可以将拆装工具也进行三维建模和设计交互步骤，并且使用两组零部件，一组用于模拟拆装，另外一组用于模拟显示拆解下的零部件模型，通过使用渲染动作里的“隐藏对象”、“显示对象”等功能，来更真实地模拟拆装过程。

2.3 文件发布与集成

交互步骤设计好后，将以*.co文件的形式发布。在使用Dreamweaver设计网页时，插入如下代码，就可以把*.co文件集成进去。只要安装Cult3D Viewer for Web browsers控件就可以通过IE浏览器打开网页，浏览查看和进行虚拟拆装操作。

SRC="XXXX.co"

ANTIALIASING="0"

WIDTH=800

HEIGHT=600

PBCOLOR="FFFFFF"

BORDER="0"

VIEWFINISHED="0"

DISABLEPB="0"

ANTIALIASINGDELAY="250"