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摘要：對于當(dāng)前理論和實驗教學(xué)過程中，出現(xiàn)的無級變速器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備臺數(shù)和場地受限制、教學(xué)效果不好等問題，以某型號無級變速器為樣機(jī)，基于Cult3D平臺進(jìn)行無級變速器虛擬拆裝實驗的設(shè)計。該虛擬拆裝實驗不僅能夠解決實驗教學(xué)過程中的弊端，還能用于課堂理論教學(xué)課件，使教學(xué)過程更直觀形象、富有立體感，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Cult3D；無級變速器；虛擬拆裝實驗

1概述

應(yīng)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(xué)注重詳細(xì)講解基本知識、原理及方法，實驗教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)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(hù)頻率低等眾多優(yōu)點的無級變速器作為《汽車構(gòu)造》課程的重點教學(xué)內(nèi)容，其拆裝實驗是學(xué)生將所學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)和工作原理較復(fù)雜，在理論教學(xué)過程中多以文字內(nèi)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(jié)構(gòu)和工作原理等，學(xué)生則難以直觀理解其具體構(gòu)造，對其運動方式及工作原理等掌握不清，同時由于教學(xué)手段單一，課堂缺乏生動和立體感，不少學(xué)生感覺枯燥。在無級變速器拆裝實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，受制于實驗室實物設(shè)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(xué)生學(xué)習(xí)后印象不深，實驗教學(xué)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(xué)習(xí)無級變速器的結(jié)構(gòu)、工作原理等內(nèi)容，我們以現(xiàn)階段技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣的某款無級變速器為樣機(jī)，分析其真實實驗拆裝過程，使用CATIA對各零部件進(jìn)行三維建模，運用3DSMax進(jìn)行零部件渲染、貼圖和裝配等處理，基于Cult3D進(jìn)行無級變速器虛擬拆裝實驗的設(shè)計。設(shè)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(xué)生們直觀的感受無級變速器的運轉(zhuǎn)過程，理解傳動機(jī)構(gòu)的變速原理，幫助學(xué)生們更好的掌握無級變速器相關(guān)知識。

2虛擬拆裝及Cult3D介紹

虛擬拆裝是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要應(yīng)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(chǎn)品的模擬拆裝過程，可以更容易的熟悉產(chǎn)品零部件之間的約束形式，在一定程度上，幫助用戶熟悉產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)的優(yōu)勢在于沉浸感、交互性和實時性[1]。本文使用Cult3D作為虛擬拆裝實驗設(shè)計的工具，它是由瑞典Cycore公司推出的一款多平臺可用的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，其特點是可以在網(wǎng)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Cult3DDesigner工具和Cult3DViewer插件、Cult3DExporter插件組成[2]。在使用其進(jìn)行交互設(shè)計前，需要在相應(yīng)的軟件中安裝對應(yīng)插件，來保證設(shè)計工作的正常進(jìn)行[3]。

3虛擬拆裝實驗設(shè)計

虛擬拆裝實驗設(shè)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(shè)計和集成三部分。Cult3D軟件只有設(shè)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(jìn)行三維建模，得到*.stl文件，再使用3DSMax進(jìn)行渲染貼圖和燈光等處理操作，得到*.c3d文件。在使用Cult3D設(shè)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，可以得到*.co文件。該文件可以嵌入PPT課件、網(wǎng)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(jié)構(gòu)，再對其進(jìn)行拆解，測量各零部件尺寸，使用CATIA軟件依次對各零部件進(jìn)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(dǎo)入3DSMax中進(jìn)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(dǎo)入3DSMax后，在3DSMax中要對模型進(jìn)行優(yōu)化渲染等處理，處理包括以下事項[4]。（1）三維模型和場景處理。導(dǎo)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(diào)整面閾值。另外，還需要使用材質(zhì)球和貼圖對三維模型進(jìn)行渲染處理，使用位置調(diào)整功能對各三維模型進(jìn)行裝配。同時，還要對模型場景和燈光進(jìn)行設(shè)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，一般將背景設(shè)置為淺色，模型設(shè)置為深色。（2）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移動旋轉(zhuǎn)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(diào)整模型坐標(biāo)軸中心的位置，為后續(xù)交互設(shè)計做準(zhǔn)備。坐標(biāo)軸中心位置的調(diào)整原則為：固定部件調(diào)整到固定處，旋轉(zhuǎn)部件調(diào)整到該部件實際的旋轉(zhuǎn)中心，滑動部件需調(diào)整到滑動最小處[5]。（3）根據(jù)需要添加攝像機(jī)，來為拆裝過程不同視角的轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。（4）在3DSMax中安裝Cult3Dexporterfor3DSMax插件，將處理好的三維模型以*.c3d的格式導(dǎo)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(shè)計

動態(tài)交互功能設(shè)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(shè)計兩部分。在進(jìn)行動態(tài)交互步驟設(shè)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(shè)計做準(zhǔn)備。分析結(jié)束后，需要將3.1中得到的*.c3d格式的各零部件導(dǎo)入Cult3DDesigner中，再進(jìn)行動態(tài)交互步驟設(shè)計。交互步驟設(shè)計是按照“對象-動作-事件”的模式在事件規(guī)劃圖窗口中一步步設(shè)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(biāo)控制球功能使對象獲得鼠標(biāo)平移旋轉(zhuǎn)和縮放的交互控制。“對象-動作-事件”模式即先從場景圖表窗口選擇要設(shè)計動作的零部件對象，使用鼠標(biāo)拖入事件規(guī)劃圖窗口，再在動作窗口選擇要設(shè)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(guān)系的正確性。Cult3DDesigner中控制動作的事件有觸發(fā)事件、復(fù)位事件、激活事件和解除激活事件，還有鼠標(biāo)點擊和鍵盤的按下釋放、計時器等，可以使用這些功能來進(jìn)行交互步驟設(shè)計。動作包括有平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、隊列和復(fù)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[6]，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

動態(tài)交互功能設(shè)計完成后，生成的方案可以保存為*.c3p文件，方便以后進(jìn)行修改。方案還可以Internet文件，保存為*.co和對應(yīng)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(wǎng)頁中，只要安裝Cult3DViewer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(shè)計用戶界面。本文使用VB6.0來進(jìn)行界面和集成程序的設(shè)計，開發(fā)了CVT虛擬拆裝程序，供學(xué)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(fēng)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(yīng)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(xué)生可以使用手機(jī)掃描后瀏覽學(xué)習(xí)。整機(jī)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(jié)束語

基于Cult3D平臺設(shè)計完成的虛擬拆裝實驗可以嵌入PPT課件在課堂理論教學(xué)中使用，使教學(xué)內(nèi)容更生動形象，也可以添加制作成網(wǎng)頁，供學(xué)生課余時間使用IE瀏覽器訪問學(xué)習(xí)，還可以開發(fā)CVT虛擬拆裝程序，供學(xué)生拆裝實驗課使用。將設(shè)計的虛擬拆裝實驗應(yīng)用于理論課堂教學(xué)、課余時間自主學(xué)習(xí)和實驗課教學(xué)三者結(jié)合的“混合式學(xué)習(xí)”模式，解決了實驗教學(xué)設(shè)備場地的限制，減少了實驗經(jīng)費開支，有效的優(yōu)化了教學(xué)資源，同時也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，較好的提高了教學(xué)質(zhì)量。虛擬拆裝技術(shù)與“混合式學(xué)習(xí)”模式密切結(jié)合，將課本中枯燥乏味的文字?jǐn)⑹觥⒍S圖紙等內(nèi)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(dá)出來，學(xué)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。

參考文獻(xiàn)：

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[2]蘇威洲，童仲豪，葉翰鴻.實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維互動———Cult3D應(yīng)用指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001：1-6.

[3]王鵬飛，業(yè)紅玲，王琳.自動變速器虛擬拆裝實驗系統(tǒng)的開發(fā)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報，2018（34）：22-24.

[4]王鵬飛，李躍，業(yè)紅玲，等.《汽車拆裝實習(xí)》課程虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)[J].科技視界，2018（26）：63-65.

[5]楊志文，張爭艷，楚蓓蓓.基于Unity3D的組合夾具虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018（47）：8-16.

[6]汪志翔，陳定方，杜海濤.基于Cult3D的齒輪減速箱虛擬拆裝[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（24）：51-53.

作者：李躍 王鵬飛 王阿龍 胡鑫達(dá) 蘇國運 單位：蚌埠學(xué)院