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无级变速器虚拟拆装实验设计研究

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摘要:对于当前理论和实验教学过程中,出现的无级变速器结构较复杂,设备台数和场地受限制、教学效果不好等问题,以某型号无级变速器为样机,基于Cult3D平台进行无级变速器虚拟拆装实验的设计。该虚拟拆装实验不仅能够解决实验教学过程中的弊端,还能用于课堂理论教学课件,使教学过程更直观形象、富有立体感,提高教学质量。

关键词:Cult3D;无级变速器;虚拟拆装实验

1概述

应用型本科院校在车辆工程专业人才培养过程中,理论教学注重详细讲解基本知识、原理及方法,实验教学注重培养学生实践动手能力,两者是同等重要的。具有起步平顺、省油、振动低、维护频率低等众多优点的无级变速器作为《汽车构造》课程的重点教学内容,其拆装实验是学生将所学理论知识运用到实践中不可缺少的重要环节,但在实际的教学过程中,发现了一些客观存在的问题。无级变速器组成零件较多,包括主油缸、副油缸、v型钢带、齿轮组等零部件,其结构和工作原理较复杂,在理论教学过程中多以文字内容讲解、平面图片展示,教师在授课过程中很难深刻讲透其结构和工作原理等,学生则难以直观理解其具体构造,对其运动方式及工作原理等掌握不清,同时由于教学手段单一,课堂缺乏生动和立体感,不少学生感觉枯燥。在无级变速器拆装实验教学环节中,受制于实验室实物设备台数和场地等条件的限制,难以做到人人动手操作,这样会出现学生学习后印象不深,实验教学效果不好等问题。同时,在实物拆装过程中容易造成部分实物零件损坏,也增大了发生安全事故的几率。为解决这些问题,帮助更好的学习无级变速器的结构、工作原理等内容,我们以现阶段技术成熟、应用范围广的某款无级变速器为样机,分析其真实实验拆装过程,使用CATIA对各零部件进行三维建模,运用3DSMax进行零部件渲染、贴图和装配等处理,基于Cult3D进行无级变速器虚拟拆装实验的设计。设计完成的虚拟拆装实验不仅可以解决实际实验条件的限制,还可以使学生们直观的感受无级变速器的运转过程,理解传动机构的变速原理,帮助学生们更好的掌握无级变速器相关知识。

2虚拟拆装及Cult3D介绍

虚拟拆装是虚拟现实技术的重要应用。用户可以依赖虚拟拆装以交互的控制方式查看和控制产品的模拟拆装过程,可以更容易的熟悉产品零部件之间的约束形式,在一定程度上,帮助用户熟悉产品的结构特性。虚拟现实技术通过生成较真实的模拟环境,使用户在虚拟环境中感受现实。通过用户与虚拟环境的互动打造出身临其境的效果,虚拟现实技术的优势在于沉浸感、交互性和实时性[1]。本文使用Cult3D作为虚拟拆装实验设计的工具,它是由瑞典Cycore公司推出的一款多平台可用的网络应用程序,其特点是可以在网页和各种文档格式中建立文件小、交互性好的3D对象。Cult3D软件主要由Cult3DDesigner工具和Cult3DViewer插件、Cult3DExporter插件组成[2]。在使用其进行交互设计前,需要在相应的软件中安装对应插件,来保证设计工作的正常进行[3]。

3虚拟拆装实验设计

虚拟拆装实验设计流程如图1所示,总体包括三维模型创建、渲染和处理,动态交互功能设计和集成发布三部分。Cult3D软件只有设计交互步骤的功能,没有建模功能,所以使用建模功能强大的CATIA软件对无级变速器 进行三维建模,得到*.stl文件,再使用3DSMax进行渲染贴图和灯光等处理操作,得到*.c3d文件。在使用Cult3D设计交互功能时,需要分析真实实验过程的拆装顺序和步骤,动态交互功能完成后,可以发布得到*.co文件。该文件可以嵌入PPT课件、网页或通过代码编程将交互3D对象显示出来。

3.1三维模型创建、渲染和处理

3.1.1三维模型的创建三维模型的创建需要先熟悉无级变速器结构,再对其进行拆解,测量各零部件尺寸,使用CATIA软件依次对各零部件进行三维建模。完成后,需要将保存的*.CATpart文件另存为*.stl格式,再导入3DSMax中进行修补、渲染等处理操作。

3.1.2三维模型的渲染和处理将得到的*.stl格式零部件导入3DSMax后,在3DSMax中要对模型进行优化渲染等处理,处理包括以下事项[4]。(1)三维模型和场景处理。导入3DSMax中的三维模型多为三角形片面,众多片面会使程序运行速度变慢,所以需要使用优化修改器来调整面阈值。另外,还需要使用材质球和贴图对三维模型进行渲染处理,使用位置调整功能对各三维模型进行装配。同时,还要对模型场景和灯光进行设置,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,一般将背景设置为浅色,模型设置为深色。(2)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移动旋转等动作的,所以要在3DSMax中将同步运动的模型分为一组,并且要根据需要调整模型坐标轴中心的位置,为后续交互设计做准备。坐标轴中心位置的调整原则为:固定部件调整到固定处,旋转部件调整到该部件实际的旋转中心,滑动部件需调整到滑动最小处[5]。(3)根据需要添加摄像机,来为拆装过程不同视角的转换做准备。(4)在3DSMax中安装Cult3Dexporterfor3DSMax插件,将处理好的三维模型以*.c3d的格式导出,此文件包含了三维模型的几何形状、位置和颜色等信息。在3DSMax中,处理好的无级变速器三维模型如图2所示。

3.2动态交互功能设计

动态交互功能设计是很重要的环节,包括真实实验拆装步骤分析和动态交互步骤设计两部分。在进行动态交互步骤设计前,要分析真实实验拆装顺序和步骤,绘制无级变速器的拆装步骤图,为动态交互设计做准备。分析结束后,需要将3.1中得到的*.c3d格式的各零部件导入Cult3DDesigner中,再进行动态交互步骤设计。交互步骤设计是按照“对象-动作-事件”的模式在事件规划图窗口中一步步设计完成的,每个事件规划图都需要先使用世界启动功能启动事件,再使用鼠标控制球功能使对象获得鼠标平移旋转和缩放的交互控制。“对象-动作-事件”模式即先从场景图表窗口选择要设计动作的零部件对象,使用鼠标拖入事件规划图窗口,再在动作窗口选择要设计的动作和触发该动作的事件,最后将三者相连,通过演示窗口检查对象、事件和动作之间相互关系的正确性。Cult3DDesigner中控制动作的事件有触发事件、复位事件、激活事件和解除激活事件,还有鼠标点击和键盘的按下释放、计时器等,可以使用这些功能来进行交互步骤设计。动作包括有平移、缩放、旋转、队列和复位等,可以用来模拟真实拆装过程中的零件运动。另外,还可以使用时间线控制对象各动作的先后顺序[6],使用工具提示来添加零部件名称等信息,使用播放声音来添加动作声音,这些都可以使虚拟拆装过程更形象更真实。

3.3集成发布

动态交互功能设计完成后,生成的方案可以保存为*.c3p文件,方便以后进行修改。方案还可以发布Internet文件,保存为*.co和对应的*.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课件,也可以使用代码制作添加到网页中,只要安装Cult3DViewer插件就可以浏览和操作模型的拆装。另外,也可以使用编程语言来设计用户界面。本文使用VB6.0来进行界面和集成程序的设计,开发了CVT虚拟拆装程序,供学生虚拟拆装实验课使用。程序的功能框架图如图3所示。CVT虚拟拆装程序主窗体如图4所示,它是Windows操作系统风格的菜单式界面,点击各菜单可以打开新窗体来实现各功能。虚拟拆装窗体使用WebBrowser控件打开和*.co文件对应生成的*.html文件,来查看和操作拆装无级变速器三维模型;视频动画是使用UUFlv控件来播放视频文件,分为平面动画和三维动画,使用3DSMax制作完成;电子资源包括浏览查看图片和使用PDFView控件浏览PDF文档,PDF电子文档窗体能自动生成二维码,学生可以使用手机扫描后浏览学习。整机拆装窗体、壳体拆装窗体和PDF电子文档浏览窗体依次如图5、图6和图7所示。

4结束语

基于Cult3D平台设计完成的虚拟拆装实验可以嵌入PPT课件在课堂理论教学中使用,使教学内容更生动形象,也可以添加制作成网页,供学生课余时间使用IE浏览器访问学习,还可以开发CVT虚拟拆装程序,供学生拆装实验课使用。将设计的虚拟拆装实验应用于理论课堂教学、课余时间自主学习和实验课教学三者结合的“混合式学习”模式,解决了实验教学设备场地的限制,减少了实验经费开支,有效的优化了教学资源,同时也增加了学生的学习兴趣,增强了学生自主学习的积极性,较好的提高了教学质量。虚拟拆装技术与“混合式学习”模式密切结合,将课本中枯燥乏味的文字叙述、二维图纸等内容通过视频动画、三维实体模型、交互拆装等手段形象地表达出来,学生们可以不受时间地点限制,随时随地获取知识,这将会是未来教育模式的发展趋势。

参考文献:

[1]滕菲,李庆华,李未.虚拟现实技术在汽车类专业实验教学中的应用[J].吉林工程技术师范学院学报,2018(34):90-93.

[2]苏威洲,童仲豪,叶翰鸿.实现网络三维互动———Cult3D应用指南[M].北京:清华大学出版社,2001:1-6.

[3]王鹏飞,业红玲,王琳.自动变速器虚拟拆装实验系统的开发[J].赤峰学院学报,2018(34):22-24.

[4]王鹏飞,李跃,业红玲,等.《汽车拆装实习》课程虚拟拆装教学系统的开发[J].科技视界,2018(26):63-65.

[5]杨志文,张争艳,楚蓓蓓.基于Unity3D的组合夹具虚拟拆装教学系统设计与实现[J].河北工业大学学报,2018(47):8-16.

[6]汪志翔,陈定方,杜海涛.基于Cult3D的齿轮减速箱虚拟拆装[J].湖北工业大学学报,2009(24):51-53.

作者:李跃 王鹏飞 王阿龙 胡鑫达 苏国运 单位:蚌埠学院

无级变速器虚拟拆装实验设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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