三維實體虛擬仿真環境下壓縮機拆裝課件開發

劉孝剛

（渤海船舶職業學院，遼寧葫蘆島 125000）

0 前言

現今多媒體課件已經成為教學過程的重要元素，在提高教學質量和效率方面發揮著積極作用。然而，要開發出高質量的課件，不但需要精心的設計和科學的規劃，還需要項目管理人員、教學內容專家、教學設計專家、多媒體制作人員和美工等多方面的通力合作。因此，深入理解多媒體課件的內涵，掌握多媒體課件開發的基本工作程序和方法是保證課件質量的前提。三維實體虛擬仿真環境下的壓縮機拆裝是將理論知識貫穿在職業技能訓練過程中，讓學生在做中學，實現“教、學、做”合一，學生可以在三維實體仿真的環境下親自動手操作，真正模擬實際工作環境。三維仿真壓縮機實體可以由一個學生拆，拆完后由另一個學生組裝，學生之間共同合作完成拆裝，教學任務變成了工作任務，使學生在壓縮機拆裝的同時完成了工作任務，更好地了解了壓縮機內部結構。

運用壓縮機三維實體仿真課件的作用體現在以下幾個方面：第一，運用壓縮機仿真課件講解壓縮機內容可以有效提高教師的教學效果，避免了傳統教學中使用掛圖帶來的弊端，可以使學生迅速掌握壓縮機的內部結構、壓縮機拆卸及裝配，為壓縮機的故障排除打下良好基礎。第二，使用仿真課件可以大大提高學生學習的積極性，學生往往對教學掛圖沒有興趣，特別是機械結構掛圖，剖面線錯綜復雜，造成學生識圖困難，而三維實體仿真課件可以提高學生對壓縮機實體結構的認識。第三，運用仿真課件可以為學生的實景教學打下基礎，通過三維實體仿真課件的學習，使學生對壓縮機的總體結構有了全新的認識。同時，提高了教師運用多媒體技術講授專業知識的能力，為教師開展科研工作奠定了良好的基礎。

1 課件開發過程

應用計算機輔助設計手段，以三維設計軟件為平臺，進行活塞式壓縮機的虛擬仿真。在三維設計軟件環境下，實現壓縮機零部件的可視化三維造型設計、壓縮機零部件的造型設計、壓縮機零部件的動態可視化裝配過程。

本課件以制冷實驗室一臺KS100活塞式制冷壓縮機為實體原型，應用三維軟件進行壓縮機的實體建模。首先對壓縮機機體、壓縮機活塞組件（氣環與油環、活塞銷）、壓縮機曲軸組件、壓縮機連桿組件（連桿大小頭、連桿螺栓、連桿大頭軸瓦）、壓縮機軸封組件（軸封彈簧端蓋、動靜密封環）、壓縮機飛輪和壓縮機端蓋進行實體三維構建，然后對各個組件進行裝配，形成一臺完整的壓縮機，進行課堂演示，讓學生快速掌握壓縮機內部零件結構和拆裝順序。系統開發流程如圖1所示。

圖1 系統開發流程圖

1.1 數據獲取

查閱KS100活塞式壓縮機的技術圖紙和實體模型，收集數據進行匯總。

1.2 數據處理

由于二維圖紙是標準圖紙，應將其轉化成具備三維建模的技術圖紙。三維造型軟件都可以通過創建的三維模型自動生成各種視圖，包括基本視圖、輔助視圖、剖視圖、斷面圖等各種三維投影圖，如圖2所示。以Solidworks軟件為例，此軟件具有很好的視圖自動生成功能，且視圖能隨著造型立體的變化而更新變化，其投影方法也能在第一角投影和第三角投影之間進行選擇。

圖2 壓縮機部分組件三維圖

1.3 對壓縮機零部件進行三維建模，形成各自的三維模型

在機械CAD領域，二維工程圖包含了產品生產全過程所需的必要信息，如形狀、材料、檢驗規范等。為了充分利用已有的二維工程圖資源，提高三維建模的速度，必須進行二、三維聯合建模。以參數化特征造型為基礎的Solidworks軟件，充分利用了AutoCAD二維繪圖的豐富資源，與二維圖形的數據結構兼容，可以實現dwg文件的輸入輸出。而且在Solidworks軟件中，還提供了AutoCAD軟件的模擬器，使得AutoCAD用戶可以在保持原有設計習慣的基礎上，順利地從二維設計轉向三維實體設計。壓縮機組件三維模型如圖3所示。

圖3 壓縮機組件三維模型

1.4 系統集成

完成二維圖形到三維圖形的轉換后，需要進一步對壓縮機的三維模型進行系統集成。將各個組件根據圖紙的要求進行裝配，形成一個完整的壓縮機三維裝配模型。將裝配后的三維圖形進行渲染，運用三維軟件進行系統集成，形成壓縮機三維實體模型。

1.5 效果顯示

壓縮機實現動態仿真和可視化拆裝過程，學生可移動鼠標進行壓縮機拆裝。壓縮機效果圖如圖4所示。

圖4 壓縮機效果圖

2 虛擬課件開發的關鍵技術

2.1 運用三維實體軟件進行課件開發

多媒體課件本質上是一種計算機應用軟件，軟件工程中通常以流程圖的形式來描述軟件產品的設計與制作過程。從總體上看，壓縮機虛擬仿真課件開發包括軟件設計、軟件制作、課件設計和課件制作4個階段，前兩個階段已經在三維設計軟件平臺上完成，后兩個階段需要運用多媒體技術完成。三維實體軟件應根據高職院校學生的特點進行多媒體課件開發。壓縮機課件開發流程如圖5所示。

圖5 壓縮機課件開發流程

2.2 采用網頁和Flash形式將壓縮機三維軟件深度融合

三維機械類繪圖軟件Solidworks是一款基于特征的參數化三維繪圖軟件，其功能強大，使用簡單，但在制作三維機械類動畫課件方面存在不足，如其自帶的簡單動畫功能比較單調、安裝拆卸方面有明顯缺陷等。與此相反，Flash軟件雖然在繪制三維機械圖方面存在不足，但其在動畫制作方面有著得天獨厚的優勢，因此在課件開發中，可以將兩款軟件有機結合，發揮各自優勢，制作出栩栩如生的三維機械類動畫多媒體課件。利用Flash制作的課件應具有雙向的信息傳遞功能，不僅可以向用戶演示相關信息，同時也允許用戶將使用過程中出現的問題進行反饋，使課件具有交互功能。Solidworks軟件所繪制的三維實體建模文件巨大，不方便打開，同時也不便于網絡的傳播，而Flash軟件所特有的“流媒體”播放方式可以將三維Solidworks文件變成SWF文件，克服低版本軟件不支持高版本軟件的缺陷，提高文件的兼容性。另外，即使某些處理器沒有安裝Flash軟件，也可以通過安裝Flash插件或者利用Flash軟件的發布功能，將Flash動畫發布成Html格式，無需插件即可播放Flash動畫。

2.3 人機交互方式的設計

人機交互是指人與計算機之間使用某種對話手段，以一定交互方式，為完成確定任務而進行的人機之間信息交換的過程。目前，常用的人機交互方式有按鈕、菜單、熱字、熱區、條件判斷、文本輸入、移動物體進目標區域、限定時間、限定次數和按鍵等。常用的交互輸入手段有鍵盤、鼠標、光筆、跟蹤球、操縱桿、圖形輸入板、聲音輸入設備等。

在完成壓縮機機體三維實體構建后，進行壓縮機三維動態實體虛擬拆卸與裝配，形成壓縮機可執行的仿真拆裝文件，有效實現人機交互。學生可以通過計算機模擬壓縮機真實的拆裝環境，在動態可視的過程下將一臺壓縮機進行完整的拆裝。拆裝課件通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現人與計算機的對話。通過人機交互，可以輕松實現三維實體虛擬仿真環境下壓縮機拆裝課件演示，如圖6所示。

圖6 壓縮機拆裝課件的演示界面

3 結束語

三維實體虛擬仿真環境下壓縮機拆裝課件解決了教學中的難題。如果讓每個學生都到實驗室進行拆裝，一是實驗室沒有足夠的設備供學生拆裝；二是拆裝每臺設備的時間較長，如果學生輪流拆裝會影響正常的教學進程；三是多次拆裝會影響壓縮機的配合間隙，影響壓縮機設備的正常使用。利用三維實體虛擬仿真環境下壓縮機拆裝課件，可以將壓縮機的內部結構、零部件和裝配順序表述清晰，提高了教學效果和學生學習的積極性。所以，此課件的開發對高職院校學生的實景訓練和虛擬仿真產生積極的影響，同時對研究和開發三維仿真課件的新方法和新手段有著重大的現實意義。

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