發動機拆裝實驗教學綜合平臺的研制

王志瓊，劉津彤，苗 淼，劉廣武，楊 楠

(吉林大學 機械與航空航天工程學院, 長春 130022)

0 引 言

隨著社會的高速發展，在工業和生活上，對汽車的需求越來越多，對發動機的要求也越來越高。同時，發動機其內容知識點集成度高、層次分明，符合綜合實驗教學需求[1-2]。中心結合機械工程專業本科生培養方案，開設了獨立設課的綜合性實驗課程，并將發動機實驗教學項目列入其中[3-4]。通過該實驗能夠使學生學習掌握發動機的工作原理，通過測繪、拆裝和測量了解典型零部件的基本結構及重要組成，以培養學生獨立思考問題和解決問題的能力，訓練學生的綜合設計能力，為后續課程及今后從事實際工作奠定良好的基礎。

隨著課程的開設逐漸暴露出復雜機構組成結構、整機拆裝過程講解難，零部件空間擺位不好形容，學生僅聽教師理論講解感覺枯燥、知識攝入量較差，同時實驗效果受限于發動機數量、磨損量，學時不足等難題[5-7]。本文將虛擬仿真實驗、虛擬現實實驗與現場實驗相融合，打造“虛實結合”[8-10]“梯級遞進”[11-13]的發動機拆裝實驗教學綜合平臺，發揮各自優勢，從而改善傳統實驗教學效果，提高實驗教學質量。

1 實驗教學綜合平臺的建設方案

以摩托車發動機總成為對象和載體，依據理論和實驗課程內容，通過網絡虛擬仿真實驗教學平臺、虛擬現實實驗教學平臺、現場實驗教學平臺，建立一系列發動機實驗教學內容，實現網絡虛擬仿真、三維立體環境虛擬操作、現場實驗學習相結合的實驗環境，做到虛實結合，相互補充。

發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺能夠實現學生自主選擇拆裝工具、設計拆裝順序進行發動機整機和典型結構拆裝，了解典型零部件的基本結構及重要組成。發動機拆裝虛擬現實實驗教學平臺利用三維立體環境使學生切身融入到虛擬現實環境中，運用交互系統進行典型零部件的虛擬拆裝，設置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過三維立體環境增強學生的三維立體感及操作感。最后學生到實驗室學習發動機，選擇典型機構進行現場拆裝實驗，提升學生機械零件綜合認知和部件拆裝的綜合能力，平臺建設方案和方案設計流程分別如圖1、表1所示。

圖1 發動機拆裝實驗教學綜合平臺建設方案

通過發動機拆裝實驗教學綜合平臺讓學生了解發動機的結構特點，掌握發動機零部件的精度要求、工藝要求和裝配要求，使學生把機械設計、機械原理、機械制造技術基礎等課程所學的知識通過發動機的拆裝，學會理論知識在實踐中的綜合應用。

表1 虛實結合實驗教學方案設計流程

2 實驗教學綜合平臺的研制

2.1 建立發動機三維模型庫

根據摩托車發動機的二維工程圖，利用三維建模軟件(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application，CATIA)進行100多個零件的三維建模，然后組裝成10多個基本結構，最終建立摩托車發動機的三維整機模型，為發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺和虛擬現實實驗教學平臺提供設計開發基本素材。

2.2 開發發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺

發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺以unity3d軟件為基礎[14-15]，通過程序編輯以文字、聲音、動畫、交互操作等形式實現實驗教學內容的展示與操作。平臺共由實驗預習、虛擬拆卸、虛擬裝配和實驗測試4個模塊組成，如圖2所示。

圖2 發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺

實驗預習模塊主要是了解發動機原理及結構，主要有工作原理、基本結構、爆炸圖、零件庫4方面內容。工作原理以動畫形式展示發動機內部工作過程；基本結構詳細介紹了發動機各主要結構的功能及作用；爆炸圖按照零件位置關系進行典型結構的爆炸，實現零部件位置關系標注；零件庫包含所有的零部件，可以登錄賬號下載各個零部件的CATIA三維模型，進行自由設計關鍵部件及發動機。實驗預習模塊使學生了解發動機每一個零部件的名稱，仔細觀察和分析各個結構的組成，對結構逐一分析其作用。

虛擬拆卸模塊和虛擬裝配模塊在了解各個零件在該結構中的位置基礎上，根據拆裝說明進行發動機及其典型零部件拆裝操作，設定拆裝零件順序、路徑和拆裝工具，操作正確給予分值，如果操作錯誤給予提示則無分值。最后將所有操作完成后計算學生虛擬拆裝總分值。

實驗測試模塊以選擇題的方式設計制作考試題庫。學生實驗完成后隨機抽取定量試題進行測試，最后設定一定的比例將測試成績和操作成績加權綜合作為學生的網絡虛擬仿真實驗成績。

2.3 設計摩托車發動機拆裝虛擬現實實驗教學平臺

機械虛擬仿真實驗教學中心應用虛擬現實、人工智能等技術，構建了集教育、培訓、研發于一體的機械虛擬現實實驗教學平臺。平臺具備三維環境設置、虛擬拆裝、任意剖切、虛擬測量和運動仿真5個功能，實現對機械產品設計方案的虛擬展示、拆裝訓練、剖切顯示、在線測量和動作模擬。

結合摩托車發動機的實踐教學需求，設計制作發動機拆裝虛擬現實實驗教學平臺，如圖3所示。首先建立摩托車發動機及典型零部件的三維立體環境，學生可以通過立體眼鏡和操作手柄對發動機和零部件進行360°立體展示學習，同時可以通過距離移動進入發動機內部，觀察發動機內部零部件結構及裝配關系，使學生感受到沉浸感。然后設置零部件的拆裝順序及拆裝路徑，通過手柄進行發動機及其零部件虛擬拆卸、虛擬裝配，保證實時交互；同時進行典型零部件任意方向剖切，零部件關鍵尺寸測量，運動仿真，讓學生置身“虛擬現實”的環境中進行發動機結構設計方案評審、機械拆裝模擬訓練，加深學生對理論知識的理解，掌握先進的學科前沿技術，提高實踐與創新能力。

圖3 發動機拆裝虛擬現實實驗教學平臺

2.4 建立發動機拆裝現場實驗教學平臺

建立摩托車發動機拆裝現場實驗教學平臺，如圖4所示，主要包含摩托車發動機零部件展示實驗平臺，發動機基本結構拆裝平臺和發動機整機拆裝平臺。學生在虛擬實驗做完后，到實驗室學習摩托發動機，進行現場拆裝實驗。

圖4 發動機拆裝現場實驗教學平臺

零部件展示實驗平臺根據功能將整機分成基本結構分類展示，如曲軸活塞、減速器、曲軸箱等。再將基本結構進行零部件展示，并在每個零部件上貼上標簽，每個結構墻上均貼有相應二維和三維裝配圖。基本結構拆裝平臺為學生提供摩托車發動機的基本結構，并配有相應的拆裝工具和檢測工具，學生選擇典型結構進行現場拆裝實驗。發動機整機拆裝平臺要求學生通過工具將發動機拆卸到基本結構與組裝。學生根據虛擬平臺所學習的知識，在實物拆裝平臺上運用拆裝工具進行發動機及其典型結構的拆裝，加強學生對機械零件連續的、系統的綜合認知，強化學生工程實踐能力。

3 實驗教學綜合平臺的特色

通過與摩托車發動機企業的校企合作，依據摩托車發動機企業投放市場的暢銷摩托車發動機為技術基礎，選擇國際主流大型工程軟件數據格式，制作四沖程摩托車發動機總成的產品級大數據整機數模。

建成了網絡虛擬仿真、虛擬現實與現場實驗相結合的實驗教學綜合平臺。虛擬仿真實驗教學平臺為同學們遠程學習、課前預習和課后復習提供了良好的資源；虛擬現實實驗教學平臺在擁有良好沉浸感的“虛擬現實空間”對模型拆解和裝配，突破了典型復雜機械主機部件難于進行拆解和裝配復原的限制；現場實驗教學平臺提供了真實實驗操作。綜合平臺通過虛實結合，突破了實驗教學時間和空間的限制，集成網絡、虛擬現實與現場實驗為一體，具有學習的選擇多樣性和共享性。

發動機實驗教學綜合平臺解決了同學們由易到難、由基礎到專業、由零件到部件的發動機的階梯性、系統化學習，保證知識的連貫性，為后續機械產品設計和制造工藝設計奠定基礎。

4 結 語

基于摩托車發動機拆裝實驗教學綜合平臺，開發了實驗項目“摩托車發動機虛擬拆裝實驗”，已列入實驗教學大綱，每年為本科生約350人開設實驗課程，教學效果良好。同時該項目作為國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心的一個項目，已發布吉林大學國家級機械虛擬仿真實驗教學中心的網絡平臺上，網址為：http://vmech.jlu.edu.cn。依托吉林大學校園網絡，面向吉林大學所有校區師生，全天開放，實現了優質教學資源的校內共享。摩托車發動機拆裝虛擬仿真實驗教學平臺能夠接受吉林大學以外的互聯網訪問，現階段對有合作關系的院校的廣大師生采取注冊制開放，擴大了本成果共享應用范圍。