基于3DS MAX/Virtools的机电设备拆装仿真实训*

2010-10-18刘琳，胡强

中国教育信息化 2010年19期

关键词：机电设备按钮建模

刘琳，胡强

（安徽省繁昌县职教中心， 241200）

基于3DS MAX/Virtools的机电设备拆装仿真实训*

刘琳，胡强

（安徽省繁昌县职教中心， 241200）

仿真实训可以弥补实物实训的不足。3DS MAX和Virtools技术在职业教育中的应用可以方便地创建三维仿真实训的环境。本文以电机拆装仿真实训程序为例，系统地阐述了基于3DS MAX/Virtools技术实现机电设备拆装仿真实训的设计思路和相关技术。

Virtools；3DS Max；仿真实训；电机拆装

实训是职校学生形成职业技能的重要环节。在理想状态下，每位职校生都应该通过足够的实训设备与资源来练习技能，但是由于成本巨大、超出一般职业学校的承受力，这种理想状态很难实现，而且实物实训也有时间、场地、安全性等方面的约束，这些约束大大影响了学生实训的效果。实践证明，仿真教学和实训能有效弥补实物实训的不足，同时也可以改变传统的职业教育模式，提高教学效果。教育心理学家曾对采用仿真教学和传统教学进行比较实验，结果表明仿真教学能使学生记忆约70%的内容，而一般“教师讲、学生录”的教学，学生只能记忆30%的内容。[1]因此大力推广仿真技术在职业教育中的应用，显然有着重要的教育意义。

一、Virtools仿真技术

仿真实训不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果，[2]它应该具有沉浸性、真实性、交互性的特征。在当前多个仿真开发平台中，Virtools以其可视化操作界面、独特的编程模式成为出色的代表，在国内的用户群日益增加。

Virtools是法国工业软件巨人达索系统集团研制的Web3D开发平台，它提供了VRML所不具有的可视化场景编辑环境，极大减少了动画交互的编程工作。它与3DS MAX的强大建模功能结合起来，能够开发出具有逼真三维图像和强大交互功能的桌面虚拟系统，为参与者生成诸如视觉、听觉等各种感官信息，给参与者一种身临其境的感觉，是一种新发展的、具有新含义的人机交互系统。

从技术特点上看，Virtools本身不具备建模功能，但是它拥有各种建模工具的接口，运用诸如3DS MAX、Maya、AutoCAD等软件强大建模能力所建立的三维模型，可以方便地转换成Virtools的模型数据格式。它能对导入的模型进行强有力的脚本行为设计，实现对人机之间的视角、行为、数据以及架构交互。对于开发者而言，Virtools将复杂的程序代码封装到多个函数模块（Virtools称之为行为BB），用户只需了解各个行为BB的功能便可使用而无需了解其内部实现机理，大大降低了开发难度和减轻了开发负担，这一特性非常适合职业学校教师根据自己实际教学开发相关的教学、实训资源。同时，Virtools具有二次开发能力，对于高级用户来说，可以自己进行代码设计来生成具有特定功能的行为BB，以满足更多的需求。另外，Virtools提供与数据库的接口与服务器功能，是开发分布式仿真系统的理想选择，它能将产品发布成Web格式，能够与Moodle等网络课程系统进行整合，便于学生通过网络进行实训学习。

二、基于Virtools的机电设备拆装仿真实训的设计流程与关键技术

机电设备的拆装是中等职业学校机电专业学生必学的专业技能，这种技能的形成要以学生对设备构造以及拆装步骤、技术要点的熟悉为基础。但对于中职学生来说，复杂的设备构造图往往让他们迷惑，而且机电设备不足以及时间场地的限制，无法让他们进行充分的实物学习和训练。实践和理论都能证明，如果学生能够先借助于计算机了解机电设备的三维结构，并进行虚拟的拆装训练，显然对提高后继实物环境下的实训效率和效果是有利的。

计算机实现机电设备仿真实训应该避免设备结构的符号化，尽量提供给学生与真实设备相似的视觉信息与强有力的交互环境，使得学生在计算机仿真情景下模拟实际的机电设备的拆装过程。用Virtools实现机电设备拆装仿真实训的步骤如图1所示。

图1 机电设备拆装仿真实训的设计流程

1.实训目标分析

实训目标分析既是整个设计的起点，也是最终目标。它决定着仿真模型的结构以及交互行为的具体操作，对全部设计的工作起着导向的作用。

2.仿真建模

仿真建模是利用三维建模软件建立机电设备的模型，包括设备各个部件以及操作工具的建模工作。以3DS MAX为例，这个步骤包括利用多边形建模、材质编辑以及模型格式转换三个阶段。在这三个阶段中，多边形建模是通过模型点、边、面的处理，形成模型的立体形态，而材质编辑是通过物体表面纹理、颜色、粗糙度、反光度等特性的设置，产生模型表面的质感，最后再把MAX中生成的模型信息转换为Virtools能识别的数据格式，从而能被导入到其中进行交互行为的设计。

3.交互行为设计

交互行为设计是根据实训目标的分析结果，建立实训具体行为步骤与计算机模拟操作之间的对应关系，包括如何实现计算机中工具模型的拾取、操作对象的界定、操做行为的选择，实现场景视角变换，让模型产生位移、旋转、显示、隐藏、接受参数等行为。

4.程序设计

对导入Virtools的各个模型进行程序设计，以实现先期所设计的交互行为。在Virtools中，程序的基本单位是行为模块BB，这些行为模块提供了程序流程的出入接口，以及输入输出参数，用户只需设定正确的参数并将各BB按正确的顺序连接起来，便可实现各种交互操作。在机电拆装仿真实训程序中主要用到以下五种BB：（1）基本动画BB，用于模型与摄像机的各种动画实现；（2）消息BB，用于鼠标、键盘灯操作信息的接收与传递，从而触发基本动画；（3）界面BB，用于控制模型与界面各要素的显示方式与隐藏；（4）逻辑 BB，用于程序中的条件判断与阵列数据的暂存提取；（5）运算BB，用于程序中各种参数的运算以及格式转换。

5.调试与仿真实训

开发者需要对Virtools机电仿真拆装程序进行调试，通过各组行为的测试验证运行结果是否与实际一致并作程序修改，最终再用于职校生的仿真拆装实训。

三、一个实例——电机拆装仿真实训的实现

电机结构与拆装是中职机电专业学生必须掌握的一项技能。教学实践中，电机拆装仿真实训让学生有反复练习的机会，能够弥补电机资源的不足并突破时间场地的限制，从而提高了学生实际技能学习的效率。电机拆装仿真实训的设计思路是：在计算机上提供一个三维的电动机模型、相关工具和操作界面，学生用鼠标选择相关工具和操作模拟电机拆装。只有在选择的顺序和工具完全正确的情况下电机仿真拆装才能完成，如果有错误将无法继续操作并给出反馈。图2为电机拆卸程序的界面。

图2 电机拆卸仿真实训程序界面

1.模型准备

在3DS MAX里将仿真实训程序所需要的模型、工具制作好，其中电机各部分独立建模，做好材质并进行贴图烘焙后导出为Virtools所需的文件格式，放到资源库里管理。

2.虚拟场景创建和交互界面设计

Virtools从资源库中导入虚拟仪器，组成虚拟的实训场景。利用Virtools的2D Frame制作交互接口，用于接受学生鼠标单击以确定拆卸步骤顺序。

3.交互程序设计

（1）交互界面控制

各种操作模拟需要通过单击程序中相应按钮来触发。因为机电拆装步骤较多，将各步骤相应的按钮都放在界面上显然不现实。借助于Virtools消息传递机制，程序窗口中只显示“选择”操作按钮，单击它才会将各种操作按钮显示出来以让学生选择。选择按钮的程序脚本如图3所示。

图3 选择按钮的程序脚本

（2）阵列设计与步骤判断

本例设计了一个阵列，每步操作在阵列中都有一个逻辑判断值。当单击某个操作按钮时，此操作按钮的脚本程序首先从阵列中提取自己的值进行判断，当值为真时意味步骤正确，可以触发模型动画，之后将下一个步骤在阵列中逻辑判断之置真，而如果判断的逻辑值为假，则意味着操作步骤错误，同时发送一个消息，使得错误反馈信息显示出来。上述过程如图4所示程序脚本实现。

图4 逻辑值判断脚本

（3）工具选择和模型动作模拟

单击工具模型表示选择了此工具，同时发送一个消息给相应步骤按钮的程序脚本，触发由一系列旋转、位移、曲线控制等BB控制与实现相关电机模型的拆卸动画。例如拆卸皮带轮的程序脚本如图5所示。

图5 模型动画脚本

借助于以上Virtools行为模块构成的程序脚本，可以实现操作步骤按钮、错误反馈等信息的显示与隐藏，有效地管理了界面空间，同时利用阵列工具和逻辑判断来控制操作顺序的正确性并用动画模拟电机各部件的拆卸过程。最后将其发布为Web格式，学生在浏览器端便可进行电机拆卸的仿真实训。由于电机装配过程的程序脚本设计与本例类似，不再赘述。