三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件开发

刘孝刚

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125000）

0 前言

现今多媒体课件已经成为教学过程的重要元素，在提高教学质量和效率方面发挥着积极作用。然而，要开发出高质量的课件，不但需要精心的设计和科学的规划，还需要项目管理人员、教学内容专家、教学设计专家、多媒体制作人员和美工等多方面的通力合作。因此，深入理解多媒体课件的内涵，掌握多媒体课件开发的基本工作程序和方法是保证课件质量的前提。三维实体虚拟仿真环境下的压缩机拆装是将理论知识贯穿在职业技能训练过程中，让学生在做中学，实现“教、学、做”合一，学生可以在三维实体仿真的环境下亲自动手操作，真正模拟实际工作环境。三维仿真压缩机实体可以由一个学生拆，拆完后由另一个学生组装，学生之间共同合作完成拆装，教学任务变成了工作任务，使学生在压缩机拆装的同时完成了工作任务，更好地了解了压缩机内部结构。

运用压缩机三维实体仿真课件的作用体现在以下几个方面：第一，运用压缩机仿真课件讲解压缩机内容可以有效提高教师的教学效果，避免了传统教学中使用挂图带来的弊端，可以使学生迅速掌握压缩机的内部结构、压缩机拆卸及装配，为压缩机的故障排除打下良好基础。第二，使用仿真课件可以大大提高学生学习的积极性，学生往往对教学挂图没有兴趣，特别是机械结构挂图，剖面线错综复杂，造成学生识图困难，而三维实体仿真课件可以提高学生对压缩机实体结构的认识。第三，运用仿真课件可以为学生的实景教学打下基础，通过三维实体仿真课件的学习，使学生对压缩机的总体结构有了全新的认识。同时，提高了教师运用多媒体技术讲授专业知识的能力，为教师开展科研工作奠定了良好的基础。

1 课件开发过程

应用计算机辅助设计手段，以三维设计软件为平台，进行活塞式压缩机的虚拟仿真。在三维设计软件环境下，实现压缩机零部件的可视化三维造型设计、压缩机零部件的造型设计、压缩机零部件的动态可视化装配过程。

本课件以制冷实验室一台KS100活塞式制冷压缩机为实体原型，应用三维软件进行压缩机的实体建模。首先对压缩机机体、压缩机活塞组件（气环与油环、活塞销）、压缩机曲轴组件、压缩机连杆组件（连杆大小头、连杆螺栓、连杆大头轴瓦）、压缩机轴封组件（轴封弹簧端盖、动静密封环）、压缩机飞轮和压缩机端盖进行实体三维构建，然后对各个组件进行装配，形成一台完整的压缩机，进行课堂演示，让学生快速掌握压缩机内部零件结构和拆装顺序。系统开发流程如图1所示。

图1 系统开发流程图

1.1 数据获取

查阅KS100活塞式压缩机的技术图纸和实体模型，收集数据进行汇总。

1.2 数据处理

由于二维图纸是标准图纸，应将其转化成具备三维建模的技术图纸。三维造型软件都可以通过创建的三维模型自动生成各种视图，包括基本视图、辅助视图、剖视图、断面图等各种三维投影图，如图2所示。以Solidworks软件为例，此软件具有很好的视图自动生成功能，且视图能随着造型立体的变化而更新变化，其投影方法也能在第一角投影和第三角投影之间进行选择。

图2 压缩机部分组件三维图

1.3 对压缩机零部件进行三维建模，形成各自的三维模型

在机械CAD领域，二维工程图包含了产品生产全过程所需的必要信息，如形状、材料、检验规范等。为了充分利用已有的二维工程图资源，提高三维建模的速度，必须进行二、三维联合建模。以参数化特征造型为基础的Solidworks软件，充分利用了AutoCAD二维绘图的丰富资源，与二维图形的数据结构兼容，可以实现dwg文件的输入输出。而且在Solidworks软件中，还提供了AutoCAD软件的模拟器，使得AutoCAD用户可以在保持原有设计习惯的基础上，顺利地从二维设计转向三维实体设计。压缩机组件三维模型如图3所示。

图3 压缩机组件三维模型

1.4 系统集成

完成二维图形到三维图形的转换后，需要进一步对压缩机的三维模型进行系统集成。将各个组件根据图纸的要求进行装配，形成一个完整的压缩机三维装配模型。将装配后的三维图形进行渲染，运用三维软件进行系统集成，形成压缩机三维实体模型。

1.5 效果显示

压缩机实现动态仿真和可视化拆装过程，学生可移动鼠标进行压缩机拆装。压缩机效果图如图4所示。

图4 压缩机效果图

2 虚拟课件开发的关键技术

2.1 运用三维实体软件进行课件开发

多媒体课件本质上是一种计算机应用软件，软件工程中通常以流程图的形式来描述软件产品的设计与制作过程。从总体上看，压缩机虚拟仿真课件开发包括软件设计、软件制作、课件设计和课件制作4个阶段，前两个阶段已经在三维设计软件平台上完成，后两个阶段需要运用多媒体技术完成。三维实体软件应根据高职院校学生的特点进行多媒体课件开发。压缩机课件开发流程如图5所示。

图5 压缩机课件开发流程

2.2 采用网页和Flash形式将压缩机三维软件深度融合

三维机械类绘图软件Solidworks是一款基于特征的参数化三维绘图软件，其功能强大，使用简单，但在制作三维机械类动画课件方面存在不足，如其自带的简单动画功能比较单调、安装拆卸方面有明显缺陷等。与此相反，Flash软件虽然在绘制三维机械图方面存在不足，但其在动画制作方面有着得天独厚的优势，因此在课件开发中，可以将两款软件有机结合，发挥各自优势，制作出栩栩如生的三维机械类动画多媒体课件。利用Flash制作的课件应具有双向的信息传递功能，不仅可以向用户演示相关信息，同时也允许用户将使用过程中出现的问题进行反馈，使课件具有交互功能。Solidworks软件所绘制的三维实体建模文件巨大，不方便打开，同时也不便于网络的传播，而Flash软件所特有的“流媒体”播放方式可以将三维Solidworks文件变成SWF文件，克服低版本软件不支持高版本软件的缺陷，提高文件的兼容性。另外，即使某些处理器没有安装Flash软件，也可以通过安装Flash插件或者利用Flash软件的发布功能，将Flash动画发布成Html格式，无需插件即可播放Flash动画。

2.3 人机交互方式的设计

人机交互是指人与计算机之间使用某种对话手段，以一定交互方式，为完成确定任务而进行的人机之间信息交换的过程。目前，常用的人机交互方式有按钮、菜单、热字、热区、条件判断、文本输入、移动物体进目标区域、限定时间、限定次数和按键等。常用的交互输入手段有键盘、鼠标、光笔、跟踪球、操纵杆、图形输入板、声音输入设备等。

在完成压缩机机体三维实体构建后，进行压缩机三维动态实体虚拟拆卸与装配，形成压缩机可执行的仿真拆装文件，有效实现人机交互。学生可以通过计算机模拟压缩机真实的拆装环境，在动态可视的过程下将一台压缩机进行完整的拆装。拆装课件通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机的对话。通过人机交互，可以轻松实现三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件演示，如图6所示。

图6 压缩机拆装课件的演示界面

3 结束语

三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件解决了教学中的难题。如果让每个学生都到实验室进行拆装，一是实验室没有足够的设备供学生拆装；二是拆装每台设备的时间较长，如果学生轮流拆装会影响正常的教学进程；三是多次拆装会影响压缩机的配合间隙，影响压缩机设备的正常使用。利用三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件，可以将压缩机的内部结构、零部件和装配顺序表述清晰，提高了教学效果和学生学习的积极性。所以，此课件的开发对高职院校学生的实景训练和虚拟仿真产生积极的影响，同时对研究和开发三维仿真课件的新方法和新手段有着重大的现实意义。

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