发动机拆装实验教学综合平台的研制

王志琼，刘津彤，苗 淼，刘广武，杨 楠

(吉林大学 机械与航空航天工程学院, 长春 130022)

0 引 言

随着社会的高速发展，在工业和生活上，对汽车的需求越来越多，对发动机的要求也越来越高。同时，发动机其内容知识点集成度高、层次分明，符合综合实验教学需求[1-2]。中心结合机械工程专业本科生培养方案，开设了独立设课的综合性实验课程，并将发动机实验教学项目列入其中[3-4]。通过该实验能够使学生学习掌握发动机的工作原理，通过测绘、拆装和测量了解典型零部件的基本结构及重要组成，以培养学生独立思考问题和解决问题的能力，训练学生的综合设计能力，为后续课程及今后从事实际工作奠定良好的基础。

随着课程的开设逐渐暴露出复杂机构组成结构、整机拆装过程讲解难，零部件空间摆位不好形容，学生仅听教师理论讲解感觉枯燥、知识摄入量较差，同时实验效果受限于发动机数量、磨损量，学时不足等难题[5-7]。本文将虚拟仿真实验、虚拟现实实验与现场实验相融合，打造“虚实结合”[8-10]“梯级递进”[11-13]的发动机拆装实验教学综合平台，发挥各自优势，从而改善传统实验教学效果，提高实验教学质量。

1 实验教学综合平台的建设方案

以摩托车发动机总成为对象和载体，依据理论和实验课程内容，通过网络虚拟仿真实验教学平台、虚拟现实实验教学平台、现场实验教学平台，建立一系列发动机实验教学内容，实现网络虚拟仿真、三维立体环境虚拟操作、现场实验学习相结合的实验环境，做到虚实结合，相互补充。

发动机拆装虚拟仿真实验教学平台能够实现学生自主选择拆装工具、设计拆装顺序进行发动机整机和典型结构拆装，了解典型零部件的基本结构及重要组成。发动机拆装虚拟现实实验教学平台利用三维立体环境使学生切身融入到虚拟现实环境中，运用交互系统进行典型零部件的虚拟拆装，设置零部件的拆装顺序及拆装路径，通过三维立体环境增强学生的三维立体感及操作感。最后学生到实验室学习发动机，选择典型机构进行现场拆装实验，提升学生机械零件综合认知和部件拆装的综合能力，平台建设方案和方案设计流程分别如图1、表1所示。

图1 发动机拆装实验教学综合平台建设方案

通过发动机拆装实验教学综合平台让学生了解发动机的结构特点，掌握发动机零部件的精度要求、工艺要求和装配要求，使学生把机械设计、机械原理、机械制造技术基础等课程所学的知识通过发动机的拆装，学会理论知识在实践中的综合应用。

表1 虚实结合实验教学方案设计流程

2 实验教学综合平台的研制

2.1 建立发动机三维模型库

根据摩托车发动机的二维工程图，利用三维建模软件(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application，CATIA)进行100多个零件的三维建模，然后组装成10多个基本结构，最终建立摩托车发动机的三维整机模型，为发动机拆装虚拟仿真实验教学平台和虚拟现实实验教学平台提供设计开发基本素材。

2.2 开发发动机拆装虚拟仿真实验教学平台

发动机拆装虚拟仿真实验教学平台以unity3d软件为基础[14-15]，通过程序编辑以文字、声音、动画、交互操作等形式实现实验教学内容的展示与操作。平台共由实验预习、虚拟拆卸、虚拟装配和实验测试4个模块组成，如图2所示。

图2 发动机拆装虚拟仿真实验教学平台

实验预习模块主要是了解发动机原理及结构，主要有工作原理、基本结构、爆炸图、零件库4方面内容。工作原理以动画形式展示发动机内部工作过程；基本结构详细介绍了发动机各主要结构的功能及作用；爆炸图按照零件位置关系进行典型结构的爆炸，实现零部件位置关系标注；零件库包含所有的零部件，可以登录账号下载各个零部件的CATIA三维模型，进行自由设计关键部件及发动机。实验预习模块使学生了解发动机每一个零部件的名称，仔细观察和分析各个结构的组成，对结构逐一分析其作用。

虚拟拆卸模块和虚拟装配模块在了解各个零件在该结构中的位置基础上，根据拆装说明进行发动机及其典型零部件拆装操作，设定拆装零件顺序、路径和拆装工具，操作正确给予分值，如果操作错误给予提示则无分值。最后将所有操作完成后计算学生虚拟拆装总分值。

实验测试模块以选择题的方式设计制作考试题库。学生实验完成后随机抽取定量试题进行测试，最后设定一定的比例将测试成绩和操作成绩加权综合作为学生的网络虚拟仿真实验成绩。

2.3 设计摩托车发动机拆装虚拟现实实验教学平台

机械虚拟仿真实验教学中心应用虚拟现实、人工智能等技术，构建了集教育、培训、研发于一体的机械虚拟现实实验教学平台。平台具备三维环境设置、虚拟拆装、任意剖切、虚拟测量和运动仿真5个功能，实现对机械产品设计方案的虚拟展示、拆装训练、剖切显示、在线测量和动作模拟。

结合摩托车发动机的实践教学需求，设计制作发动机拆装虚拟现实实验教学平台，如图3所示。首先建立摩托车发动机及典型零部件的三维立体环境，学生可以通过立体眼镜和操作手柄对发动机和零部件进行360°立体展示学习，同时可以通过距离移动进入发动机内部，观察发动机内部零部件结构及装配关系，使学生感受到沉浸感。然后设置零部件的拆装顺序及拆装路径，通过手柄进行发动机及其零部件虚拟拆卸、虚拟装配，保证实时交互；同时进行典型零部件任意方向剖切，零部件关键尺寸测量，运动仿真，让学生置身“虚拟现实”的环境中进行发动机结构设计方案评审、机械拆装模拟训练，加深学生对理论知识的理解，掌握先进的学科前沿技术，提高实践与创新能力。

图3 发动机拆装虚拟现实实验教学平台

2.4 建立发动机拆装现场实验教学平台

建立摩托车发动机拆装现场实验教学平台，如图4所示，主要包含摩托车发动机零部件展示实验平台，发动机基本结构拆装平台和发动机整机拆装平台。学生在虚拟实验做完后，到实验室学习摩托发动机，进行现场拆装实验。

图4 发动机拆装现场实验教学平台

零部件展示实验平台根据功能将整机分成基本结构分类展示，如曲轴活塞、减速器、曲轴箱等。再将基本结构进行零部件展示，并在每个零部件上贴上标签，每个结构墙上均贴有相应二维和三维装配图。基本结构拆装平台为学生提供摩托车发动机的基本结构，并配有相应的拆装工具和检测工具，学生选择典型结构进行现场拆装实验。发动机整机拆装平台要求学生通过工具将发动机拆卸到基本结构与组装。学生根据虚拟平台所学习的知识，在实物拆装平台上运用拆装工具进行发动机及其典型结构的拆装，加强学生对机械零件连续的、系统的综合认知，强化学生工程实践能力。

3 实验教学综合平台的特色

通过与摩托车发动机企业的校企合作，依据摩托车发动机企业投放市场的畅销摩托车发动机为技术基础，选择国际主流大型工程软件数据格式，制作四冲程摩托车发动机总成的产品级大数据整机数模。

建成了网络虚拟仿真、虚拟现实与现场实验相结合的实验教学综合平台。虚拟仿真实验教学平台为同学们远程学习、课前预习和课后复习提供了良好的资源；虚拟现实实验教学平台在拥有良好沉浸感的“虚拟现实空间”对模型拆解和装配，突破了典型复杂机械主机部件难于进行拆解和装配复原的限制；现场实验教学平台提供了真实实验操作。综合平台通过虚实结合，突破了实验教学时间和空间的限制，集成网络、虚拟现实与现场实验为一体，具有学习的选择多样性和共享性。

发动机实验教学综合平台解决了同学们由易到难、由基础到专业、由零件到部件的发动机的阶梯性、系统化学习，保证知识的连贯性，为后续机械产品设计和制造工艺设计奠定基础。

4 结 语

基于摩托车发动机拆装实验教学综合平台，开发了实验项目“摩托车发动机虚拟拆装实验”，已列入实验教学大纲，每年为本科生约350人开设实验课程，教学效果良好。同时该项目作为国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心的一个项目，已发布吉林大学国家级机械虚拟仿真实验教学中心的网络平台上，网址为：http://vmech.jlu.edu.cn。依托吉林大学校园网络，面向吉林大学所有校区师生，全天开放，实现了优质教学资源的校内共享。摩托车发动机拆装虚拟仿真实验教学平台能够接受吉林大学以外的互联网访问，现阶段对有合作关系的院校的广大师生采取注册制开放，扩大了本成果共享应用范围。