自动变速器虚拟拆装实验系统的开发

王鹏飞，业红玲，王 琳

（蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

目前，我校汽车类专业的自动变速器拆装实习实验采用的是书面讲授和实物动手拆装教学相结合的方法，即先由老师书面讲述自动变速器的结构和工作原理，然后老师按照拆卸顺序示范拆装零部件，再具体讲述各零件之间的装配关系和各分总成的工作原理，最后由学生亲自动手拆解和装配，进一步熟悉其结构和工作原理.由于自动变速器内部结构复杂，同时又受制于实物设备台数和场地等条件的限制，会出现学生学习后印象不深，实验教学效果不好等弊端.针对这种情况，为了使学生对自动变速器的掌握程度更全面和深刻，我们可以设计并开发自动变速器虚拟拆装实验系统.

近年来，国内许多高校根据自身的教学和科研需要，建立了不少虚拟实验系统，比如减速器虚拟拆装[1]、虚拟土木工程试验系统[2]、转向助力泵拆装[3]等，但是关于自动变速器虚拟拆装实验系统的文献资料较少.

本文在熟悉自动变速器结构和工作原理[4]的基础上，研究Cult3D的三维交互技术[5-6]，以大众轿车的01N型自动变速器为样机，使用Cult3D、CATIA、3DS MX、VB和ACCESS等软件，进行自动变速器虚拟拆装实验系统的开发，将复杂的自动变速器内部结构清晰地展现在学生面前，可以满足学生学习自动变速器各部件结构和工作原理的需求，解决教学中局限于设备数量和场地的限制，降低原材料的损耗成本，减小实物拆装过程中引发安全事故的风险，提高学生的学习兴趣和实习实验的教学质量.

2 虚拟拆装技术和Cult3D简介

虚拟拆装是虚拟现实技术的重要应用，它允许用户以交互方式控制产品的模拟拆装过程，方便用户熟悉产品各零部件之间的约束关系，对用户熟悉产品的结构有很大帮助.

Cult3D是由瑞典Cycore公司推出的一款多平台可用的网络应用程序，可以在网页上和各种文档格式中建立交互的3D对象.Cult3D的内核是基于JAVA的，可以使用JAVA来增强交互与扩展，这使得它具有跨平台、交互性好、渲染快、压缩后文件小等优点，开发效率很高[7].

Cult3D软件主要由Designer工具和其它一些插件组成[8].在进行交互设计和使用之前，需要在相应的软件中安装对应插件，以保证设计工作的正常进行.

（1）Cult3D Designer 它是Cult3D软件设计拆装交互步骤的主要工具.

（2）Cult3D Viewer插件 这个插件是给IE浏览器使用的，它的功能是辅助浏览器播放Cult3D对象并展示其交互性能.

（3）Cult3D Exporter插件 这个插件是给3D建模软件使用的.利用这个插件就可以从3DSMAX中把文件以*.C3D的格式导出，再导入到Cult3D Designer中来设计制作交互步骤.

3 虚拟拆装实验系统的总体框架和功能结构

3.1 系统的总体框架

系统的总体框架如图1所示，由用户层、应用层和数据层组成.用户在用户界面选择不同的内容，通过应用层来实现三维模型的交互显示、虚拟拆装、动画播放等功能，而实现这些功能还需要访问数据层的数据库和对应类型的文件.

图1 虚拟拆装实验系统的总体框架

3.2 系统的功能结构

自动变速器虚拟拆装实验系统主要由零部件三维模型交互显示、自动变速器虚拟拆装、工作原理视频动画、维修维护知识、测试试题及答案和用户管理这几个功能模块组成.其中，自动变速器虚拟拆装，由01N型自动变速器各组件虚拟拆装组成，工作原理视频动画包括平面视频动画和三维视频动画，用户管理则包含修改用户名、修改密码和权限管理三个功能.虚拟拆装实验系统的功能结构如图2所示.

图2 虚拟拆装实验系统的功能结构

4 虚拟拆装实验系统的开发

虚拟拆装实验系统的开发可以分为四个步骤，三维模型的建立、动态与交互功能的设计、作品的生成与发布、系统界面设计与系统集成.前三个步骤完成后得到可交互的*.co文件，再使用VB编程进行界面设计和功能的集成.虚拟拆装实验系统的开发流程如图3所示.

4.1 自动变速器三维模型的建立

4.1.1 三维模型的创建

创建三维模型需要熟悉01N型自动变速器的结构，拆解自动变速器，并对各零部件进行尺寸测量，再使用CATIA软件对各个零部件进行三维建模.

图3 虚拟拆装实验系统的开发流程

使用CATIA软件进行三维建模时，要注意提高模型精度，并尽量减少多边形的数量.由于3DSMAX不能识别*.CATpart文件，所以使用CATIA建模完成后要另存为*.stl格式.

4.1.2 3DSMAX的渲染和转化处理

将得到的*.stl格式的零部件导入3DSMAX后，在3DSMAX中要对模型进行优化渲染等处理，而在实际操作过程中需要注意以下一些问题.

（1）精简不需要的边，减少曲面的数量，保证曲面光滑度.

（2）根据设计需要，调整材质球的参数，将设置好的材质球和贴图添加到三维模型上，对模型的材质和颜色进行渲染，有的时候需要通过多次局部渲染达到要求.

（3）需要设置灯光和添加摄像机，来提高视觉效果和满足不同视角的转换.

（4）将三维模型按照实际装配位置进行移动和装配.

（5）按照同步运动的模型分为一组的原则对模型进行分组，然后再根据需要对其坐标原点进行设定.

处理完成的自动变速器三维模型如图4所示，完成后需要通过Cult3D Exporter插件，将其以*.c3d格式的文件导出，此文件包含三维模型的几何形状和材质颜色等信息.

图4 处理完成的自动变速器三维模型

4.2 动态与交互功能的设计

将保存好的*.c3d文件导入到Cult3D Designer中，文件添加成功后就可以进行交互设计.在Cult3D Designer中进行交互设计是通过拖放操作来完成的.首先从场景图表窗口选择要操作的对象，拖入事件规划图窗口，再在动作窗口选择要实施的动作，在事件规划图窗口选择触发该动作的事件，最后通过预览窗口检查对象、动作和事件之间相互关系的正确性.

Cult3D Designer提供了平移缩放旋转等动作，还提供了基于鼠标和键盘的动作触发事件，如鼠标左、中、右三键的点击、键盘按键的按下或释放等，为交互功能的设计提供了方便.

为了使虚拟拆装过程尽量接近真实实验过程，动态与交互功能的设计十分重要.拆装过程必须符合一定的逻辑顺序，这就需要通过时间线来控制对象动作的先后顺序，使用激活事件和解除激活事件控制拆装的每一步.另外，还可以给各零部件添加工具提示，将工具提示与对应零部件关联，提供零部件名称和拆装步骤提示等信息，使设计的交互功能更人性化.

4.3 作品的生成与发布

动态和交互功能设计完成后，将生成的作品文件进行发布，保存为*.co和*.html文件，Cult3D 最后生成的*.co格式文件非常小，可以很好的嵌入到网页中，只要安装Cult3D Viewer控件就可以打开浏览器查看并操作三维模型.

4.4 系统界面设计与系统集成

系统的界面设计和系统集成是使用VB 6.0和ACCESS数据库完成的，VB 6.0用来进行界面和程序的设计，ACCESS数据库用来存储零部件、视频动画、维护资料、测试题和用户等信息.

系统的主窗体界面是基于Windows系统风格的菜单式界面，系统各功能按照层次关系分布于各菜单中，点击菜单可以打开新窗体.

三维模型交互显示和虚拟拆装窗体主要通过Web-Browser控件调用本机Windows内置的IE浏览器，打开和*.co文件对应生成的*.html文件，来查看和操作三维模型.视频动画窗体主要功能的实现是通过UUFlv第三方控件完成的，维护资料窗体主要功能的实现是通过PDFView第三方控件完成的.

自动变速器离合器K1组件虚拟拆装窗体界面如图5所示.自动变速器维修维护知识窗体界面如图6所示.

图5 离合器K1组件虚拟拆装窗体界面

图6 自动变速器维修维护知识窗体界面

5 总结

本文在研究Cult3D三维交互技术的基础上，详细说明了自动变速器虚拟拆装实验系统的开发方法，并以01N型自动变速器为样机进行了开发应用.该自动变速器虚拟拆装实验系统可作为课前预习和课后巩固复习的工具，用于汽车类专业《汽车构造》、《汽车拆装与驾驶实习》等课程的实习实验教学过程，有助于学生更直观熟悉自动变速器的结构和工作原理，降低原材料的损耗成本，减小实物拆装过程中引发安全事故的风险，提高学生的学习兴趣和实习实验的教学质量.

参考文献：

〔1〕冯桂珍，池建斌，王大鸣，等.减速器虚拟拆装实验系统的构建[J].工程图学学报，2011，32（1）：89-93.

〔2〕冯桂珍，邢海军，张增强，池建斌.基于Cult3D的虚拟土木工程实验平台的构建 [J].实验技术与管理，2015，32（7）：109-112.

〔3〕周志国，曾祥军.虚拟现实技术在汽车拆装实训中的应用研究[J].农业装备与车辆工程，2011，18（10）：47-50.

〔4〕史文库，姚为民.汽车构造第六版（下册）[M].北京：人民交通出版社，2013.73-115.

〔5〕网冠科技.Cult3D 产品三维演示时尚创作百例[M].北京：机械工业出版社，2002.1-100.

〔6〕李正浩，金城元，朴光宇.三维魔术——Cult3D和3DS MAX[M].北京：电子工业出版社，2002.10-60.

〔7〕牛敏，陈锦昌.Cult3D在机电产品中交互设计中的研究[J].工程图学学报，2010，31（4）：194-199.

〔8〕苏威洲，童仲豪，叶翰鸿.实现网络三维互动——Cult3D应用指南[M].北京：清华大学出版社，2001.1-3.