【正文】 ，德國(guó)大學(xué)人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室將 VR 技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，建立了一個(gè)基于構(gòu)造工具箱的概念虛擬裝配系統(tǒng)。比如德國(guó)制藥企業(yè)將 VR 用于新藥的開發(fā)；還有一些著名的汽車企業(yè)奔馳、寶馬、大眾等都使用了 VR 技術(shù)；如德國(guó)的大眾公司采用仿真技術(shù)，開發(fā)研制虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng) ,系統(tǒng)中包括人機(jī)交互裝配的碰撞檢測(cè)及 計(jì)算機(jī)圖像渲染等，他們對(duì)于三維交互技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用做出了探索，同時(shí)該系統(tǒng)使用三維的人機(jī)交互界面 ,這樣較好地增強(qiáng)了系統(tǒng)的沉浸性。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有一定的差距，但也取得了一定的成果。北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系是國(guó)內(nèi)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究最早的單位之一，主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛行員訓(xùn)練和遠(yuǎn)程控制方面的應(yīng)用。浙江大學(xué)開發(fā)出了一套桌面型虛擬建筑壞境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)已成功地虛擬出了人的高級(jí)行為中特定人臉圖像的合成，表情的合成和唇動(dòng)的合成等技術(shù)問(wèn)題，并正在研究人說(shuō) 話時(shí)頭勢(shì)和手勢(shì)動(dòng)作，語(yǔ)音和語(yǔ)調(diào)的同步等。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)系對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場(chǎng)感的方面進(jìn)行了研究。西安交通大學(xué)信息工程研究所對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中的關(guān)鍵技術(shù) — 立體現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了研究。中國(guó)科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實(shí)中視覺(jué)接口技術(shù)，完成了虛擬現(xiàn)實(shí)中的體視圖像對(duì)算法回顯及軟件接口。 本章小結(jié) 這一章主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義及其發(fā)展歷程，虛擬實(shí)訓(xùn)技術(shù)的定義及其主要優(yōu)勢(shì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展歷程以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀等基本內(nèi)容，以便讀者能夠大致了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并為后續(xù)章節(jié)合理引述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供基礎(chǔ)。 第二章 馬自達(dá) L5 發(fā)動(dòng)機(jī)以及仿真裝配實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)分析 馬自達(dá)簡(jiǎn)介 MAZDA 是日本最著名的汽車品牌之一，日本第四大汽車制造商，是世界著名汽車品牌，是世界上唯一研發(fā)和生產(chǎn)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車公司。 馬自達(dá)公司創(chuàng)立于 1920 年， 1931 年正式開始在廣島生產(chǎn)小型載貨車， 60 年代初正式生產(chǎn)轎車，自 1981 年到 20xx 年，馬自達(dá)已累積生產(chǎn)了 3,500 多萬(wàn)輛各種汽車。在九十年代之前，馬自達(dá)汽車公司在日本國(guó)內(nèi)排名僅在豐田、日產(chǎn)之后，也是世界知名的日本汽車品牌之一。 自 20xx 年開始，馬 自達(dá)公司通過(guò)實(shí)施“新千年計(jì)劃”，使公司的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 20xx 年開始，馬自達(dá)公司先后推出了馬自達(dá) 6(MAZDA6)、馬自達(dá)3(MAZDA3)、馬自達(dá) 2(MAZDA2)、馬自達(dá) 8(MAZDA8)、 RX Roadstar 和 CX7等一系列新車型，在世界各地都取得了不俗的銷售業(yè)績(jī)。 馬自達(dá)６汽車實(shí)物圖 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 馬自達(dá) 6 搭配的 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)排量為 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)代替此前的 發(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率達(dá) 124kW，最大扭矩 226Nm。 Mazda6 重點(diǎn)在低轉(zhuǎn)速區(qū)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能做了提升：這就意味著 用戶在實(shí)際駕駛中會(huì)明顯感受到效果。與許多車動(dòng)輒在5000 轉(zhuǎn)才能發(fā)揮出最大扭矩相比， L5 發(fā)動(dòng)機(jī)在 4000 轉(zhuǎn)左右就可以接近峰值輸 出。在賽道上我們就可以明顯感覺(jué)到了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速的爆發(fā)力，油門的響應(yīng)非常靈敏，在 60100km左右的加速非常敏捷，這在日常駕駛中的超車時(shí)非常實(shí)用。發(fā)動(dòng)機(jī)形式為 ，水冷直列 4 缸， DOHC16 氣門 ，最大功率 124kw/6000r ，最大扭矩 226Nm/4000 r。 L5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在缸體的基礎(chǔ)之上包括曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)等五大系統(tǒng)兩大機(jī)構(gòu)，為提高汽車性能 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)在普通發(fā) 動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上還增加了車載診斷系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等先進(jìn)系統(tǒng)。如圖為 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配簡(jiǎn)圖（兩個(gè)不同角度展示）。 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)零件的分類 眾所周知，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)包含上千零部件的復(fù)雜系統(tǒng)，各零件之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。無(wú)論在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)組裝線還是在虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里邊，要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的有序合理裝配就必須對(duì)眾零件進(jìn)行合理化、規(guī)則化的管理分類，按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)建立零件庫(kù)是實(shí)現(xiàn)高效裝配，科學(xué)設(shè)計(jì)裝配工藝流程的基礎(chǔ)。 為實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)際化與標(biāo)準(zhǔn)化，汽車零件的設(shè)計(jì)一般都會(huì)遵循以下三個(gè)原則，然后在三大原則的框架之下結(jié)合汽車型號(hào)與汽車生產(chǎn)廠家具體要求設(shè)計(jì)汽車零件。 (1)發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化原則 在汽車行業(yè)乃至整個(gè)機(jī)械行業(yè)，我們會(huì)把具有類似結(jié)構(gòu)、尺寸的零件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。例如所有螺栓的標(biāo)稱直徑、螺距、牙數(shù)甚至表面硬度、炭化層深度等都要執(zhí)行相應(yīng)的被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這類零件是標(biāo)準(zhǔn)化的零件。 (2)發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)的系列化原則 指在發(fā)動(dòng)機(jī)零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)裝配要求和發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)情況，按一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則優(yōu)化制定零件系列，這便于在廣泛的設(shè)計(jì)中采用不同系列的零件，也 便于零件的批量生產(chǎn)。 (3)發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)的通用化原則 發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)的通用化原則主要是為了提高零件的互換性能，這是提高汽車的維修性能，降低裝配復(fù)雜性的重要手段。在 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)零件的過(guò)程中盡量將其采用的材料、零件結(jié)構(gòu)形式、主要設(shè)計(jì)參數(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化，系列化方面靠攏。通用化零件的采用毋庸置疑能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低零件的設(shè)計(jì)成本，減少裝配工具 的種類和數(shù)量，簡(jiǎn)化裝配流程，最終降低各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本最大化創(chuàng)造社會(huì)效益。 在當(dāng)今汽車大批量生產(chǎn)的背景下，“三化原則”框架下的汽車零件設(shè)計(jì)方法對(duì)節(jié)省企業(yè)運(yùn)行成本，簡(jiǎn)化生產(chǎn)材料類型 ，加快整車設(shè)計(jì)進(jìn)度有很重要的作用，故而“三化原則”基本上被所有汽車生產(chǎn)行業(yè)乃至制造業(yè)所接受。 在本文中，為了方便進(jìn)行 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬仿真裝配，我將發(fā)動(dòng)機(jī)零部件按標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)把所有零件分為兩個(gè)大的類別。在此之后再對(duì)所有發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成零件進(jìn)行三維建模，并且同樣按標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)和非標(biāo)準(zhǔn)把所有零件庫(kù)分別存貯，以便于在進(jìn)行虛擬裝配過(guò)程中調(diào)用。 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械零件（非標(biāo)準(zhǔn)零件）明細(xì)列表（部分） 非 標(biāo) 準(zhǔn) 零 件 名 稱 零件在庫(kù)中英文代碼 數(shù) 量 發(fā)動(dòng)機(jī)端蓋 Timingcover 1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體 Blockv 1 曲軸 Crankshaft 1 進(jìn)氣凸輪軸 Exhaust 1 排氣凸輪軸 intake 1 曲軸箱組合 Crankcase 1 定位銷 Dowel pin 1 油底殼 Sump 1 墊圈 Washer 1 進(jìn)氣門座 intake valve 8 排氣門座 exhaust valve 8 進(jìn)氣門導(dǎo)管 intake valve 8 排氣門導(dǎo)管 exhaust valve 8 異形密封圈 abnormity 2 連桿 Connecting rod 4 活塞組合件 Piston set 4 軸套 Sleeve 2 限位板 Limiter 4 進(jìn)氣（氣門）搖臂 intake rocker arm 4 排氣搖臂 exhaust rocker arm 4 ???? ???? ???? L5 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械零件（標(biāo)準(zhǔn)零件）明細(xì)列表（部分） 標(biāo) 準(zhǔn) 零 件 名 稱 零件在庫(kù)中英文代碼 數(shù) 量 油孔螺塞 Plug 1 定位銷 Dowel pin 4 彈簧座 Seat, spring 16 彈簧 spring 16 密封圈 Gasket 2 放油螺塞 Drain plug 1 扭簧 Torsion spring 4 O 形圈 Oring 1 襯套 Bush 1 氣缸頭定位銷 Dowel pin,cylinder head 4 凸輪軸孔塞 Plug, cam shaft hole 8 油道墊圈 Washer, oil passage 1 半圓鍵 Woodruff key 1 連桿螺栓 Bolt, connecting rod 16 連桿 螺母 Nut, connecting rod 16 軸承擋板 Stopper, bearing 2 壓板螺釘 Screw, pressing plate 8 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的需求分析 隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，教育教學(xué)信息化已成為教育改革和發(fā)展的重要方向。教育部教育信息管理中心發(fā)出關(guān)于推進(jìn)全國(guó)教師信息技術(shù)培訓(xùn)項(xiàng)目”的培訓(xùn)計(jì)劃通知，加強(qiáng)教師的信息技術(shù)培訓(xùn)、提高教師運(yùn)用現(xiàn)代化教育技術(shù)的能力和水平已成為教師教育和培訓(xùn)的重要內(nèi)容。充分展示教育部對(duì)虛擬教學(xué)的重視。而目前已超過(guò) 600 所院校采購(gòu)了 VRP 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)和相關(guān)硬件產(chǎn)品，是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率最高的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件。有力的促進(jìn)了院校在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方面的工作。在教育行業(yè)中，無(wú)論是學(xué)校還是學(xué)生，都能享受虛擬現(xiàn)實(shí)帶給我們的新時(shí)代。 國(guó)內(nèi)汽車保有量的大幅度的增長(zhǎng)，汽修行業(yè)每年都需要增加幾十萬(wàn)的汽修人員，他們不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)、熟練的專業(yè)技能，同時(shí)還要能獨(dú)立的使用故障診斷設(shè)備，對(duì)汽車的故障進(jìn)行拆裝、維修。由于培訓(xùn)汽修人員的過(guò)程會(huì)耗費(fèi)很多的資源，傳統(tǒng)的技能教授方式已經(jīng)不能滿足需求，發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)在一定程度上會(huì)緩解這種教學(xué)壓力。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展故障診斷演示更為真實(shí)，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)音效、視覺(jué)效果，更生動(dòng)的體會(huì)到裝配過(guò)程的樂(lè)趣，這樣比單純的說(shuō)理更易讓人接受。 該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)裝配模式逼真模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使得操作者可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)交，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝過(guò)程的教學(xué)。同時(shí)，該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將 Catia 、 3D Max 、 ActionScript 和 C 語(yǔ)言技術(shù)配合使用，目前這四者的結(jié)合在虛擬裝配方面的應(yīng)用并不是很廣泛，所以該虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 發(fā)動(dòng)機(jī)虛 擬仿真裝配 當(dāng)今世界，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)種類成千上萬(wàn)，每個(gè)汽車生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)擁有的技 術(shù)和功能也千差萬(wàn)別，但不管是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，不管是汽油機(jī)才是柴油機(jī)，也不管發(fā)動(dòng)機(jī)的排量扭距等技術(shù)參數(shù)如何變化，結(jié)構(gòu)如何創(chuàng)新，發(fā)動(dòng)機(jī)最終進(jìn)行虛擬裝配的方式方法卻并不多。不同企業(yè)結(jié)合自身實(shí)際情況和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)自造要求，會(huì)選擇一套適合的虛擬裝配方案，自此，筆者簡(jiǎn)單羅列出當(dāng)前全球汽車生廠商常采用的一些方案，并作出了簡(jiǎn)要描述。 虛擬裝配類型 具體內(nèi)容 簡(jiǎn)述 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬仿真裝配（ DesignCentered Virtual Assembly） 面向裝配的設(shè)計(jì) 為了從設(shè)計(jì)角度確保發(fā)動(dòng)機(jī)的可裝配性，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開始階段就把發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化緊密結(jié)合，為高效合理的裝配生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。 自頂向下并行設(shè)計(jì) 強(qiáng)調(diào)在發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段就考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配的可行性，乃至汽車整個(gè)生命周期中維修等各方面的便捷性，盡可能減少差錯(cuò)與不合理的設(shè)計(jì)。 與主模型相關(guān)的可裝配性設(shè)計(jì) 以不同階段裝配的 Master Model 為核心，盡量減少零部件的數(shù)量和種類，使零部件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，同時(shí)保證裝配數(shù)據(jù)同步更新，便于不同分工 的部門協(xié)調(diào)工作。 以過(guò)程控制為中心的虛擬裝配 (Process Centered Virtual Assembly） 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制 對(duì)建立主模型空間，完成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總布局的總體設(shè)計(jì)階段；確定裝配區(qū)域裝配層次以及幾何約束的裝配設(shè)計(jì)階段；完善發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)行干涉檢驗(yàn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段這三個(gè)階段進(jìn)行合理調(diào)配，加以科學(xué)控制。 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)生產(chǎn)的過(guò)程控制管理 對(duì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的過(guò)程描述過(guò)程間協(xié)作等方面的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果和裝配工藝流程等相關(guān)信息的有效管理，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā) 與生產(chǎn)過(guò)程更加優(yōu)化。 以仿真為中心的虛擬仿真裝配 ( Simulate Centered Virtual Assembly） 優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程 基于 CATIA 系統(tǒng)的虛擬仿真裝配可以根據(jù)需求把裝配分配為多個(gè)裝配的單元，分工合作，加強(qiáng)同步性能，節(jié)約時(shí)間。同時(shí)能夠最大程度優(yōu)化裝配工藝流程。 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配性能作出評(píng)價(jià) 在虛擬環(huán)境中就可以多發(fā)