【正文】 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。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。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。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。 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)。 馬自達(dá)公司創(chuàng)立于 1920 年， 1931 年正式開(kāi)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。 自 20xx 年開(kāi)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。 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。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。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。如圖為 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配簡(jiǎn)圖（兩個(gè)不同角度展示）。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)。 (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)。 (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)。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。 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。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。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。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。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(kāi)發(fā)在一定程度上會(huì)緩解這種教學(xué)壓力。 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)。 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。 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(kāi)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)。 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。 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(kāi)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。同時(shí)能夠最大程度優(yōu)化裝配工藝流程。 本系統(tǒng)采用 以 仿真為中心的虛擬仿真裝配，在此基礎(chǔ)上添加教 學(xué)部分與學(xué)習(xí)檢驗(yàn)部分作為本文所要開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真裝配虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。每一個(gè)不同的小組可以自由組裝，完成特定系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)模塊的虛擬裝配任務(wù)，彼此在共享資源和實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上互不干涉。 每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小組在完成子系統(tǒng)和特定模塊的裝配任務(wù)時(shí)需要建立在“關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)之上。一個(gè)零部件的設(shè)計(jì)和安裝不能夠脫離整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配環(huán)境，必需要結(jié)合實(shí)際情況，參考同一系統(tǒng)或裝配空間中相鄰的零部件的實(shí)際情況，故而，采取自上而下統(tǒng)籌兼顧的裝配手段，在完成 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)和特定模塊的裝配時(shí)能夠起到至關(guān)重要的作用。 在所示的裝配工藝層次的基礎(chǔ)之上，結(jié)合 L5 發(fā)動(dòng)自身系統(tǒng)組成，筆者簡(jiǎn)要?dú)w納出了 L5 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝結(jié)構(gòu)如下圖所示。 教學(xué)部分考慮到教學(xué)的趣味性和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，本系統(tǒng)采用視頻動(dòng)畫教學(xué)方案，學(xué)生在觀看動(dòng)畫的同時(shí)，學(xué)習(xí)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝的知識(shí)，一定程度上把視頻資料和學(xué)習(xí)文本結(jié)合，不僅有利于教學(xué)質(zhì)量的提高，改善俗套的教學(xué)方式，還對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性起到了很大的促進(jìn)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了虛擬裝配場(chǎng)景，學(xué)生可以在虛擬裝配場(chǎng)景中體驗(yàn)到在現(xiàn)實(shí)拆裝培訓(xùn)的樂(lè)趣，跟隨動(dòng)畫模仿性的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率將會(huì)大大提高，記憶能力也會(huì)大幅上升。 關(guān)于這套學(xué)習(xí)最后還有相應(yīng)的學(xué)習(xí)檢驗(yàn)部分，對(duì)學(xué)習(xí)成果作評(píng)價(jià)，指導(dǎo)學(xué)生更加有效的學(xué)習(xí)，節(jié)約時(shí)間，提高效率，提高學(xué)習(xí)水平。 艾賓浩斯記憶曲線 考慮到編者能力有限的問(wèn)題，本系統(tǒng)直接借助其他軟件平臺(tái)作為子系統(tǒng)直接開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，由不同的子系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)的肢體部分。 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如下： Catia 零件建模：通過(guò)測(cè)量實(shí)物模型或者其他有效途徑或得零件的有效尺 寸，根據(jù)收集來(lái)的數(shù)據(jù)繪制三維模型 3d Max 渲染：將 Catia 建模文件導(dǎo)入 3d Max 中，通過(guò)有效的渲染是得零件更易區(qū)分，更易識(shí)別，方便學(xué)習(xí)者模擬學(xué)習(xí) 編寫程序構(gòu)建系統(tǒng)：通過(guò) Flash 內(nèi)置的 ActioScript 技術(shù)，設(shè)置界面，編寫程序；另外在 3D Max 中設(shè)置虛擬拆裝場(chǎng)景和用 C 語(yǔ)言編寫學(xué)習(xí)指導(dǎo)程序 不斷調(diào)試與完善系統(tǒng)直到最后得到滿意的系統(tǒng)應(yīng)用 本章小結(jié) 本章對(duì)馬自達(dá)作了簡(jiǎn)要的介紹，方便讀者了解相關(guān)方面知識(shí)。 第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具 CATIA 簡(jiǎn)介 由于本文所涉及到的零件實(shí)體建模是基于 CATIA V5 軟件系統(tǒng)。 CATIA 軟件（ CATIA 是英文 Computer Aided ThreeDimensional Interactive Application 的縮寫）是 IBM 公司和 Dassault System 公司精誠(chéng)合作，在 20 世紀(jì)80 年代早期隆重推出的集 CAM／ CAD／ CAE 為一身的高端三維開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)軟件。 CATIA 產(chǎn)品為提升企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的敏感性便以可擴(kuò)展的 開(kāi)放式 V5 架構(gòu)為基礎(chǔ)正是 V5 架構(gòu)的柔性使得企業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)大加重用，加快了企業(yè)開(kāi)發(fā)與相應(yīng)速度。自 20xx 年以來(lái)，其數(shù)字樣機(jī)流程在市場(chǎng)上被各大企業(yè)廣泛采用，短時(shí)間內(nèi)迅速成為全球最常用的汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球前十五的汽車企業(yè)有十四家選擇將 CATIA 作為核心設(shè)計(jì)研發(fā)軟件。CATIA 目前在全球范圍內(nèi)最大的客戶有：美國(guó)通用汽車（同時(shí)使用 UG），美國(guó)波音飛機(jī)制造公司，美國(guó)福特汽車，德國(guó)大眾汽車，德國(guó)博世科技有限公司，德國(guó)戴姆勒奔馳汽車，德國(guó)寶馬汽車，瑞典沃爾沃汽車，法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍汽車，法國(guó)空中客車飛機(jī)制造公司，法國(guó)雷諾汽車，日本豐田汽車，日本本田汽車，日本三菱汽車，意大利菲亞特汽車，西門子公司，韓國(guó)現(xiàn)代汽車， 韓國(guó)起亞汽車，中國(guó)的上海汽車集團(tuán)，第一汽汽車制造集團(tuán)，東風(fēng)汽車集團(tuán)等大公司。 Dassault System 公司在 20 世紀(jì)八十年代相繼發(fā)布了 CATIA 的前三個(gè)版本，由于是初級(jí)產(chǎn)品，其功能并不完善，運(yùn)用也不是很廣泛。如今的 CATIA 軟件主要涵蓋 V4 和 V5 兩個(gè)系列版本。筆者在本文中充分利用了 CATIA V5 的建模優(yōu)勢(shì)，在后文中有較詳細(xì)的舉例介紹，在此不再贅述。 模型的制作：在建模過(guò)程中，我們不僅要達(dá)到模型尺寸的準(zhǔn)確，同時(shí)還要使模型外觀更貼近實(shí)物。 3D MAX 簡(jiǎn)介 3D Studio Max，簡(jiǎn)稱為 3dmax，是由 Autodesk 公司開(kāi)發(fā)的一款集建模、渲染和制作動(dòng)畫于一身的三維制作軟件。由于模仿的逼真性以及簡(jiǎn)單方便的操作性被廣大動(dòng)畫愛(ài)好者所使用。又由于其方便易學(xué)，建模效果優(yōu)良，是能夠滿足設(shè)計(jì)需要的最理想的建模軟件，近年來(lái)在汽車行業(yè)也開(kāi)始廣泛使用起來(lái)，比如制作發(fā)動(dòng)機(jī)變速器的三維模擬拆卸/安裝過(guò)程，汽車產(chǎn)品的功能展示等等。培訓(xùn)人員可以隨時(shí)登陸培訓(xùn)系統(tǒng)反復(fù)訓(xùn)練操作，反復(fù)理解并能快速掌握現(xiàn)代先進(jìn)的檢測(cè)維修儀器。當(dāng)這一切完成后就可以讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算，生成最后的一張張畫面，再利用 AE軟件進(jìn)行動(dòng)畫的合成。但是對(duì)于 3Dmax 而言，一般配置的電腦就可以滿足要求。并且 3D 有一些專屬的模型庫(kù)，有好多模型可以直接提取出來(lái)使用，方便快速。 ActionScript 通過(guò)對(duì) Flash 中動(dòng)畫元件的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的交互性。 Flash 的交互性動(dòng)畫是指，利用 Flash 制作生成的動(dòng)畫作品，在播放時(shí)支持事件響應(yīng)和交互功能的一種動(dòng)畫，即動(dòng)畫的播放者以及受眾都可以對(duì)播放的動(dòng)畫進(jìn)行某種操作，使得動(dòng)畫的受眾接受信息的方式由被動(dòng)接受變?yōu)橹鲃?dòng)選擇。 Flash 軟件開(kāi)發(fā)的交互技術(shù)是一種新的操作與溝通形式，完全依托于計(jì)算機(jī)先進(jìn)的圖形交流界面技術(shù)，使用交互技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫與觀賞者之間的簡(jiǎn)單互動(dòng)，具有很強(qiáng)的生命力。加載方法是通過(guò)使用 Actionscript 實(shí)現(xiàn)的，可以從外部加載圖像、聲音和 swf 影片。加載聲音通常使用 load Sound（）函數(shù)。 本論文在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的交互性操作本著交互接口要簡(jiǎn)單的原則進(jìn)行的?？紤]到學(xué)員個(gè)性化的需求，在進(jìn)行交互設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其心理需求，交互響應(yīng)結(jié)果要充分體現(xiàn) Flash 動(dòng)畫的娛樂(lè)性。一、用以輔助教學(xué)：以教學(xué)理論為指導(dǎo)，從教學(xué)空間及學(xué)生個(gè)性化的角度出發(fā)，將具體的課程教學(xué)設(shè)置成教室、考場(chǎng)、放映廳、咨詢臺(tái)、操作坊五個(gè)虛擬教學(xué)環(huán)境，學(xué)生可以在不同的教學(xué)情境中參與學(xué)習(xí)互動(dòng)，這種實(shí)時(shí)交互調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新，提高課程教學(xué)實(shí)效。數(shù)字媒體成為了交互性動(dòng)畫得以發(fā)展和應(yīng)用的 新天地 ，以網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)媒介為傳播平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)交互動(dòng)畫和手機(jī)動(dòng)畫也得到了的快速的發(fā)展，給人們的生活帶來(lái)許多方便。網(wǎng)絡(luò)課程作為遠(yuǎn)程教育的基礎(chǔ)，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到教學(xué)的效果。它由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Dennis 于 1972 年推出， 1978 年后， C 語(yǔ)言已先后被移植到大、中、小及微型機(jī)上，他可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序語(yǔ)言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。 C 語(yǔ)言是世界上最流行、使用最廣泛的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一。 本文中所采用的編譯軟件為 Microsot Visual C++。 Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化開(kāi)發(fā)工具，他不僅是一個(gè) C