面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发.pdf
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1、2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.1634342023.082023.08收稿日期:2023-02-03基金项目:贵州省 2022 年高等学校教学内容和课程体系改革项目(2022062)面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发韩粤华,罗国宇(贵州师范大学 机械与电气工程学院,贵州 贵阳 550025)摘 要:虚拟仿真实践教学平台具有较强的交互性、沉浸性、仿真性,能有效激发学生的学习兴趣,达到以虚促实、虚实结合的教学目的。为弥补传统汽车底盘构造实践教学中设备更新慢、
2、数量少、易受空间限制等问题,利用虚拟仿真实践教学手段辅助现实实践教学的方法,开发了一款基于 Unity3D 软件的虚拟拆装实践教学平台。该平台以现实实践教学要求为依据,设置了多个教学模块,有助于提高教学效率,降低实践教学成本。关键词:汽车底盘构造;虚拟现实;实践教学平台;Unity3D中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:2096-4706(2023)16-0034-06Development of Virtual Disassembly and Assembly Practice Teaching Platform for Automobile Chassis Construct
3、ion TeachingHAN Yuehua,LUO Guoyu(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guizhou Normal University,Guiyang 550025,China)Abstract:Virtual simulation practice teaching platform has strong interaction,immersion,simulation,can effectively stimulate students interest in learning,so as to achieve
4、the teaching purpose of promoting reality by virtual,virtual and real combination.In order to make up for the problems such as slow equipment update,small quantity and easy to be restricted by space in the practice teaching of traditional automobile chassis construction,a virtual disassembly and ass
5、embly practice teaching platform based on Unity3D software is developed by using virtual simulation practice teaching method to assist real practice teaching.Based on the requirements of real practice teaching,the platform sets up multiple teaching modules,which helps to improve the teaching efficie
6、ncy and reduce the cost of practice teaching.Keywords:automobile chassis construction;Virtual Reality;practice teaching platform;Unity3D0 引 言近几年,我国对经济发展提出了更高的要求,科技创新上升到了一个新的高度,机械产业的发展愈加精细化、复杂化。为达到机械自动化生产的目的,培养从业人员对高校中各种机械相关知识学以致用的能力,计算机技术与机械专业教育培训高度融合1。虚拟现实技术(简称 VR)有着独特的沉浸性和交互性特点,是被广泛应用的计算机技术之一。在国家政
7、策及行业发展的推动下,虚拟现实技术在机械设计、生产、培训等多方面得以研究和应用,不仅帮助行业生产降低了成本、缩短了设计周期,还为企业生产营造出了安全可靠的生产环境2,3。高校作为培养从业人才的摇篮,也在大力发展虚拟教学来弥补传统教学的不足。许多高校研究人员结合课程需要开发了一系列基于虚拟现实技术的实践DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.008教学系统,投入使用后取得了良好的效果4-6。汽修专业的虚拟教学研究涵盖了汽车整车构造虚拟拆装实训和汽车局部系统虚拟实验教学两方面,例如徐劲力在增强现实环境下对汽车后桥虚拟拆卸系统的完善7、王建华针对汽车整车构造教学的虚拟拆装
8、实训平台的研究等8。汽车底盘构造实践教学是高校汽修专业的重要教学环节,其中包含了传动系、行驶系、转向系和制动系四大部分的结构拆装与维修,有着结构复杂、零部件多、更新快、不同类型的汽车底盘结构不尽相同等特点9。而传统的汽车底盘构造实践教学很难保证有足够多的新式教具,并且教学过程中操作稍有不当便会造成教具磨损和丢失。此外,当前正处在后疫情时代,实践教学这一类受空间限制的课程受到严重影响,导致理论教学与实践教学严重脱节10。因此,将虚拟现实技术应用到汽车底盘构造拆装与维修实践教学中,继续运用虚拟现实技术克服实践教学的不足十分有必要。本文基于 Unity3D、SolidWorks、3Ds Max 等软
9、件搭建虚拟拆装的实践教学平台,利用 C#编程和现代信息科技8月下16期.indd 34现代信息科技8月下16期.indd 342023/8/15 17:38:032023/8/15 17:38:0335352023.082023.08第 16 期XDreamer 插件实现平台的层级跳转、动态交互以及主要功能逻辑控制。具有虚拟仿真效果的实践教学平台可与现实实践教学相结合,彼此互补,不仅可扩大实践教学的受众范围、提升教学的精准性,还可让学生不受时间和空间限制自主学习,重复操作,能有效培养学生的学习自主性。1 汽车底盘构造典型结构分析和运作原理平台以汽车底盘制动系统中的车轮制动器为对象进行案例开发。
10、车轮制动器是制动系统产生制动力、阻碍车轮运动或运动趋势的部件,主要有盘式制动器和鼓式制动器两大类。为让教学内容贴近行业发展,盘式制动器选取奥迪 S6 前轮制动器,其为固定式六活塞卡钳+通风盘的组合结构。鼓式制动器以东风牌EQ3092FJ自卸车的后轮领从蹄式制动器为例。两种典型制动器的结构及运作原理如图 1 所示。(a)盘式制动器运作原理(b)鼓式制动器运作原理图 1 车轮制动器结构组成与运行原理盘式制动器主要由制动盘、卡钳和制动块组成。制动盘是盘式制动器的旋转部件,通过螺栓与轮毂相连,与轮毂同步旋转。卡钳是执行制动的核心装置,制动总泵传递来的液压力经过卡钳转换为机械作用力。在液压力的作用下,活
11、塞推动制动块夹紧制动盘,从而产生制动力完成制动。鼓式制动器主要由制动蹄和制动鼓组成。制动鼓是鼓式制动器的旋转部件,内侧与轮毂相连,与轮毂同步旋转。制动总泵传送到分泵的制动液压力使制动蹄片张开压紧在旋转的制动鼓上,制动蹄片与鼓之间产生的摩擦力使制动鼓和车轮减速直至停止转动。2 平台总体方案设计及开发流程2.1 总体方案设计开发虚拟拆装实践教学平台主要用于辅助现实实践教学,作为现实教学的补充。因此,在参考汽车底盘构造拆装与维修实践教学的教学要求和课程标准后,系统中设置了制动器认知学习、虚拟拆装演示、手动拆装练习、制动器维修与检测知识学习和虚拟拆装考试模块。模块间的顺序参照实际的拆装教学顺序和学生的
12、认知特点设置,并添加了简洁明了的操作界面和交互功能。2.1.1 制动器认知学习模块认知学习模块的目的是加深学生对制动器结构的理解,掌握不同类型制动器的运行原理和应用范围。该模块使用 UI 文字对制动器的运行原理进行解释说明,并通过动画的形式仿真出两种车轮制动器的内部运作情况。在模块的界面中设置“制动”和“松开”按钮,学生可通过鼠标点击按钮实现对制动器运行动画的控制。此外,为让学生能 360 旋转观察制动器的内部结构,将车轮及制动器的外壳等部分结构添加了透明材质。功能效果如图 2 所示。图 2 制动器认知学习模块2.1.2 虚拟拆装学习模块虚拟拆装演示功能可代替教师的示范教学,手动拆装练习功能可
13、以帮助学生掌握拆装步骤、拆装流程,虚拟拆装考试模块可快速检验学生对制动器拆装学习的掌握情况。针对这些实践操作模块,模韩粤华,等:面向汽车底盘构造教学的虚拟拆装实践教学平台开发现代信息科技8月下16期.indd 35现代信息科技8月下16期.indd 352023/8/15 17:38:042023/8/15 17:38:043636第 16 期现代信息科技2023.082023.08块界面中设置了拆装步骤列表、拆装演示进度条、拆装考试答题列表、工具栏和提示栏等。学生通过拖动或点击模型来进行拆装练习,根据拆装步骤需要选择工具辅助拆装,并可通过鼠标点击提示栏按钮来帮助完成练习和考试,增强了虚拟拆装
14、的交互性和便利性。此外,在拆装考试模块中还提供了答题、跳过和计分等功能,学生每完成一个步骤的正确操作,便做计分处理,最后根据累计计分得出学生的拆装考试成绩。此部分效果如图 3、图 4、图 5 所示。图 3 自动拆装演示模块图 4 手动拆装练习模块图 5 拆装考试模块2.1.3 制动器维修与检测知识学习模块车轮制动器的检测和维修主要针对制动盘厚度磨损、摩擦片磨损等方面。对于制动器常见维修知识点,在三维模型中将制动盘、摩擦片等零部件添加三维标注点进行标记,学生点击标记点便会弹出相应的维修知识,以此来完成对车轮制动器的检测和维修知识点的学习。维修与检测知识学习模块界面如图 6 所示。图 6 维修与检
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