基于ActionScript技术的马自达6发动机虚拟仿真拆装实训系统的开发研究毕业设计.docx
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基于ActionScript技术的马自达6发动机虚拟仿真拆装实训系统的开发研究毕业设计
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基于ActionScript技术的马自达6发动机虚拟仿真拆装实训系统的开发研究
Mazda6L5enginestudyofvirtualassemblysystembasedonActionScript
作者姓名：
孙科
专业：
汽车运用工程
所在学院：
吉林大学交通学院
指导教师姓名：
李文军
摘要
随着计算机仿真技术的不断发展和完善，开发仿真教学软件进行职业教育和职业培训，辅助教学硬件，不仅能够大幅降低培训鉴定成本，更能达到良好教学效果。
本论文结合当今先进的计算机虚拟仿真技术，以flash交互技术为基础搭建了一套发动机虚拟实训装配系统，学员可以在计算机上模拟汽车拆卸和装配的相关操作。
本文以虚拟装配技术理论为基础，以马自达6搭配的L5发动机为研究对象，进行了发动机零件虚拟建模、建立零件库和发动机虚拟仿真装配等一系列的研究活动。
基于发动机虚拟仿真装配通过建立数字化装配模型代替传统设计中的物理样机，这有利于对发动机结构和装配过程进行分析并进行合理优化。
设计人员通过虚拟仿真装配系统可以优化装配流程，提高实际装配效率。
关键词：
发动机，虚拟装配，flash交互，模拟仿真
第一章绪论
1.1虚拟现实技术及虚拟实训
在现代仿真领域中,一个新兴的有强大生命力的分支学科—虚拟现实技术正在引起研究人员的热情关注虚拟现实技术，又称作灵境技术或人工环境。
以计算机为媒介，模拟产生一个能够使用户沉浸在其中的三维虚拟世界，在这个虚拟环境中使用者可以体验视觉、听觉、触觉和力学等感官感受，还可以无限制地观察、操作空间内的物体。
虚拟仿真系统实际上是一种在一定程度上可以借助相应的计算机软件对工业产品进行创享设计或者让相关人员亲身体会虚拟世界（VirtualWorld）的计算机系统；它是计算机图形学、立体显示技术、多媒体技术、人机接口技术、计算机视觉、视觉生理学、网络技术及人工智能技术、仿真技术、微电子技术、传感与测量技术、软件工程等多种交叉学科有机结合，相互渗透贯穿形成的一种现代化，信息化设计技术平台。
虚拟仿真技术面对的对象可以是现实世界物体，技术，规律的，也可以是构思中的物体，技术，规律。
它以仿真的方式给虚拟系统使用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的二维，三维或多维虚拟世界。
虚拟实训是使用虚拟现实技术在计算机创建的一种可以完全或部分代替真实实训各种操作的模拟环境，学生进入虚拟环境后，可以进行各种实验、实训操作，了解实验原理、实验步骤，或者锻炼操作技能。
虚拟实训不仅有效缓解高职院校在实训经费等方面面临的困难和压力而且可以突破传统实训的各种限制，让学生可以安全、自由地在网上进入虚拟实训室，反复完成各种操作实训，能极大提高实训教学效率和质量。
虚拟现实技术原理
1.2虚拟现实技术的发展历程
十九世纪末和二十世纪初期,电话和电视的发明可以认为是与虚拟现实有某些联系的早期成果。
随后,包括音频、视频技术的电子学尤其是计算机技术的发展则为虚拟现实的发展奠定了牢固的基础。
1929年，Edwinlink发明了一种竞赛乘坐器，它使得乘坐者有一种在飞机中飞行的感觉，后发展成为飞行模拟器，用以训练飞行员。
飞行模拟器由于具有安全、节省经费、训练效率高等优越性,越来越受到人们的重视。
当人类进入太空时代,技术更新、更复杂的航天飞行模拟器也应运而生.这类飞行模拟器可以看作是虚拟现实技术的先驱或鼻祖。
60年代，Mortorheiling研制的senserrama街道模拟器是虚拟现实的另一先驱,它集视觉、声音、运动、味觉于一体,使用户如同乘坐摩托车穿过街道的真实感觉一样
虚拟现实的概念真正提出和开始研究则可追溯到1965年。
IvanSutd在1965年设计了一种头盔式图形显示器，它可以跟踪使甩者的头部位置，为用户呈现由图形构成的模拟视景,并根据用户头部运动改变观察点,使用户有身临其境的感觉
1967年在FrederiekBooks的指导下，美国北卡罗纳大学开始了Grope计划,以探讨力的反馈，并可使计算机控制设备产生一种使用户感受的“仿真”力
1972年,NolanBushnel开始了一种称为Pong的电子游戏，允许玩游戏的人在电视屏幕上控制一个弹跳的乒乓球，实现了交互性
80年代中期，美国宇航局（NASA）的阿姆斯（Ames）研究中心利用流行的液晶显示电视和其它设备开始研制低成本的虚拟现实系统，这对于虚拟现实软硬件研制的公司是一个很大的推动
90年代，虚拟现实开始向实用迈进。
NASA利用VR系统训练航天员进行哈勃望远镜的修复工作，还进行了“虚拟风洞”的应用研究。
同时，欧空局ESA研制了一个用于舱外活动（EVA）创11练的VR公11练器
许多公司（如Evans&Sutherland,SGI、VPLReseareh等公司）开始研制商品化的VR产品，一些科研机构和商务部门（如美国的北卡罗纳大学、华盛顿大学、麻省理工学院；日本的国际贸易和工业部等）也开始投入大量的人力物力开展VR技术基础和应用研究
1.3虚拟现实技术的技术特征
与传统的设计相比，虚拟现实技术具有很多突出性的优点，比如高度集成、快速成型及分布合作等，可以很好地迎合当前市场迅速发展的需求，更有利于提高市场的竞争力，具有下面的主要特征：
1、交互性（Interactivity）
交互性是指使用者对模拟环境中的物体的操纵性，可以通过使用一些专用设备如头盔、鼠标等,达到对模拟环境的考察，同时从模拟环境中得到反馈。
举个最简单的例子，使用者通过对鼠标的操作实现对模拟环境的操控，加之以特定的音效，便会真切的感受到模拟环境的存在感与真实感。
2、构想性（Imagination）
这一特性使得用户可以有广阔的想象空间，不仅可以真实再现现实的世界，甚至可以超于客观环境所能达到的宽度，虚拟现实技术给人们的无限构想提供了条件。
3、沉浸感（Immersion）
沉浸感又称临场感，通过对真实环境与虚拟环境间的差距进行虚化，使用户全身心地投入到其中，在听觉、触觉、视觉、味觉和嗅觉等方面拥有同现实生活中相同的感觉。
4、多媒体集成性（Multi一Media）
虚拟现实技术可以通过3DMAX建模实体、声音以及各种Flash动画等多媒体形式展现想要表达的现实场景，还可以通过内嵌Java等脚本语言对动画及界面进行控制。
由于其丰富实用的多媒体技术，虚拟现实技术便变得更为实用，更为简单易操作。
1.4虚拟现实的现状和发展趋势
虽然虚拟现实这门新技术是最近几年才发展起来的，但是经过国内外许多专家的共同研究开发，该技术在短时间内发展迅速，目前在多个领域都得到了广泛运用。
虚拟现实技术以其独特且显著的特征获得了广泛的认可,通过虚拟模拟境，用户可以沉浸其中，并充分的进行人机交互。
虚拟现实技术可以通过技术手段模拟并构造出当前不存在的人类环境，它不仅丰富、增强了真实环境，同时可以代替并模拟出耗费人力、物力及资源较多的真实环境，最终实现计算机虚拟与现实世界的结合。
美日等发达国家对其研究相对较早，取得了重大成果。
国内的研究也取得了一定的成果。
虚拟仿真技术在各产业之间的应用比例
1.5国外研究现状
美国是虚拟现实技术的发源地，美国虚拟现实技术水平基本上代表了国际水平。
目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。
现在NASA已经建立起了航空、虚拟现实防护卫星训练系统，空间站虚拟现实训练系统，甚至还建立了虚拟现实教育系统，供全国性的使用。
北卡罗来纳大学是进行虚拟现实研究最早的大学，主要研究分子仿真、航空建模等内容。
麻省理工在研究人工智能、机器人及计算机图形学和动画等方面成就显著。
1985年成立了专门的实验对虚拟坏境进行研究。
华盛顿大学的华盛顿技术中心主要研究虚拟现实技术在教育、娱乐、制造业中的运用。
伊利洛斯州立大学研制出在车辆设计中支持远程协作的分布式虚拟现实系统。
乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中流体实时仿真系统。
日本是在当前虚拟现实研究领域居于领先地位的国家之一，只要致力于建立大型的虚拟现实知识库，另外在虚拟现实的游戏方面也做了很多的研究。
如东京技术学院精密和智能实验室研究了一个用于建立三维模型的人性化界面。
NEC公司开发了一套操作者可用“代用手”处理三维CAD中形体模型的系统，京都的先进电信研究所正在开发用图像处理来识别手势和面部表情作为输入信息的系统，东京大学高科技研究中心将他们注意力放在了远程控制的方面，东京大学原岛研究室开展了3项研究：
人类面部表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取，筑波大学研究一些力反馈现实方法，开发了九个自由度的触觉输入器，虚拟行走原型系统。
富士通实验室有限公司正在研究虚拟生物与虚拟现实环境的相互作用。
欧洲的虚拟现实研究也一直位于世界领先地位，各个国家在此方面均有所长。
比如英国主要是在辅助设备（包括触觉反馈）设计、分布并行处理、应用研究方面，独占鳌头。
相比之下，英国ARRL公司则将研究实验重心放在远地呈现上，主要包括VR重构问题。
于此同时他们的产品还包括建筑和科学可视化计算。
其他科技强国也积极进行了VR的研究与应用。
瑞典的DIVE的异质分布式系统称为分布式虚拟交互环境，它是一个基于Unix的不同节点上的多个进程，却可以在同一世界中工作的系统。
荷兰海牙TNO研究所的物理电子实验室（TNO-PEL）所开发的训练和模拟系统，则是通过改进人机界面达到改善现有模拟系统，这样就能够使用户完全介入模拟环境。
德国工业工程研究所VR实验室较早地对基于VR技术的装配规划系统进行了研究与开发，德国大学人工智能与虚拟现实实验室将VR技术与人工智能技术相结合，建立了一个基于构造工具箱的概念虚拟装配系统。
比如德国制药企业将VR用于新药的开发；还有一些著名的汽车企业奔驰、宝马、大众等都使用了VR技术；如德国的大众公司采用仿真技术，开发研制虚拟设计系统,系统中包括人机交互装配的碰撞检测及计算机图像渲染等，他们对于三维交互技术在制造业的应用做出了探索，同时该系统使用三维的人机交互界面,这样较好地增强了系统的沉浸性。
1.6国内研究现状
和一些发达国家相比，我国虚拟现实技术还有一定的差距，但也取得了一定的成果。
北京航空航天大学计算机系是国内进行虚拟现实技术研究最早的单位之一，主要研究虚拟现实技术在飞行员训练和远程控制方面的应用。
浙江大学开发出了一套桌面型虚拟建筑坏境实时漫游系统。
哈尔滨工业大学已成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。
清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究。
西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术—立体现实技术进行了研究。
中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。
1.7本章小结
这一章主要介绍了虚拟现实技术的定义及其发展历程，虚拟实训技术的定义及其主要优势，虚拟现实技术的发展历程以及国内外研究现状等基本内容，以便读者能够大致了解虚拟现实技术并为后续章节合理引述虚拟现实技术提供基础。
第2章马自达L5发动机以及仿真装配实训系统分析
2.1马自达简介
MAZDA是日本最著名的汽车品牌之一，日本第四大汽车制造商，是世界著名汽车品牌，是世界上唯一研发和生产转子发动机的汽车公司。
马自达公司创立于1920年，1931年正式开始在广岛生产小型载货车，60年代初正式生产轿车，自1981年到2002年，马自达已累积生产了3,500多万辆各种汽车。
在九十年代之前，马自达汽车公司在日本国内排名仅在丰田、日产之后，也是世界知名的日本汽车品牌之一。
自2000年开始，马自达公司通过实施“新千年计划”，使公司的发展进入了一个新的阶段。
2002年开始，马自达公司先后推出了马自达6（MAZDA6）、马自达3（MAZDA3）、马自达2（MAZDA2）、马自达8（MAZDA8）、RX-8、Roadstar和CX-7等一系列新车型，在世界各地都取得了不俗的销售业绩。
马自达６汽车实物图
L5发动机简介
马自达6搭配的L5发动机排量为2.5L汽油发动机代替此前的2.3L发动机，最大输出功率达124kW，最大扭矩226Nm。
Mazda6重点在低转速区对发动机的性能做了提升：
这就意味着用户在实际驾驶中会明显感受到效果。
与许多车动辄在5000转才能发挥出最大扭矩相比，L5发动机在4000转左右就可以接近峰值输出。
在赛道上我们就可以明显感觉到了发动机在低转速的爆发力，油门的响应非常灵敏，在60-100km左右的加速非常敏捷，这在日常驾驶中的超车时非常实用。
发动机形式为2.5L排量，水冷直列4缸，DOHC16气门 ，最大功率124kw6000r ，最大扭矩226Nm4000 r。
L5汽车发动机在缸体的基础之上包括曲柄连杆机构、配气机构等五大系统两大机构，为提高汽车性能L5发动机在普通发动机的基础上还增加了车载诊断系统、充电系统、巡航控制系统、发动机控制系统等先进系统。
如图为L5发动机装配简图（两个不同角度展示）。
L5发动机零件的分类
众所周知，汽车发动机是一个包含上千零部件的复杂系统，各零件之间存在一定的内在联系。
无论在实际的发动机生产组装线还是在虚拟的计算机系统里边，要实现发动机的有序合理装配就必须对众零件进行合理化、规则化的管理分类，按相应的标准建立零件库是实现高效装配，科学设计装配工艺流程的基础。
为实现汽车产业的国际化与标准化，汽车零件的设计一般都会遵循以下三个原则，然后在三大原则的框架之下结合汽车型号与汽车生产厂家具体要求设计汽车零件。
（1）发动机零件设计标准化原则
在汽车行业乃至整个机械行业，我们会把具有类似结构、尺寸的零件进行标准化统一，执行国家标准或国际标准。
例如所有螺栓的标称直径、螺距、牙数甚至表面硬度、炭化层深度等都要执行相应的被国家标准，这类零件是标准化的零件。
（2）发动机零件设计的系列化原则
指在发动机零件的设计过程中应根据装配要求和发动机整体设计情况，按一定的设计准则优化制定零件系列，这便于在广泛的设计中采用不同系列的零件，也便于零件的批量生产。
（3）发动机零件设计的通用化原则
发动机零件设计的通用化原则主要是为了提高零件的互换性能，这是提高汽车的维修性能，降低装配复杂性的重要手段。
在L5发动机设计零件的过程中尽量将其采用的材料、零件结构形式、主要设计参数向标准化，系列化方面靠拢。
通用化零件的采用毋庸置疑能够优化设计方案，降低零件的设计成本，减少装配工具的种类和数量，简化装配流程，最终降低各环节的生产成本最大化创造社会效益。
在当今汽车大批量生产的背景下，“三化原则”框架下的汽车零件设计方法对节省企业运行成本，简化生产材料类型，加快整车设计进度有很重要的作用，故而“三化原则”基本上被所有汽车生产行业乃至制造业所接受。
在本文中，为了方便进行L5发动机的虚拟仿真装配，我将发动机零部件按标准件和非标准把所有零件分为两个大的类别。
在此之后再对所有发动机构成零件进行三维建模，并且同样按标准件库和非标准把所有零件库分别存贮，以便于在进行虚拟装配过程中调用。
L5发动机机械零件（非标准零件）明细列表（部分）
非标准零件
名称
零件在库中英文代码
数量
发动机端盖
Timing-cover
1
发动机气缸体
Block-v
1
曲轴
Crankshaft
1
进气凸轮轴
Exhaust
1
排气凸轮轴
intake
1
曲轴箱组合
Crankcase
1
定位销
Dowelpin
1
油底壳
Sump
1
垫圈
Washer
1
进气门座
intakevalve
8
排气门座
exhaustvalve
8
进气门导管
intakevalve
8
排气门导管
exhaustvalve
8
异形密封圈
abnormity
2
连杆
Connectingrod
4
活塞组合件
Pistonset
4
轴套
Sleeve
2
限位板
Limiter
4
进气（气门）摇臂
intakerockerarm
4
排气摇臂
exhaustrockerarm
4
…………
…………
…………
L5发动机机械零件（标准零件）明细列表（部分）
标准零件
名称
零件在库中英文代码
数量
油孔螺塞
Plug
1
定位销
Dowelpin
4
弹簧座
Seat,spring
16
弹簧
spring
16
密封圈
Gasket
2
放油螺塞
Drainplug
1
扭簧
Torsionspring
4
O形圈
O-ring
1
衬套
Bush
1
气缸头定位销
Dowelpin,cylinderhead
4
凸轮轴孔塞
Plug,camshafthole
8
油道垫圈
Washer,oilpassage
1
半圆键
Woodruffkey
1
连杆螺栓
Bolt,connectingrod
16
连杆螺母
Nut,connectingrod
16
轴承挡板
Stopper,bearing
2
压板螺钉
Screw,pressingplate
8
2.2发动机虚拟现实培训的需求分析
随着信息技术在教育领域的广泛运用，教育教学信息化已成为教育改革和发展的重要方向。
教育部教育信息管理中心发出关于推进全国教师信息技术培训项目”的培训计划通知，加强教师的信息技术培训、提高教师运用现代化教育技术的能力和水平已成为教师教育和培训的重要内容。
充分展示教育部对虚拟教学的重视。
而目前已超过600所院校采购了VRP虚拟现实平台和相关硬件产品，是目前国内市场占有率最高的虚拟现实平台软件。
有力的促进了院校在虚拟现实教学方面的工作。
在教育行业中，无论是学校还是学生，都能享受虚拟现实带给我们的新时代。
国内汽车保有量的大幅度的增长，汽修行业每年都需要增加几十万的汽修人员，他们不仅要有扎实的专业知识、熟练的专业技能，同时还要能独立的使用故障诊断设备，对汽车的故障进行拆装、维修。
由于培训汽修人员的过程会耗费很多的资源，传统的技能教授方式已经不能满足需求，发动机虚拟现实的开发在一定程度上会缓解这种教学压力。
计算机技术的不断进步，使得虚拟现实技术的发展故障诊断演示更为真实，学习者可以通过音效、视觉效果，更生动的体会到装配过程的乐趣，这样比单纯的说理更易让人接受。
该虚拟现实系统对传统装配模式逼真模拟，通过计算机技术的应用，使得操作者可以进行简单的人机交，最终实现发动机拆装过程的教学。
同时，该虚拟现实系统将Catia、3DMax、ActionScript3.0和C语言技术配合使用，目前这四者的结合在虚拟装配方面的应用并不是很广泛，所以该虚拟现实系统的开发具有一定的现实意义。
2.2发动机虚拟仿真装配
当今世界，汽车发动机种类成千上万，每个汽车生产企业生产的发动机拥有的技术和功能也千差万别，但不管是单缸发动机还是多缸发动机，不管是汽油机才是柴油机，也不管发动机的排量扭距等技术参数如何变化，结构如何创新，发动机最终进行虚拟装配的方式方法却并不多。
不同企业结合自身实际情况和发动机设计自造要求，会选择一套适合的虚拟装配方案，自此，笔者简单罗列出当前全球汽车生厂商常采用的一些方案，并作出了简要描述。
虚拟装配类型
具体内容
简述
以设计为中心的虚拟仿真装配（Design-Centered
Virtual Assembly）
面向装配的设计
为了从设计角度确保发动机的可装配性，在发动机的设计开始阶段就把发动机的设计与发动机结构优化紧密结合，为高效合理的装配生产打下基础。
自顶向下并行设计
强调在发动机的概念设计阶段就考虑到发动机的装配的可行性，乃至汽车整个生命周期中维修等各方面的便捷性，尽可能减少差错与不合理的设计。
与主模型相关的可装配性设计
以不同阶段装配的MasterModel为核心，尽量减少零部件的数量和种类，使零部件标准化、模块化，同时保证装配数据同步更新，便于不同分工的部门协调工作。
以过程控制为中心的虚拟装配（Process-CenteredVirtualAssembly）
实现对发动机总体设计进程的控制
对建立主模型空间，完成发动机结构系统总布局的总体设计阶段；确定装配区域装配层次以及几何约束的装配设计阶段；完善发动机设计，进行干涉检验的详细设计阶段这三个阶段进行合理调配，加以科学控制。
实现对发动机研发生产的过程控制管理
对包括发动机开发的过程描述过程间协作等方面的管理，实现对发动机设计结果和装配工艺流程等相关信息的有效管理，从而使发动机研发与生产过程更加优化。
以仿真为中心的虚拟仿真装配（
Simulate-Centered
VirtualAssembly）
优化发动机装配过程
基于CATIA系统的虚拟仿真装配可以根据需求把装配分配为多个装配的单元，分工合作，加强同步性能，节约时间。
同时能够最大程度优化装配工艺流程。
对发动机的装配性能作出评价
在虚拟环境中就可以多发动机结构设计和装配性能作出评价，可计算实际装配时的耗费，从而为寻求更加合理的设计和装配手段提供基础。
本系统采用以仿真为中心的虚拟仿真装配，在此基础上添加教学部分与学习检验部分作为本文所要开发的发动机仿真装配虚拟实训系统。
基于L5发动机系统的复杂性，我们在发动机总装的时候选择自下而上的方法，这很好解决发动机虚拟装配阶段并行性的问题。
每一个不同的小组可以自由组装，完成特定系统或标准模块的虚拟装配任务，彼此在共享资源和实时更新数据的基础上互不干涉。
最后，在概念设计完成的末期，依托总的布局方案，将已经分工完成的子装配体和标准模块进行最终的装配，整合。
每个相对独立的小组在完成子系统和特定模块的装配任务时需要建立在“关联性设计”的基础之上。
这就需要运用到自上而下的装配方法。
一个零部件的设计和安装不能够脱离整个发动机的装配环境，必需要结合实际情况，参考同一系统或装配空间中相邻的零部件的实际情况，，故而，采取自上而下统筹兼顾的装配手段，在完成L5发动机子系统和特定模块的装配时能够起到至关重要的作用。
本文结合考虑到L5发动机构造的复杂性，在充分满足发动机虚拟装配的完整性要求、层次性要求、开放性要求的基础上，提出了如图所示的装配工艺层次模型。
在所示的装配工艺层次的基础之上，结合L5发动自身系统组成，笔者简要归纳出了L5发动机装配工艺结构如下图所示。
...
...
...
...
...
2.3发动机虚拟现实系统开发思路
此系统主要功能为教学和虚拟拆装实训，以及考量实训结果，给予评价和相应的学习指导。
教学部分考虑到教学的趣味性和学生学习的积极性，本系统采用视频动画教学方案，学生在观看动画的同时，学习发动机拆装的知识，一定程度上把视频资料和学习文本结合，不仅有利于教学质量的提高，改善俗套的教学方式，还对学生学习的积极性起到了很大的促进。
接受性学习一般来说学习效率较低，理论化也高，考虑到这一点，本文采用理论结合实际的方法，让学生在学习的过程中不仅动脑而且动手，主动参与到学习拆装的过程中，亲身体会
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