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基于PRO/E的三维建模在企业教育中的应用研究

发表时间：2021/5/21 来源：《基层建设》2020年第35期作者：孙大鹏

[导读] 摘要：通过对PRO/E三维建模技术、动画制作技术、多媒体应用技术的融合，开发适用于企业员工培训的动画教程，为企业培训系统提供更加简单、有效的培训思路和方法。

        济南热力集团有限公司山东济南 250101
        摘要：通过对PRO/E三维建模技术、动画制作技术、多媒体应用技术的融合，开发适用于企业员工培训的动画教程，为企业培训系统提供更加简单、有效的培训思路和方法。
        关键词：PRO/E三维建模；动画技术；多媒体技术；员工教育培训
        1．前言
        连续生产型企业对生产设备状态的要求越来越高，员工的操作能力和检修维修水平关系到设备运行的连续性和高效性。受生产企业不同实际情况的制约，在员工检维修技能提升发展方面或多或少存在一些问题，主要表现在以下几个方面：
        1.1 学习的局限性
        对于长期连续运转设备，其整体拆解、大修机会有限，系统学习具有相当的局限性。同时，企业学习材料多以平面材料为主，学习不直观，对于部分职工，门槛较高、入门困难，造成精湛的检修技术和丰富的检修经验均积累在少数人身上，不能得到广泛的传播，员工成才时间较长。
        1.2 技术传承的单一性
        设备检维修技术、经验培训方式有限、传递形式单一，尚未形成有效、完备的教学实践资源和系统的教学培训方式，部分企业仍以老师带徒、口口相传的传统的教育方法，造成宝贵的检修技术经验不断流失，人才培养、检修文化传承出现断层。
        本文另辟蹊径，创新的将3D图形的直观性、动画技术的易懂性以及多媒体教学的交互性融合在一起，为企业提供了简单、高效的培训教学方法。
        2.PRO/E软件及其应用特点
        Pro/ENGINEER是国际市场上应用最为广泛的三维CAD软件之一。由于它强大的功能、全参数化的设计理念，被广泛应用于机械、汽车、航天、电子、家用电器和工程机械设计等领域中。将Pro/E软件作为企业教育材料编制素材辅助软件，具有以下特点：
        （1）学习软件入门时间短，通过书籍、网络可短时间内掌握Pro/E软件的建模方法，根据企业实际建立与实物1：1的虚拟模型，使观看者能直观、方便地看到要表达的内容。
        （2）Pro/E内含Mechanism模块，专门处理机构的运动，可以使产品在计算机中运动，跟真实机械产品的运动完全一样，方便使学习者了解设备的运行原理。
        （3）Pro/E内含Design Animation模块，可通过对伺服电机、关键帧序列、方向视图、定时透明等工具的灵活运用，全方位展现设备的内部结构和拆解、安装方法。
        3．建模思路及步骤
        3.1 设备选型，积累原始数据
        （1）根据企业实际情况，将具有代表性的机械设备作为建模目标，收集设备检修拆装影像、数据等资料，对可以测量的零部件进行数据测量，对照现有图纸进行初步三维建模构思，形成影像、草图等可用于直接绘制三维图形的原始数据文件；
        （2）对以往设备的检修方法进行整理统计，包含使用的工具，检修数据及操作方法等，以文字、草图、影像的方式进行记录，分门别类进行存储，作为后期制作检修教学材料的参考资料；
        （3）对故障信息进行收集，按时间、现象、故障原因、判断过程等进行记录，形成故障判断的原始数据文件。
        3.2数据转换，形成基础模型
        （1）以第一阶段形成的数据文件为基础，使用Pro/E软件分步骤建立设备的三维零件，形成三维零件库。在建模过程中，不必严格要求各零部件的尺寸达到设计尺寸，只需表达各零部件之间的关系即可，以便于缩短建模时间。
        （2）使用Pro/E软件将形成的三维零件进行装配，调整结构、消除干涉，形成合理的、符合实际的设备总装配模型，作为动画制作输出的基础材料。
        3.3动画输出，制作多媒体教程
        （1）根据培训重点，编写教程目录和语音剧本，依据设备介绍及语音时间确定要表达的动画方位及动画时间。
        （2）编写动画剧本进行动画设计，完成表达设备型式和结构的动画演示；对运转机械设备的原理进行仿真动画制作，形成工作原理动画；对重要零部件结构进行细节表达，形成表达检修方法和检修数据的动画文件。
        （3）将动画文件输出成为常见的多媒体动画格式，将语音介绍和字幕通过多媒体制作，融合至各个动画文件中，形成标准、系统的教学视频。

        图1 离心式压缩机箱体模型图    图2 离心式压缩机叶轮模型图
        4.应用实例
        4.1 建立三维零件模型（以多轴离心式压缩机为例）
        以数据收集阶段形成的零件尺寸数据为基础，利用Pro/E软件，通过拉伸、扫描、剪切等命令，将零件的各个主要特征表达出来。
        建模顺序一般是先整体后部分，即先建立设备的支撑部件，然后建立依附于支撑部件的零部件，最终完成所有零部件建模。对于标准件，制作者可从网上下载标准件库，将使用的零件直接从标准件库中调出，修改参数后直接使用，以节省零件建模的时间。这也是pro/E软件参数化设计的一大优点。（如图1、2所示）
        4.2模拟组装
        零件建模完成后，进行整体装配。
        Pro/E软件为零件装配提供了两种方式，一种是约束装配，另一种是连接装配。约束装配模式不考虑机构的运动，但能在模拟拆解过程中对所有的零部件进行拆解，以便于更好的进行设备零部件表达；连接装配模式则能模拟现实中的机构连接，约束其自由度，进行与实际一样的仿真运动，便于读者更好的理解设备运行原理。两种装配方式各有优点，为了后期制作教程的全面表达，所以建立装配体时两种约束方法都应使用。
        按照零件实际的序列和位置，使用不同的约束条件分别建立两个不同的装配体，装配过程中检查调整各零件在建模过程中由于数据不准确而产生的干涉和不合理（如图3所示）。

        图3离心式压缩机装配实体图
        4.3制作动画文件
        使用Pro/E软件的Design Animation功能模块，进行动画的模拟制作。
        利用软件提供的“快照”和“关键帧序列”工具，制作设备的分解、组装动画；利用“定时视图”工具在特定的时间展现特定的设备观察角度；利用“定时透明”工具展现设备内部的各种结构；利用“伺服电机”工具模拟机构的仿真运动等。
        动画的表达方式取决于制作者想让学习者了解设备的哪些内容，通过在“时间线”上不断调整各关键帧和时间的关系，使动画更加合理、美观。
        通过对上述工具的组合应用，最后使用“回放”中的“捕获”功能，可以对生成的动画进行输出，Pro/E软件提供了Mpeg和Avi两种视频格式，应用中差别不大（如图4所示）。

        图4 生成动画文件界面
        4.4制作多媒体文件
        使用视频编辑软件对输出的动画进行再完善，将语音、字幕加入到动画中，形成完备的教学视频，通过对一系列教学视频的整合应用，形成企业在职工教育培训中具有特色、高效的教育资源（如图5所示）。

        图5 多媒体文件制作界面
        5.推广价值
        使用动画进行教学是近年来优秀的培训教育机构比较流行的教学方式，它具有学习直观、门槛低、效率高的特点，较广泛的受到学习人员的喜爱和推崇。但这种教育方式在生产型企业中并不多见，主要原因是企业中缺乏即有机械工程经验又懂三维绘图技术的人才，缺乏对教育方式的研究和应用。
        具有现场检修、管理经验的管理人员通过对Pro/E的学习，将经验和技术转化为能应用于企业教育的多媒体资源，是对现代企业职工教育方式、方法的研究和拓展，更为丰富行业教育资源提供了有效的途径。最终形成的教育资源既高度符合本企业的实际情况，又具有行业知识共享性，为社会推广提供了有利条件。
        参考文献：
        [1]林清安，完全精通Pro/ENGINEER野火5.0零件设计基础入门[M]，北京，电子工业出版社，2013.
        [2]徐国斌，Pro/ENGINEER在企业的实施与应用[M]，北京，机械工业出版社，2004.1.
        [3]齐从谦等，Pro/E野火5.0产品造型设计与机构运动仿真[M]，北京，中国电力出版社，2010.