虛擬實驗室機械設計論文

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1虛擬實驗室簡介

虛擬實驗是依托“虛擬現實”技術產生和發展的一種實驗模式，利用計算機及仿真軟件來模擬實驗環境及過程，學生通過計算機操作來做實驗，以代替或加強傳統的實物實驗。虛擬實驗一般通過虛擬實驗室進行。虛擬實驗室是由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統，包括虛擬實驗室環境、相關實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等，是一個基于網絡的實驗教學、技術交流、共同研究、協同工作的平臺。虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學的威廉•沃爾夫教授于1989年提出，被稱為“無墻的研究中心”。虛擬實驗室具有傳統實驗室無法比擬的特點，如資源共享性、互動操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實驗設備購置經費和實驗學時。隨著虛擬實驗技術的成熟，虛擬實驗室在教育領域得到了越來越廣泛的應用［8］。

2機械設計虛擬實驗室

以“CAXA實體設計”和“CAXA－EB”軟件系統為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發了機械設計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環境和二維虛擬實驗環境，可進行機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機械設計虛擬實驗。學員可利用虛擬實驗室進行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機械設計虛擬實驗室由服務器端核心處理模塊、客戶端實時運算模塊、用戶管理模塊、機構庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機構庫包含40多個常用機構，零件庫包含80多個常用零件，標準符號庫由100多個常用標準符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機械設計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學應用表明，機械設計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴展了原有實驗內容，增加了機構改進設計、軸的設計、連桿機構的設計等綜合性和設計性實驗，并且實驗室為開放性環境，實驗內容還可根據需要繼續擴充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學的有力補充，連桿機構的基本形式和演化等實驗內容對進一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進行一些實物實驗很難實現的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統的范成儀只能加工兩種參數的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設置加工參數。又如軸的設計實驗，可實時設計、實時修改，并及時觀測設計結果。虛擬實驗室有效拓展了課內實驗的時間和空間，在提高課程教學效果和實驗教學質量及培養學生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。

3虛擬實驗室在課程教學中的作用

機械設計虛擬實驗室具備強大的模擬實驗和相關輔助功能，對課程教學和能力培養具有非常重要的作用。

3．1有效拓展課程實驗內容，集實驗和輔助學習功能為一體

機械設計虛擬實驗室不僅可完成機構運動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統實驗內容，還增加了機構組成原理、連桿機構的應用和設計、凸輪設計、周轉輪系的應用、軸的設計、齒輪傳動等新的實驗，拓展了實驗內容。所開發的11個實驗既有傳統的基礎性、驗證性實驗，如機構運動簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設計性實驗，如齒輪范成原理、軸的設計、凸輪設計等。學員不僅可以通過虛擬環境完成實驗操作和設計，提高機械設計能力，還可利用實驗項目復習鞏固課堂所學知識，加深對知識的理解。例如連桿機構的型式和演化實驗，學員可通過實驗環境設置機構的桿長參數和機架，根據課堂知識判斷該機構的型式，再利用虛擬實驗室驗證自己的判斷，使知識得以鞏固和加深。機械設計虛擬實驗室將數值分析算法應用到實驗開發中，形象地描述了在傳統實驗中很難實現的實驗，實現了實驗內容的創新。例如齒廓范成實驗，傳統實驗使用齒廓范成儀進行，一般每種范成儀只能范成同一參數(模數、壓力角等)、兩種齒數的齒輪，而在機械設計虛擬實驗室中學員可任意設置齒輪的齒數和模數等參數(見圖2)，觀察各種參數的漸開線齒廓的形成過程和齒廓特點，擴展了設計性實驗的內容。圖3為利用機械設計虛擬實驗室進行漸開線齒廓的范成加工。

3．2構建三維虛擬實驗環境，實現三維動態仿真和創新設計功能

機械設計虛擬實驗室構建了機構模型庫和零件庫，包含多個常用機構和通用零件，常用機構具有仿真動畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學員在進行實驗時可隨時調用，也可隨時運行觀察其運動以進行組成和運動分析。如圖4所示即為機構庫中的飛機起落架機構模型，學員可在三維實驗環境中觀察其組成和運動情況，或對其進行運動尺寸測繪，在二維環境中繪制其機構運動簡圖，這是機械設計基礎課程的一個傳統實驗。機械虛擬實驗室的零件庫包含軸、齒輪、軸承等80多種常用零件，學員在進行設計性實驗時可隨時調用，同時還可在原模型的基礎上進行實時修改，以用于所設計的機構。如圖5所示為對設計的階梯軸進行結構修改。這樣使學員既有很強的感性認識，又鍛煉了其設計能力，為基于想象的開放性創意設計提供了虛擬實現的平臺，拓展了學員的創造空間。

3．3實驗操作方便，相關功能完善

機械設計虛擬實驗室具有可視化的實驗界面，交互功能強大，實驗操作簡單，實驗結果直觀。每個實驗都有詳細的實驗指導，進行基礎性、驗證性實驗時在實驗界面上及時提示后續的操作步驟，操作不正確時系統會給出提示。如減速器拆裝實驗，要求能按正確的順序將減速器進行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統會出現警告，并提示正確的操作。機械設計虛擬實驗室具有在線幫助功能，學員在實驗操作中可隨時查閱實驗目的、內容和實驗步驟等。另外，在每個實驗完成后可在虛擬實驗室中方便地撰寫、修改實驗報告，并進行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實驗室中檢查、批改學生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學員。

4結束語

與實物實驗相比，虛擬實驗室具有虛擬性、實踐性、靈活性、多樣性等特征，它可以避免因實驗設備、實驗場地、教學經費投入不夠等原因導致實驗無法開設，使學生有機會完成更多的實驗，獲得與實物實驗一樣的體會和鍛煉，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。虛擬實驗室可以在校園網上，學員可以在任一終端訪問、登錄，進行相應的實驗，并撰寫實驗報告，大大拓展了實驗的時間和空間，節省了課上實驗時間，增加了學員的實驗內容。實踐證明，虛擬實驗室不僅有助于學員加深對課堂教學內容的理解、擴展課內實驗的內容，拓展實驗的時間和空間，并且為學員的創造性思維提供了實現的平臺，與實物實驗相結合，使學員受到良好的工程實踐鍛煉，對于提高其實踐能力和創新設計能力，培養綜合素質，起到了很好的作用。隨著相關技術的日益發展，虛擬實驗室將在課程教學和實驗教學中起到越來越重要的作用。

作者：李志尊王克印劉紅寧孟秋紅工作單位：石家莊軍械工程學院車輛與電氣工程系