裝備認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

吳緯緯 范建蓓 蔡娥 單巖

【摘要】針對裝備結(jié)構(gòu)認(rèn)知教學(xué)的特點(diǎn),利用PowerBuilder、VC++工具,以及SQL server數(shù)據(jù)庫技術(shù),基于UG NX5.0設(shè)計(jì)開發(fā)了一套機(jī)械裝備認(rèn)知學(xué)習(xí)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該虛擬實(shí)驗(yàn)室采用可交互的三維動(dòng)畫形式,真實(shí)地反映裝備的拆裝和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程,并以三維模型和知識點(diǎn)相結(jié)合的方式,直觀生動(dòng)地展示裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識,大大提高了教學(xué)效率和效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)室;裝備認(rèn)知;交互拆裝

引言

實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)在高校機(jī)械類課程教學(xué)中扮演著非常重要的角色[1]。隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的不斷發(fā)展,高校教學(xué)手段的不斷提高,傳統(tǒng)實(shí)物拆裝實(shí)驗(yàn)的缺陷日益突出:1)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞒杀靖?2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)功能局限性大;3)教學(xué)效果受時(shí)間、場地、設(shè)備數(shù)量等的限制;4)品種有限,更新困難;5)教學(xué)管理成本高;6)實(shí)驗(yàn)安全隱患大等。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為虛擬實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展提供了有力的條件,目前國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)對虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)做了大量的工作,但是面向機(jī)械裝備設(shè)計(jì)方面的虛擬實(shí)驗(yàn)室研究尚少[2] [4] 。

針對上述問題,我們設(shè)計(jì)開發(fā)了“裝備結(jié)構(gòu)認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”(以下簡稱“虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”),不僅彌補(bǔ)了上述不足,而且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)可以自主查閱相關(guān)理論知識,克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論知識脫節(jié)的弊端。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于模具拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

一 虛擬實(shí)驗(yàn)室概述

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合壓縮機(jī)、減速器、模具等機(jī)械裝備設(shè)計(jì)的教學(xué)思路,利用三維造型、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、可視化仿真、人機(jī)交互等計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),開發(fā)了裝備基本結(jié)構(gòu)、裝備典型結(jié)構(gòu)、裝備實(shí)例等虛擬實(shí)驗(yàn)室,每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都包含裝備結(jié)構(gòu)認(rèn)知、拆裝實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)仿真三大實(shí)驗(yàn)?zāi)K。同時(shí),系統(tǒng)開發(fā)了一套完整的知識庫管理平臺(tái),有效地虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù),保證虛擬實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

二 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)

按照使用層次不同,本文開發(fā)了面向教師的管理級系統(tǒng)和面向?qū)W生的用戶級系統(tǒng)。

面向教師的管理級系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)裝備數(shù)據(jù)、知識等的維護(hù)和管理。主要功能包括新實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)充和知識管理兩大部分。教師可以利用系統(tǒng)提供的工具,不斷增加虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,比如實(shí)例擴(kuò)充;可以在知識庫管理平臺(tái)上管理和維護(hù)所有實(shí)驗(yàn)相關(guān)的三維數(shù)模和理論知識,建立數(shù)模與知識的邏輯對應(yīng)關(guān)系;

面向?qū)W生的終端用戶級系統(tǒng),即虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),運(yùn)行于3D設(shè)計(jì)軟件UG NX 5.0環(huán)境下。在此系統(tǒng)中,學(xué)生可以全方位、多角度查看裝備的結(jié)構(gòu)、查詢相關(guān)理論知識;可以觀看裝備的自動(dòng)拆裝過程,也可以進(jìn)行自主拆裝實(shí)驗(yàn);還可查看裝備的運(yùn)動(dòng)仿真情況。系統(tǒng)使用時(shí)的情況如圖 1所示。

圖 1

2系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

教師管理級系統(tǒng)以SQL Server為數(shù)據(jù)庫平臺(tái),用PowerBuilder軟件開發(fā)。學(xué)生端用戶系統(tǒng)基于UG API二次開發(fā)技術(shù),采用VC++語言開發(fā)[5]。

三 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 知識庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

教師管理級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對裝備結(jié)構(gòu)知識、3D模型數(shù)據(jù)的維護(hù)管理,以保證虛擬實(shí)驗(yàn)室的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。教師端管理系統(tǒng)主要由裝備結(jié)構(gòu)管理、裝備實(shí)例管理兩大功能模塊組成,如圖 2所示。

圖 2

裝備結(jié)構(gòu)管理模塊,又包含了三大功能:裝備分類管理、零件模型管理和裝備知識管理。

(1)“裝備分類管理”提供了設(shè)計(jì)裝備分類和裝備結(jié)構(gòu)的工具。即教師可以根據(jù)所需教學(xué)的裝備特點(diǎn)自主設(shè)計(jì)裝備的結(jié)構(gòu)信息,對裝備的知識結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行搭建。

(2)“裝備知識管理”是對裝備設(shè)計(jì)需用零部件的基本知識的管理。根據(jù)“裝備分類管理”中得到的裝備的知識框架,利用該工具,錄入裝備本身、其組成部分,以及其單個(gè)零部件的名稱、定義、示意圖和設(shè)計(jì)原則等信息。

(3)“零件模型管理”是對組成裝備的零部件模型的管理。同樣根據(jù)已構(gòu)建的裝備知識組成框架,利用該工具,在裝備本身、其組成部分,以及對應(yīng)的零部件處錄入相應(yīng)的3D模型。

裝備實(shí)例管理模塊的三大部分功能是:基本裝備管理、典型裝備管理和裝備實(shí)例管理。該模塊的功能是對各具體裝備模型進(jìn)行管理。用戶可以根據(jù)定義好的裝備框架對具體的零部件歸類,并指定零部件所屬的標(biāo)準(zhǔn)框架,以供學(xué)生用戶方便的調(diào)出相關(guān)零部件的相關(guān)知識。

以模具實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理為例,“裝備結(jié)構(gòu)管理”可以定義模具知識的框架,由模具類型(如注塑模、吹塑模等)、標(biāo)準(zhǔn)組成部分(如澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)等),以及各部分的組成零部件(如定位圈、澆口套、冷卻水管、喉塞、頂桿等)以“樹”的形式構(gòu)建。同時(shí),可以在“樹”的節(jié)點(diǎn)處錄入對應(yīng)零部件知識要點(diǎn),并放入零部件的三維模型路徑,以支持學(xué)生在知識認(rèn)知中更直觀的學(xué)習(xí)。

“裝備實(shí)例管理”主要是對具體模具3D模型的管理,允許用戶放入基本模具、典型模具和模具實(shí)例的多副數(shù)模,并對數(shù)模中的零部件與標(biāo)準(zhǔn)框架中的零部件進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián),以保證學(xué)生可以對“模具實(shí)例”中的任意零件進(jìn)行知識索引操作。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)主要針對終端學(xué)生用戶,依據(jù)裝備設(shè)計(jì)教學(xué)思路,以基本結(jié)構(gòu)、典型結(jié)構(gòu)和裝備實(shí)例為教學(xué)入口,由具體的裝備3D模型開展教學(xué),進(jìn)入該系統(tǒng)的核心——三個(gè)實(shí)驗(yàn)室:結(jié)構(gòu)知識實(shí)驗(yàn)室、裝配實(shí)驗(yàn)室、仿真實(shí)驗(yàn)室。實(shí)現(xiàn)后終端用戶的操作流程如圖3所示。

(1) 結(jié)構(gòu)知識實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該實(shí)驗(yàn)室主要解決學(xué)生對裝備認(rèn)知的問題。學(xué)生用戶通過UG NX進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,打開基本結(jié)構(gòu)、典型結(jié)構(gòu)或裝備實(shí)例中的任意一套裝備數(shù)模?？梢栽跀?shù)模窗口中查看任意零部件的名稱;并且,對于任意選定的零部件,通過點(diǎn)擊知識點(diǎn)功能可以索引出選中部件的名稱、定義、設(shè)計(jì)原則等知識。

同時(shí),在知識點(diǎn)窗口中可以查看該裝備的整體結(jié)構(gòu)框架,及各個(gè)組成部分零部件知識。學(xué)生用戶亦可以通過知識窗口的功能鍵,打開相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)零部件的單個(gè)三維數(shù)模。不管是對整幅裝備模型,還是對單個(gè)零部件模型,學(xué)生用戶都可以方便的使用旋轉(zhuǎn)、剖切、透明設(shè)置多方位等方式更深入清晰的查看裝備及其零部件結(jié)構(gòu),以達(dá)到最大的學(xué)習(xí)效果。

圖 3

(2) 裝配實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

裝配實(shí)驗(yàn)室的核心包括兩大模塊:1)查看裝備零部件自動(dòng)拆卸和組裝的過程;2)用戶自主交互拆卸和組裝。

學(xué)生用戶通過本系統(tǒng)打開需要進(jìn)行拆裝實(shí)驗(yàn)的3D裝備模型,進(jìn)入裝配實(shí)驗(yàn)室,利用查看演示裝配功能,查看裝備零部件自動(dòng)拆卸和組裝的過程。

自主交互裝配功能,提供了完成自主交互拆裝的工具。在此過程中,用戶依次選擇拆卸對象,系統(tǒng)根據(jù)管理端預(yù)設(shè)的拆卸次序,自動(dòng)判斷用戶的拆卸順序是否正確,若拆卸次序出現(xiàn)錯(cuò)誤,出現(xiàn)錯(cuò)誤提醒對話框,并提供查詢正確次序零件的工具,實(shí)現(xiàn)交互拆卸的順利進(jìn)行。同樣,在自主交互組裝過程中,用戶可以選擇組裝部件,還是組裝整個(gè)裝備,組裝過程中,如果出現(xiàn)安裝順序錯(cuò)誤,系統(tǒng)亦會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示引導(dǎo)用戶安裝。

該實(shí)驗(yàn)室功能實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于,自主拆裝中的零件的次序問題。為了能最真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)實(shí)情況下最真實(shí)的拆裝過程,本系統(tǒng)通過對模型裝配樹進(jìn)行特殊處理,結(jié)合一些編程技巧得以成功實(shí)現(xiàn)。

(3) 仿真實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仿真實(shí)驗(yàn)室的核心是觀看工況下裝備運(yùn)動(dòng)的情況。

學(xué)生用戶進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊,可以在仿真過程中通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、剖切、和設(shè)置透明度等方式查看裝備工況下內(nèi)部機(jī)構(gòu)、外部和局部零部件的運(yùn)動(dòng)情況;并可介入仿真過程,對其進(jìn)行暫停、選擇播放位置、停止等操作。

四 應(yīng)用實(shí)例

1 知識管理平臺(tái)實(shí)例

本系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成功應(yīng)用于模具認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)室,教師管理級用戶首先通過本系統(tǒng)開發(fā)的工具搭建模具組成的結(jié)構(gòu)框架。

系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶定義的結(jié)構(gòu)框架自動(dòng)在窗口左側(cè)以“樹”的形式顯示,如圖 4所示。

圖 4

管理級用戶僅需在知識窗口部分放入知識文檔,在窗口上方利用功能鍵指定對應(yīng)零部件的3D模型路徑即可。

具體整副模具實(shí)例的管理,用戶可以錄入該副模具的基本信息,錄入后的模具會(huì)在窗口左側(cè)分欄處自動(dòng)顯示,用戶可雙擊查看目標(biāo)對象的信息。

基本信息已錄入完成的模具在如圖 5所示窗口的左側(cè)自動(dòng)顯示,同時(shí),在該窗口中對整副模具的各個(gè)零部件進(jìn)行管理,指定零部件的名稱、數(shù)量、與所屬的基本框架類型進(jìn)行關(guān)聯(lián),以及其3D模型路徑等信息。

圖 5

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

學(xué)生用戶通過本系統(tǒng),在UG NX軟件環(huán)境下打開某副模具的三維模型,如圖 6所示。用戶將鼠標(biāo)移到任意零部件處,窗口信息欄中都會(huì)顯示相應(yīng)零部件的中文名;單擊“結(jié)構(gòu)知識實(shí)驗(yàn)室”功能鍵,選擇任意零部件,即可調(diào)出所選零部件的知識窗口,如圖 7所示。

圖 6

圖 7

利用“裝配實(shí)驗(yàn)室”功能鍵,進(jìn)入裝配實(shí)驗(yàn)室,如圖 8所示?？梢杂^看模具自動(dòng)拆裝的過程,也可以對模具進(jìn)行自主裝配。

圖 8

同樣,利用“運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)室”功能鍵進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)室,如圖 9所示。可以查看模具開、合模,及頂出過程。

圖 9

五 結(jié)束語

本文針對目前高校機(jī)械設(shè)備拆裝實(shí)驗(yàn)課程中存在的問題,以專業(yè)3D設(shè)計(jì)軟件為基礎(chǔ),利用二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝備認(rèn)知的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并將該系統(tǒng)應(yīng)用于多所高等院校的模具教學(xué)中。實(shí)踐表明,該方案可很好地滿足機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知教學(xué)的需要,并有效地提高教學(xué)效率和效果。

參考文獻(xiàn)

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Developing a Virtual Experiment System for Recognizing an Equipment

WU Wei-wei 1,FAN Jian-bei2,CAI E 1,SHAN Yan1

(1.Institute of Chemical Machinery Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China2. Mechatronics Vocational Technical College of Zhejiang Province 310053, China)

Abstract: A virtual interactive system is presented to carry out the disassembly experiment in teaching machinery and equipment. The system is developed based on UG NX5.0, using PowerBuilder, VC + + tools, as well as the SQL server database technology. Besides the powerful interactive disassembly tools, the 3D animation technique is used to illustrate the disassembly process. The working principle is revealed by motion simulation and the related knowledge can be searched out from database. Compared with the traditional methods, the virtual system can largely improve the teaching efficiency.

Keywords: Virtual Lab, Machinery and Equipment Learning, Interactive Disassembly