基于Flash ActionScript機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

郭德偉閔 潔江 潔蘇艷萍柯建宏

（1.紅河學(xué)院 工學(xué)院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650093）

基于Flash ActionScript機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

郭德偉1,2，閔 潔1，江 潔1，蘇艷萍1，柯建宏2

（1.紅河學(xué)院 工學(xué)院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650093）

以紅河學(xué)院機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)為原型，采用Flash ActionScript技術(shù)為設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合Pro/E、AutoCAD等軟件及現(xiàn)代教育技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了5個(gè)機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)，指出了該類虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，并對該校機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提出了構(gòu)想.

虛擬仿真；機(jī)械實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；機(jī)械教學(xué)

引言

現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展使計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]，特別是一些高校由于辦學(xué)規(guī)模的迅速擴(kuò)大致使相應(yīng)配套經(jīng)費(fèi)投入不能及時(shí)到位，出現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)條件不足、設(shè)備老化、更新不便等系列問題.面對高?？s減經(jīng)費(fèi)投入、提高教學(xué)質(zhì)量等政策，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受到了巨大的挑戰(zhàn)，這時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)便成了一個(gè)不錯(cuò)的選擇.目前我國對教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究還缺乏一定的系統(tǒng)性及良好的人性化設(shè)計(jì)[2]，且開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)對一般實(shí)驗(yàn)教師還存在一定難度.在虛擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，虛擬儀器如何針對實(shí)驗(yàn)者的所有操作進(jìn)行正確的響應(yīng)及使實(shí)驗(yàn)者獲得與實(shí)施實(shí)際實(shí)驗(yàn)完全相同的體驗(yàn)，是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)的核心，更重要的是還要根據(jù)具體虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容選擇適合的構(gòu)建技術(shù)[3].這里以紅河學(xué)院機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)為原型，采用Flash ActionScript技術(shù)為設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合Pro/E、AutoCAD等機(jī)械常用軟件，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，設(shè)計(jì)開發(fā)出了其中5個(gè)機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn).

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

根據(jù)紅河學(xué)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的條件，對部分典型實(shí)踐教學(xué)方式進(jìn)行了試點(diǎn)改革，將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要嘗試開發(fā)了機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪實(shí)驗(yàn)、四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)、漸開線齒輪范成實(shí)驗(yàn)和機(jī)械加工誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)，一定程度上解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題，還提高的學(xué)生的積極主動(dòng)性，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，幫助部分主要展示本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作環(huán)境及軟件使用方法，相關(guān)界面及按鈕的意義等；實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)部分主要介紹該實(shí)驗(yàn)的目的、原理、方法、操作步驟、實(shí)驗(yàn)意義等，并提供實(shí)驗(yàn)報(bào)告單的下載；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)部分則是虛擬實(shí)驗(yàn)的主體部分，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笸瓿上嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)分析部分是針對某些數(shù)據(jù)量相對較大的實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，以便進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究或?yàn)榻處煂W(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批改提供便利.

圖1 系統(tǒng)軟件一般結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成的認(rèn)知是觀察常用的平面連桿機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、齒輪輪系、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及組合機(jī)構(gòu)的類型與運(yùn)動(dòng)情況，以便對機(jī)構(gòu)、機(jī)器、運(yùn)動(dòng)副構(gòu)件有一定的認(rèn)識(shí)，對機(jī)器的基本要素有初步的了解.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法一般是參觀機(jī)械示教陳列柜來完成，但示教陳列柜的局限性及更新問題日益顯現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)中心通過Pro/E、UG、AutoCAD等軟件對部分機(jī)構(gòu)建立了三維模型，通過Flash Actionscript技術(shù)為設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用了XML、Web等技術(shù)，開發(fā)了機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)從多角度展示了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性或運(yùn)動(dòng)特性，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與外部文件的鏈接從而方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)庫的擴(kuò)充或更新.圖2.a為機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型的選擇界面，點(diǎn)擊所選圖片將進(jìn)入該機(jī)構(gòu)的三維展示界面；圖2.b是利用Pro/E建立的減速器尾閘機(jī)構(gòu)的裝配爆炸圖.在該系統(tǒng)中可以查看各機(jī)構(gòu)的裝配示教動(dòng)畫，清晰了解機(jī)構(gòu)的裝配過程，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)組成的認(rèn)知，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的.

圖2 機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制方法，掌握從實(shí)際機(jī)構(gòu)中測繪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的技能，通過實(shí)驗(yàn)了解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖與實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)的區(qū)別，進(jìn)一步加深理解機(jī)構(gòu)的組成原理、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算及其含義.

這里開發(fā)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪系統(tǒng)，框架和機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組成認(rèn)知實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)類似，但增加了測繪及通過密碼訪問參考結(jié)果等多項(xiàng)功能[4].圖3.a顯示了系統(tǒng)測量的過程，測量得到的數(shù)值將會(huì)顯示在左邊的面板中；圖3.b顯示了挖掘機(jī)機(jī)械臂簡圖的運(yùn)動(dòng)情況，通過動(dòng)態(tài)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，配合播放的逐步控制，可清晰地表現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度的意義，增強(qiáng)對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的理解，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的.

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)

四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)是為了加強(qiáng)理解這部分理論知識(shí)而開發(fā)的，該實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生掌握不同桿長條件所形成的機(jī)構(gòu)類型及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ).而所開發(fā)的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的精確模擬，可根據(jù)不同桿件長度自動(dòng)判斷四桿機(jī)構(gòu)的類型并按其運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度及方向（輸入負(fù)值運(yùn)動(dòng)方向相反），可顯示連桿及其附近任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度及加速度，對四桿機(jī)構(gòu)的軌跡及運(yùn)動(dòng)線的研究具有重要意義[5].這些優(yōu)越性是傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的.

圖4 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.4 漸開線齒輪范成實(shí)驗(yàn)

漸開線齒輪范成實(shí)驗(yàn)的目的是觀察齒廓的漸開線及過渡曲線的形成過程，了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象和齒頂變尖現(xiàn)象的原因及用變位修正法來避免發(fā)生根切的方法.一般在機(jī)械式范成儀上，模數(shù) 、齒數(shù) 、壓力角 、齒頂高系數(shù) 、頂隙系數(shù) 都是固定的，只有變位系數(shù) 可以調(diào)整，能夠發(fā)揮的作用僅僅是驗(yàn)證范成法原理，不能充分認(rèn)識(shí)齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)與齒廓曲線的關(guān)系，難以去準(zhǔn)確理解、進(jìn)而正確掌握齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的作用[6].而實(shí)驗(yàn)中心所設(shè)計(jì)開發(fā)的漸開線齒輪范成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能較好地克服傳統(tǒng)機(jī)械范成儀的不足，能直觀、動(dòng)態(tài)地模擬齒輪范成加工情況，并能充分展示齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)對于漸開線齒廓曲線的影響規(guī)律，從而更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下齒廓的比較，不論是在進(jìn)行范成的過程中還是在齒廓的比較過程中，都可通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵、并配合鼠標(biāo)中鍵滾輪實(shí)現(xiàn)齒輪的平移和縮放，輕松實(shí)現(xiàn)對視口內(nèi)容的適時(shí)觀察，較為清晰地展現(xiàn)各部分齒廓形狀.圖5.a為不同設(shè)計(jì)參數(shù)下范成后齒輪的整體比較；圖5.b為通過視口縮放功能顯示的齒廓形狀，可清晰查看其中的根切現(xiàn)象，當(dāng)鼠標(biāo)移到相應(yīng)齒輪上將顯示該齒輪的常用幾何參數(shù).

圖5 齒廓比較界面

1.5 機(jī)械加工誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)分析法是通過一批工件加工誤差的表現(xiàn)形式來研究產(chǎn)生誤差原因的一種方法.加工誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)的目的在于，鞏固已學(xué)過的統(tǒng)計(jì)分析法的基本理論，掌握運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析法的步驟，練習(xí)使用統(tǒng)計(jì)分析法判斷問題的能力.通過該實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生掌握繪制工件尺寸實(shí)際分布圖的方法，并能根據(jù)分布圖分析加工誤差的性質(zhì)，計(jì)算工序能力系數(shù)，合格品率及廢品率等，能提出工藝改進(jìn)的措施；掌握繪制X-R點(diǎn)圖的方法，能根據(jù)X-R點(diǎn)圖分析工藝過程的穩(wěn)定性.

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法需要在機(jī)床上加工多個(gè)零件作為原始數(shù)據(jù)，耗時(shí)且成本較高，而采用虛擬仿真加工所生成的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)，則可較大的降低該實(shí)驗(yàn)的成本，提高實(shí)驗(yàn)效率.該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的外部輸入處理，也可自動(dòng)生成具有一定規(guī)律的隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)，并能根據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)要求，自動(dòng)繪制出相應(yīng)的分布圖或點(diǎn)圖圖形，這點(diǎn)給教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告單的批改帶來了便利.圖6.a為對樣本數(shù)據(jù)處理后得到的分布圖，附合誤差統(tǒng)計(jì)的正態(tài)分布情形；圖6.b為點(diǎn)圖圖形，當(dāng)有點(diǎn)超出控制線將被特殊顯示，鼠標(biāo)移動(dòng)到每個(gè)點(diǎn)上將能顯示該點(diǎn)的相關(guān)信息.

圖6 數(shù)據(jù)處理參考結(jié)果

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的構(gòu)想

目前紅河學(xué)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心共建有機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新綜合、液壓與氣壓、金相與熱處理、金屬材料力學(xué)和數(shù)控技術(shù)等七個(gè)實(shí)驗(yàn)室，主要承擔(dān)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目及部分學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)專題實(shí)習(xí)任務(wù)，同時(shí)要滿足理學(xué)院、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的部分專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以及相關(guān)學(xué)科部分教師科研課題研究任務(wù).目前，可開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程9門、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目108項(xiàng)，年實(shí)驗(yàn)人時(shí)數(shù)達(dá)到1.5萬，年接待畢業(yè)設(shè)計(jì)及課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)學(xué)生300余人.實(shí)驗(yàn)方式為傳統(tǒng)實(shí)物操作，但由于分組實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)效果并不理想，同時(shí)還存在部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺和破損問題.為此，實(shí)驗(yàn)中心在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)上，依托工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和教育技術(shù)等專業(yè)技術(shù)，積極籌劃機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè).

建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)、開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即可豐富學(xué)習(xí)資源、緩解儀器設(shè)備的不足，又能體現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，改進(jìn)教學(xué)模式，提高教學(xué)效果.根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況，初步設(shè)想機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)如圖7所示.主要為機(jī)構(gòu)展示、虛擬仿真和性能測試三個(gè)方面，隨著實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)類型和數(shù)量都會(huì)逐步增加，最終形成完善的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.

圖7 虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)構(gòu)想

3 結(jié)束語

從紅河學(xué)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中心對所設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情況看，虛擬實(shí)驗(yàn)克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，成為了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有力的補(bǔ)充，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，降低了實(shí)驗(yàn)成本，總體教學(xué)效果較好.而且該類基于Flash Actionscript技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件體積小、質(zhì)量高、運(yùn)算速度快，操作簡單方便，具有較強(qiáng)的可移植性、交互性和仿真性，非常適合在線教學(xué)，為以后虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ).

[1] 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(8):76-78.

[2] 郭桂蘋,南岳松.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究現(xiàn)狀及問題分析[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2010,13(5):175-178.

[3] 魏蕓.虛擬實(shí)驗(yàn)的分析與研究[J].科技信息,2010,(35): 5-6.

[4] 郭德偉,柯建宏.基于Flash ActionScript的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖測繪實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2012,40(2):105-107.

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[6] 譚偉明,唐東煒,吳楷.齒輪范成實(shí)驗(yàn)的一種圖形仿真系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011,28(8): 73-75.

Design and Development of Mechanical Virtual Experiment based on Flash ActionScript

GUO De-wei1,2,MIN Jie1 JIANG Jie1.SU Yan-ping1.KE Jian-hong2
(1.Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China;2.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

As design platform, five mechanical virtual experiments are developed by using Flash ActionScript, Pro/E and AutoCAD software, and modern educational technology.This virtual experiment system has been applied to mechanical experimental teaching in department of mechanical engineering of Honghe University, and some advantages are showed.The construction of mechanical virtual laboratory in this university is discussed.

virtual simulation; mechanical experiment; virtual laboratory; mechanical teaching

TP302

A

1008-9128（2012）04-0019-03

2012-03-19

云南省教育廳科研項(xiàng)目（2010C076）

郭德偉(1978 - )，男，云南通海人，碩士，講師.研究方向：機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方向的教學(xué)與研究.

[責(zé)任編輯 張燦邦]