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

趙海山++姜海

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.153

摘 要：虛擬仿真技術(shù)是利用硬件的在仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械制動(dòng)效果的可視化分析。利用仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中的操作艙、機(jī)械制動(dòng)器等機(jī)型動(dòng)力學(xué)建模，為機(jī)械工程的實(shí)踐生產(chǎn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。該文通過分析虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，研究實(shí)驗(yàn)中各種設(shè)備的規(guī)劃和改革，旨在為虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù) 機(jī)械工程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（a）-0153-02

高校工科類專業(yè)中，操作實(shí)踐是教學(xué)中重要的組成部分，我國(guó)大部分院校都設(shè)立了工科類的專業(yè)操作實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的提高創(chuàng)造條件。在傳統(tǒng)的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用儀器設(shè)備的密集程度非常的高，使得實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度大大增加。很多儀器設(shè)備的價(jià)值昂貴，體積結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)的操作帶來極大不便。學(xué)生只能在教材知識(shí)的基礎(chǔ)上刻板地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作，在這種情況下學(xué)生的創(chuàng)新能力和主觀能動(dòng)性就不能得到發(fā)揮。眾多高校在實(shí)驗(yàn)室的更新建設(shè)中，因?yàn)槭艿劫Y金的限制，會(huì)繼續(xù)使用舊的儀器設(shè)備，這些設(shè)備在長(zhǎng)期的使用過程中出現(xiàn)機(jī)能老化，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用成為現(xiàn)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍的教學(xué)手段。

1 機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

現(xiàn)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題越來越突出，制約著教學(xué)效率和質(zhì)量，突出體現(xiàn)在很多院校的實(shí)驗(yàn)基地和實(shí)驗(yàn)單位的建設(shè)能力非常有限，不能滿足學(xué)生自己動(dòng)手操作要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)理論知識(shí)深化和了解。很多院校為了節(jié)省資金，減少出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全問題等，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)候，主要是以參觀和講座的形式進(jìn)行實(shí)踐培訓(xùn)，學(xué)生基本沒有實(shí)踐動(dòng)手的機(jī)會(huì)。在這種情況下，就會(huì)造成學(xué)生畢業(yè)后，參加相關(guān)工作沒有機(jī)械設(shè)備操作的經(jīng)驗(yàn)，無法獨(dú)立完成工作的內(nèi)容。尤其在是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，學(xué)生會(huì)逐漸失去對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣，對(duì)學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展造成負(fù)面影響。所以在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械工程該實(shí)驗(yàn)室教學(xué)要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)更新教學(xué)理念和教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和教學(xué)的完善。在院校的機(jī)械教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)和鞏固的重要手段，是學(xué)生實(shí)踐操作能力培養(yǎng)的根本方法，是當(dāng)今院校機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)中最為重要的環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代化機(jī)械人才培養(yǎng)的基本途徑。通過現(xiàn)代化的教學(xué)方式可以最大程度提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作的基礎(chǔ)上對(duì)基本理論知識(shí)進(jìn)行理解和完善。通過這樣的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使學(xué)生合理將基礎(chǔ)知識(shí)理論與實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合，在動(dòng)手實(shí)踐過程中逐漸形成獨(dú)特的自我知識(shí)技能認(rèn)知能力。現(xiàn)在大多數(shù)院校利用的是CAD機(jī)房，然后在此硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)部分實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式的改革。并且引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行更新和改進(jìn)。在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，不但可以避免在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中出現(xiàn)設(shè)備的故障隱患，還能最大程度提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，為學(xué)生專業(yè)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)提供科學(xué)實(shí)踐依據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室部分設(shè)備裝置進(jìn)行傳動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)、數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)和減速器裝配實(shí)驗(yàn)，最大程度提高了機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和質(zhì)量。

2 虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型應(yīng)用

2.1 帶傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

帶傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)是機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，其主要是讓學(xué)生能夠直觀地觀察帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，還能有效地對(duì)實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)機(jī)電設(shè)備的承載能力進(jìn)行分析，根據(jù)分析的數(shù)據(jù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶動(dòng)問題的控制。進(jìn)行傳動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要利用的機(jī)械設(shè)備有力傳感器、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩力測(cè)桿、光電測(cè)速裝置、發(fā)電機(jī)等。這些實(shí)驗(yàn)機(jī)械設(shè)備主要通過人工實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)性能測(cè)試，這樣的測(cè)試方式主要的特點(diǎn)是人工費(fèi)用會(huì)高于設(shè)備使用的費(fèi)用。在虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行帶傳動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以最大程度提升機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

2.2 數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)

數(shù)字加工技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中一個(gè)核心的技術(shù)，在現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。數(shù)字加工技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中的微電子技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)?，F(xiàn)在眾多院校的機(jī)械自動(dòng)化成為一門重要的專業(yè)，這門專業(yè)的核心內(nèi)容是在數(shù)控機(jī)床的操作中利用數(shù)控加工技術(shù)。但是數(shù)控機(jī)床的價(jià)格非常高，設(shè)備運(yùn)作形式單一，并且運(yùn)行程序的設(shè)置相當(dāng)復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)每一位學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作需求的滿足，這種復(fù)雜性的實(shí)驗(yàn)操作，只能滿足極少部分學(xué)生的需求，嚴(yán)重制約了機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。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，可以實(shí)現(xiàn)讓每一位學(xué)生加入到具體的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中來，對(duì)機(jī)械機(jī)床加工環(huán)境和流程才形成一個(gè)系統(tǒng)認(rèn)知。

2.3 減速器裝配實(shí)驗(yàn)

機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)基礎(chǔ)項(xiàng)目是減速器在機(jī)械設(shè)備中的使用。在傳統(tǒng)的減速器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，都會(huì)利用實(shí)物代替減速器的教學(xué)方法。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，實(shí)現(xiàn)了通過實(shí)物模擬模型的拆卸，進(jìn)行減速器的構(gòu)成結(jié)構(gòu)的直觀講解。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的構(gòu)想

在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先，可以不考慮實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用設(shè)備的操作性，也就是保證實(shí)驗(yàn)室需要操作實(shí)踐的目標(biāo)和任務(wù)與相關(guān)機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)相統(tǒng)一，然后再研究實(shí)驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)定性。其次，要構(gòu)思虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)，例如：機(jī)械操作平臺(tái)中的仿真器、ECU和虛擬演示平臺(tái)等。在整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)中，主要是滿足院校機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的需要，所以一定要保證虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，才能確保學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和鞏固。一般構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室要進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察相關(guān)系數(shù)，觀察預(yù)先系數(shù)與實(shí)際操作系統(tǒng)是否統(tǒng)一。再次，仿真器的構(gòu)建設(shè)計(jì)，隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，虛擬仿真器代替了原來操作實(shí)驗(yàn)中的實(shí)物操作，最大程度簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟。并且仿真器可以利用USB實(shí)現(xiàn)與虛擬演示平臺(tái)的鏈接，在實(shí)驗(yàn)的過程中可以保證虛擬演示平臺(tái)及時(shí)接收到虛擬實(shí)驗(yàn)仿真信號(hào)，通過PWM模塊實(shí)現(xiàn)向ECU傳輸一定頻率的方波，在多媒體上模擬機(jī)械設(shè)備的工作原理，在虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)候仿真器利用USB將仿真實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)傳送到模擬演示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的參數(shù)需要。最后，建立虛擬仿真系統(tǒng)，利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，編輯建立應(yīng)用模塊，結(jié)合相關(guān)的3Dmax建模工具建立虛擬演示平臺(tái)中的技術(shù)模塊，將模塊中的內(nèi)容以特定的文件格式導(dǎo)入虛擬演示平臺(tái)中，最終讓學(xué)生在虛擬演示平臺(tái)中進(jìn)行相關(guān)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)操作。

4 結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代院校機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的眾多實(shí)驗(yàn)問題，保證學(xué)生能夠主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)操作中來，提高機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。所以，院校應(yīng)該重視對(duì)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，以及虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用手段和方法，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行更新和補(bǔ)充。虛擬實(shí)驗(yàn)要緊密結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，滿足機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作要求的同時(shí)，適應(yīng)院校實(shí)驗(yàn)室敬愛教學(xué)的改革和發(fā)展。

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