機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺的設計

武照云, 李 麗, 朱紅瑜, 李廣玉, 劉保國

(1. 河南工業(yè)大學 機電工程學院, 河南 鄭州 450001；2. 河南職業(yè)技術學院 汽車工程系, 河南 鄭州 450046)

機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺的設計

武照云1, 李 麗2, 朱紅瑜1, 李廣玉1, 劉保國1

(1. 河南工業(yè)大學 機電工程學院, 河南 鄭州 450001；2. 河南職業(yè)技術學院 汽車工程系, 河南 鄭州 450046)

分析了機械原理與設計實驗課程教學中存在的問題,以及虛擬仿真實驗教學平臺的功能需求、開發(fā)方案、技術路線與典型模塊功能,開發(fā)了機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺。該平臺所設置的實驗分為基礎認知類實驗、參數(shù)測試類實驗、原理驗證類實驗與綜合訓練類實驗。文中對有代表性的機械零件認知實驗、凸輪機構運動參數(shù)測試實驗、漸開線齒輪范成原理實驗和減速器拆裝實驗給出進一步說明。

機械原理與設計； 虛擬仿真； 實驗教學； 學習資源

機械原理與設計課程包括機械原理與機械設計兩部分內容,綜合了高等數(shù)學、機械制圖、理論力學、材料力學等課程的相關知識,與工程實際聯(lián)系非常緊密[1-2]。高校在該課程教學中均設置有實踐教學環(huán)節(jié)——機械原理與設計課程實驗。通過實驗,學生能夠近距離觀察機械零件結構和機構的運動過程,能夠操控和拆裝機械裝置,鍛煉實踐能力。因此,機械原理與設計實驗課程是必不可少的一個教學環(huán)節(jié)。但是,由于學時有限,實驗課程所覆蓋的內容不可能面面俱到；另外,實驗課程也是按照預定的教學計劃而開設,實驗室無法對全體學生隨時開放。為此,很多高校對虛擬仿真實驗教學進行了大量研究[3-10]。但是,目前機械原理與設計虛擬仿真實驗的資源建設存在以下問題:(1)虛擬仿真的實驗教學資源不夠豐富；(2)虛擬仿真實驗平臺大多是單機系統(tǒng),遠程訪問的開放性不夠；(3)虛擬仿真實驗的操作交互性還不夠好。

本文提出的機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺，利用虛擬仿真技術對各項實驗內容進行虛擬呈現(xiàn),使學生不受時空限制,隨時隨地都能夠參與進來。

1 機械原理與設計實驗項目概況

目前,大多數(shù)高校開設的機械原理與設計實驗項目包括4類(見圖1)。

圖1 機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺功能設計

(1) 基礎認知類實驗。用于展示典型零件結構,讓學生觀察常見機構的運動情況。主要包括機械原理認知實驗、機械零件認知實驗、創(chuàng)新機構認知實驗等。

(2) 參數(shù)測試類實驗。通過對實驗裝置相關參數(shù)的測試,加深對課堂所學知識點的理解。主要包括機構運動參數(shù)測試實驗、螺栓組連接性能測試實驗、機構運動簡圖測繪實驗、帶傳動性能測試與分析實驗、滑動軸承性能測試與分析實驗等。

(3) 原理驗證類實驗。通過對實驗裝置的觀察或操作,驗證教材中的相關原理與結論。主要包括動平衡原理實驗、漸開線齒輪范成原理實驗等。

(4) 綜合訓練類實驗。通過對實驗裝置的拆裝與組合設計,培養(yǎng)并鍛煉學生的實際動手能力與創(chuàng)新意識。主要包括減速器拆裝實驗、組合式軸系結構設計與分析實驗、創(chuàng)意組合機械系統(tǒng)搭接實驗、慧魚技術模型創(chuàng)新實驗等[11]。

2 平臺總體設計

2.1 功能需求分析

機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺主要用于高校機械類專業(yè)的輔助教學,利用虛擬仿真技術構建一個網絡化平臺供學生使用。該平臺對開設的實驗項目是很好的擴展和補充；對學生而言,也是內容豐富且使用方便的學習資源。平臺需要實現(xiàn)一般機械原理與設計實驗的虛擬仿真教學功能,其總體要求是:

(1) 實驗項目虛擬呈現(xiàn):要求實驗內容進行虛擬仿真,實現(xiàn)機械零件結構的三維展示、各類型機構的運動仿真、實驗裝置相關參數(shù)的虛擬測試、實驗裝置的虛擬拆裝等,在用戶體驗與視覺效果上,盡可能與真實情況接近；

(2) 實驗操作簡單方便:在各個實驗項目中,都要設置實驗介紹、音頻講解、操作提示、動畫演示等功能,使實驗操作盡可能簡單方便,讓學生在沒有教師指導的情況下,能夠獨立完成實驗項目；

(3) 可遠程開放訪問:為了讓學生能夠方便地使用,該平臺要以Web應用程序架構部署并發(fā)布到網絡上,并集成各個虛擬實驗項目,提供一個統(tǒng)一的遠程訪問接口。這樣,學生就能夠隨時隨地通過瀏覽器進入該平臺,以在線方式進行使用。

2.2 平臺開發(fā)方案與技術路線

平臺開發(fā)分為總體規(guī)劃、系統(tǒng)開發(fā)和調試運行3個階段。在總體規(guī)劃階段,要對平臺功能模塊進行劃分,明確平臺角色與權限控制策略；在系統(tǒng)開發(fā)階段,分析每個實驗項目的內容與原理,針對實驗裝置的三維虛擬展示及運動仿真、結構-運動-參數(shù)關聯(lián)分析、機構參數(shù)虛擬測量等關鍵技術進行研究,分別開發(fā)各個實驗項目的虛擬仿真模塊,并統(tǒng)一集成到平臺資源門戶界面；在調試運行階段,將平臺部署到遠程網絡服務器上并發(fā)布,對平臺進行性能測試與壓力測試,根據(jù)測試結果進一步完善平臺。

根據(jù)平臺的功能需求分析,采用VS 2012中的ASP.NET進行平臺開發(fā),以C#為程序設計語言,SQL Server 2010為平臺數(shù)據(jù)庫,采用Pro/E對實驗裝置進行三維建模,運用Unity3D結合C#腳本技術進行虛擬仿真環(huán)境開發(fā)。

為了提高平臺的邏輯結構合理性,平臺采用3層架構模式設計,包括數(shù)據(jù)存儲層、應用實現(xiàn)層和用戶表現(xiàn)層。此模式體現(xiàn)了“高內聚、低耦合”的設計思想,降低了層與層之間的依賴度,使整體結構更加清晰。

3 平臺典型模塊設計

在平臺的4種類型的實驗項目中,有代表性的實驗為機械零件認知實驗、凸輪機構運動參數(shù)測試實驗、漸開線齒輪范成原理實驗和減速器拆裝實驗。

3.1 機械零件認知實驗模塊

機械零件認知實驗主要是通過機械零件展示柜的形式,讓學生熟悉機械原理和機械設計課程中常用零件的結構、類型、特點,了解標準零件的結構形式和國家標準。基于此,采用C#技術對Pro/E進行二次開發(fā),構建了以參數(shù)化驅動建模為基礎的常用機械零件模型庫,并運用Unity3D引擎與交互腳本,實現(xiàn)常用機械零件的虛擬仿真Web展示。

機械零件認知實驗模塊內含機械零部件有:螺紋連接件(普通粗牙螺紋、矩形螺紋、螺栓、螺釘、雙頭螺柱、六角螺母等),鍵/銷/鉚連接(普通平鍵連接、半圓鍵連接、定位銷、連接銷等),帶傳動與鏈傳動(V帶傳動、平帶傳動、同步帶、單排滾子鏈等),齒輪傳動(直齒圓柱齒輪傳動、斜齒圓柱齒輪傳動、直齒錐齒輪傳動、蝸桿傳動等),軸承(深溝球軸承、圓錐滾子軸承、推力球軸承、滑動軸承等),軸(階梯軸、光軸、曲軸等),聯(lián)軸器(凸緣聯(lián)軸器、十字滑塊聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器等)等,如圖2所示。

圖2 機械零件認知實驗模塊

3.2 凸輪機構運動參數(shù)測試實驗模塊

凸輪機構運動參數(shù)測試實驗模塊提供了6種常見的平面凸輪機構(直動尖頂推桿凸輪機構、直動滾子推桿凸輪機構、擺動平底推桿凸輪機構等),學生可以修改一些基本參數(shù),如基圓半徑、偏心距、推程角等,然后可以生成對應的凸輪廓線,并完成凸輪機構不同運動規(guī)律的運動仿真,進而輸出推桿位移、速度與加速度參數(shù)的變化線圖。通過該虛擬實驗,可以讓學生加深對凸輪機構的參數(shù)、結構、運動影響關系的認識和理解。

該模塊的實現(xiàn)方法為:

(1) 根據(jù)凸輪機構的實際特點,采用面向對象的設計思想,定義模塊中的類及屬性；

(2) 針對推桿不同類型的運動規(guī)律,編寫運動參數(shù)計算函數(shù),并定義為公用方法；

(3) 根據(jù)凸輪機構的要求,定義基本參數(shù)的合理性校驗方法,包括基圓半徑、壓力角、滾子半徑等；

(4) 編制凸輪廓線坐標點的解析計算函數(shù)；

(5) 運用GDI+技術,實現(xiàn)運動參數(shù)變化線圖的繪制與機構的運動仿真。

該模塊界面如圖3所示。

圖3 凸輪機構運動參數(shù)測試實驗模塊界面

3.3 漸開線齒輪范成原理實驗模塊

漸開線齒輪范成原理實驗主要是借助漸開線齒輪范成儀,讓學生觀察漸開線齒廓的形成過程,進而掌握用范成法制造漸開線齒輪的基本原理。該模塊能夠模擬漸開線齒輪范成儀的工作過程,對范成法制造漸開線齒輪的過程進行仿真演示；讓學生加深對模數(shù)和齒數(shù)這兩個參數(shù)的理解,對齒輪根切的原因以及根切后的齒形有直觀的認識,并進一步掌握齒輪變位加工原理。圖4所示為模數(shù)m=8 mm,齒數(shù)z=17,變位系數(shù)x=0的范成法加工漸開線齒輪仿真實驗界面。

圖4 漸開線齒輪范成原理實驗界面

該模塊的實現(xiàn)方法為:首先根據(jù)軟件界面中設置的模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)等參數(shù)值,繪制齒輪毛坯和齒條刀具；然后讓齒條刀具沿齒坯分度圓作純滾動,使齒條刀具在齒坯上不斷疊加；利用循環(huán)迭代和延時控制,實現(xiàn)齒條刀具范成法加工齒輪的模擬仿真。當齒條刀具相對齒輪毛坯轉動一整周時,齒條刀具在齒坯上留下的軌跡包絡線就是被加工齒輪的漸開線齒廓。

3.4 減速器拆裝實驗模塊

減速器拆裝實驗模塊的功能是通過對減速器的拆裝與觀察,了解減速器各部分的結構與用途,并通過對不同類型減速器的比較與分析,加深對機械零部件結構設計的感性認識。針對該實驗內容,運用Unity3D技術構建了單級圓柱齒輪減速器、雙級圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器等8種類型的減速器,并分別提供了原理介紹、虛擬講解、零件智能提示、零件縮放、運動仿真、爆炸圖、手動虛擬拆裝、分步虛擬拆裝、隱藏/顯示零部件等功能,極大地方便了學生的操作練習。

該模塊的開發(fā)步驟為:

(1) 在Pro/E軟件中對減速器零件進行三維建模并完成裝配[12]；

(2) 將減速器模型導入3ds MAX軟件中,對模型進行調整、渲染、貼圖和動畫制作等；

(3) 將3ds MAX中的三維模型與材質一起導出為.FBX文件,再將該.FBX文件導入Unity3D中,并設置縮放、旋轉、移動、隱藏/顯示等相關屬性[13]；

(4) 采用C#編寫Unity3D的虛擬交互腳本,通過添加相應的按鈕實現(xiàn)各種交互動作[14]。

該模塊的虛擬展示效果如圖5所示。

圖5 減速器拆裝實驗模塊效果圖

4 教學效果評估

采用問卷調查的方法對機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺的教學效果進行了評估。以河南工業(yè)大學機電工程學院參加機械原理與設計實驗課程的本科生為調查對象,共發(fā)放調查問卷1 276份,收回有效問卷1 228份。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),91%的學生認為平臺中實驗教學內容豐富,能夠滿足學習需要；94%的學生認為平臺界面呈現(xiàn)效果較好,虛擬效果逼真；95%的學生認為平臺操作簡便,交互性體驗非常好；92%的學生認為平臺能夠有效激發(fā)學習興趣,提高學習積極性；90%的學生認為虛擬仿真實驗能夠有效促進知識的掌握,提高學習效果。

5 結語

在教育信息化大環(huán)境下,采用虛擬仿真技術輔助實驗教學是一個趨勢。本文提出的機械原理與設計虛擬仿真實驗教學平臺,借助計算機技術和網絡技術,實現(xiàn)了機械原理與設計相關實驗的虛擬仿真,豐富了實驗教學內容,擴展了實驗教學模式,實際應用效果較好,可供其他同類型的虛擬仿真實驗項目參考。

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Design of virtual simulation experimental teaching platform of Mechanical Principle and Design course

Wu Zhaoyun1, Li Li2, Zhu Hongyu1, Li Guangyu1, Liu Baoguo1

(1. School of Mechanicaland Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;2. Automotive Engineering Department, Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450046, China)

The problems existing in the experimental teaching of Mechanical Principle and Design course, the functional requirements, the development plan, the technical route and the typical module function of the virtual simulation experimental teaching platform are analyzed, and the virtual simulation experimental teaching platform for Mechanical Principle and Design course is developed. The experiments of this platform are divided into the basic cognitive experiments, the parameter testing experiments, the principle verification experiments and the comprehensive training experiments. The further explanation is made on the typical cognitive experiment of mechanical parts, the parameter testing experiment of cam mechanism motion, the principle experiment of involute gear forming and the experiment of reducer’s disassembly and assembly.

mechanical principle and design; virtual simulation; experimental teaching; learning resources

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.030

2017-02-28

河南工業(yè)大學高等教育教學改革研究項目(2016GJYJXY34)

武照云(1981—),男,遼寧鐵嶺,博士,副教授,主要研究方向為數(shù)字化設計.E-mail：wzhaoyun@163.com

TH111；G642.423

A

1002-4956(2017)08-0121-04