能力導向?qū)W訓結(jié)合機械設(shè)計虛擬實驗平臺的搭建

衡智博++崔冰艷++竇玉廣++孫世琪++程楊++張佳勝

【摘要】針對現(xiàn)有的機械設(shè)計虛擬實驗室在通用性和開放性方面具有的局限性，提出了能夠等價甚至優(yōu)于真實實驗環(huán)境的機械設(shè)計虛擬實驗的策略。引入?yún)?shù)化設(shè)計理論、采用CREO二次程序開發(fā)創(chuàng)建了機械實驗課程中包含的軸系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意組合設(shè)計、減速器的虛擬設(shè)計及裝拆和齒輪傳動三個實驗模塊，并利用C#軟件和Adams軟件對模塊進行了仿真設(shè)計，最后利用Unity3D軟件對機械設(shè)計虛擬實驗平臺進行了總體設(shè)計，建成了一個面向所有機械專業(yè)的學生的能力導向?qū)W訓結(jié)合的機械設(shè)計虛擬實驗平臺。該平臺的成功搭建解決了實驗課程教學中的諸多問題，具有很高的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】參數(shù)化設(shè)計 Creo二次程序開發(fā) 能力導向

【基金項目】教育部在線教育研究中心在線教育研究基金（全通教育）課題（2016YB117）；河北省高校教育教學改革研究與實踐項目（2015GJJG084）；華北理工大學教育教學改革重點項目（z1401-01）；華北理工大學創(chuàng)新訓練項目（X2016201）。

【中圖分類號】TH122；TH16 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）09-0021-01

一、引言

隨著高校教育體制的深入改革，招生規(guī)模的不斷擴大，一方面普通實驗室的更新速度無法跟上技術(shù)的發(fā)展，實驗室的設(shè)備及規(guī)模已經(jīng)不能滿足日益增長的教學需要；另一方面機械設(shè)計實驗課程存在著知識較為抽象，實際操作過程繁瑣并且容易出錯等方面的問題，這就導致學生很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗并解決出現(xiàn)的問題。虛擬實驗平臺的開發(fā)可以很好的解決以上問題。目前，虛擬實驗平臺在國內(nèi)外各研究領(lǐng)域已經(jīng)十分普及。在國外，美國約翰霍金斯大學化學工程系建立了虛擬工程/科學實驗系統(tǒng)；德國魯爾大學研發(fā)了控制工程的體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。在國內(nèi)，華中理工大學研發(fā)了機械學院工程測試虛擬實驗室；長春理工大學構(gòu)建的機械基礎(chǔ)虛擬實驗室實現(xiàn)了可視化、交互式的目的。

本項目組基于虛擬實驗室構(gòu)建方法，結(jié)合機械設(shè)計實驗的要求，提出能夠取得等價甚至優(yōu)于真實實驗環(huán)境的機械設(shè)計虛擬實驗的策略，開發(fā)出了能力導向?qū)W訓結(jié)合的機械設(shè)計虛擬實驗平臺。

二、虛擬實驗平臺的構(gòu)建

能力導向?qū)W訓結(jié)合的機械設(shè)計虛擬實驗平臺是以機械設(shè)計課程中的實驗為基礎(chǔ)，分為軸系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意組合設(shè)計、減速器的虛擬設(shè)計及裝拆和齒輪傳動三個模塊，將現(xiàn)實中的實驗過程通過虛擬技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)在線的形式再現(xiàn)出來。

1.軸系結(jié)構(gòu)組合設(shè)計實驗模塊

采用模塊化設(shè)計，即將階梯軸按不同的結(jié)構(gòu)要素分解成若干模塊，分別進行三維造型設(shè)計，進行參數(shù)化設(shè)計與裝配界面的設(shè)計。

利用Creo建模軟件實現(xiàn)了三維建模功能，通過改變設(shè)計參數(shù)，建立了軸系各部分構(gòu)件的三維模型，利用SQLserver建立零件庫，通過C#編程對軸系零件進行了約束，將數(shù)據(jù)庫中的三維模型按組裝和拆卸順序分別進行編號，使軸系結(jié)構(gòu)形成一個完整的可裝卸體系，以供學生作為實驗參考，圖2給出一種一級斜齒輪軸系的裝配。

2.減速器設(shè)計及拆裝實驗模塊

減速器的設(shè)計及拆裝是機械設(shè)計實驗課程中比較典型的實驗，通過對減速器的設(shè)計與拆裝，可以具體詳細地了解減速器的整體結(jié)構(gòu)、功能及設(shè)計布局。對不同類型減速器進行分析比較，加深對機械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的認識，為機械零部件設(shè)計打下基礎(chǔ)。

利用Creo軟件三維建模功能分別建立了一級圓柱斜齒減速器、一級圓柱直齒減速器等六種常見類型減速器的所有零件的三維參數(shù)化模型，建立零件庫，學生可以在零件庫中選中零件，通過拖動鼠標的方式旋轉(zhuǎn)零件，從各個角度對三維模型進行觀察。利用C#編程軟件和Adams仿真軟件軟件實現(xiàn)了減速器拆裝過程的操作，如圖2所示，學生通過虛擬拆裝實驗能更清楚的了解減速器的內(nèi)部構(gòu)造和裝拆過程。

3.齒輪的參數(shù)化設(shè)計實驗模塊

該模塊是針對齒輪傳動的設(shè)計，主要是利用編程軟件對齒輪傳動參數(shù)的編程計算。通過Creo的二次開發(fā)將參數(shù)化設(shè)計與可視化建模仿真運動結(jié)合起來，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，直接對傳動過程進行計算，該模塊加深了學生對參數(shù)化設(shè)計對機器結(jié)構(gòu)，強度等設(shè)計準則和設(shè)計原理影響的理解。

三、人機交互和教學管理系統(tǒng)

人機交互和教學管理這一模塊主要是針虛擬實驗平臺網(wǎng)絡(luò)在線和資源共享功能的設(shè)計。通過對其他已有的虛擬平臺的設(shè)計進行研究，經(jīng)過討論與比較，利用C#軟件和Unity3D軟件的結(jié)合，設(shè)計出網(wǎng)絡(luò)在線時的登錄界面和各實驗模塊的操作界面，完善實驗平臺的整體框架。學生可以通過人機交互系統(tǒng)直接登錄，進如虛擬實驗平臺，選擇性的進行各項實驗操作和學習，同時也可以對實驗進行預習，達到更好地學習效果。而老師通過教學管理系統(tǒng)發(fā)布設(shè)計虛擬實驗信息，同時對學生的實驗操作結(jié)果進行評判，解決學生學習過程中遇到的難題。

四、結(jié)論

對Creo進行二次程序開發(fā)并利用其三維建模功能，C#軟件編程功能和Adams軟件仿真功能，將軸系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意組合設(shè)計、減速器的虛擬設(shè)計及裝拆和帶傳動和齒輪傳動等常見傳動機構(gòu)三個模塊分別進行了詳盡的設(shè)計、整合，將三個試驗模塊進行進一步導入設(shè)計，最終構(gòu)成一個面向所有機械專業(yè)的學生的能力導向?qū)W訓結(jié)合的機械設(shè)計虛擬實驗平臺。能力導向?qū)W訓結(jié)合機械設(shè)計虛擬實驗平臺的搭建很好地解決了現(xiàn)場實驗的局限性，同時優(yōu)化了實驗設(shè)備，提高了實際操作可行性，具有很高的應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]童小利，金秋春.機械創(chuàng)新設(shè)計虛擬實驗平臺的建立[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（13）：12-15.

[2]何新華，王孝寧.基于VRML的機械產(chǎn)品虛擬裝配技術(shù)研究[J].機械工程與自動化，2011，6（05）：31-33.

通訊作者：

崔冰艷（1978-），女，沈陽人，博士，副教授。