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) 機電工程學(xué)院，昆明 650093）

基于Flash ActionScript機械虛擬實驗的設(shè)計與開發(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) 機電工程學(xué)院，昆明 650093）

以紅河學(xué)院機械實驗教學(xué)為原型，采用Flash ActionScript技術(shù)為設(shè)計平臺，結(jié)合Pro/E、AutoCAD等軟件及現(xiàn)代教育技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了5個機械虛擬實驗，指出了該類虛擬實驗在教學(xué)中所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，并對該校機械虛擬實驗室的建設(shè)提出了構(gòu)想.

虛擬仿真；機械實驗；虛擬實驗室；機械教學(xué)

引言

現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展使計算機虛擬實驗在教學(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)模的迅速擴大致使相應(yīng)配套經(jīng)費投入不能及時到位，出現(xiàn)了實踐教學(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)費投入、提高教學(xué)質(zhì)量等政策，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式受到了巨大的挑戰(zhàn)，這時虛擬實驗教學(xué)便成了一個不錯的選擇.目前我國對教學(xué)虛擬實驗的研究還缺乏一定的系統(tǒng)性及良好的人性化設(shè)計[2]，且開發(fā)虛擬實驗對一般實驗教師還存在一定難度.在虛擬實驗的進(jìn)行過程中，虛擬儀器如何針對實驗者的所有操作進(jìn)行正確的響應(yīng)及使實驗者獲得與實施實際實驗完全相同的體驗，是構(gòu)建虛擬實驗的核心，更重要的是還要根據(jù)具體虛擬實驗的內(nèi)容選擇適合的構(gòu)建技術(shù)[3].這里以紅河學(xué)院機械實驗教學(xué)為原型，采用Flash ActionScript技術(shù)為設(shè)計平臺，結(jié)合Pro/E、AutoCAD等機械常用軟件，利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，設(shè)計開發(fā)出了其中5個機械虛擬實驗.

1 虛擬實驗的設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)紅河學(xué)院機械工程實驗中心現(xiàn)有的條件，對部分典型實踐教學(xué)方式進(jìn)行了試點改革，將虛擬仿真技術(shù)引入實驗教學(xué)，主要嘗試開發(fā)了機構(gòu)及機構(gòu)組成認(rèn)知實驗、機構(gòu)運動簡圖測繪實驗、四桿機構(gòu)運動原理實驗、漸開線齒輪范成實驗和機械加工誤差統(tǒng)計分析實驗，一定程度上解決了實驗設(shè)備不足的問題，還提高的學(xué)生的積極主動性，取得了良好的實驗教學(xué)效果.所開發(fā)的實驗系統(tǒng)設(shè)計的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，幫助部分主要展示本實驗系統(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；實驗指導(dǎo)部分主要介紹該實驗的目的、原理、方法、操作步驟、實驗意義等，并提供實驗報告單的下載；進(jìn)行實驗部分則是虛擬實驗的主體部分，根據(jù)實驗?zāi)康募耙笸瓿上嚓P(guān)實驗；數(shù)據(jù)分析部分是針對某些數(shù)據(jù)量相對較大的實驗而設(shè)計的，以便進(jìn)一步的實驗研究或為教師對學(xué)生實驗報告的批改提供便利.

圖1 系統(tǒng)軟件一般結(jié)構(gòu)

1.1 機構(gòu)及機構(gòu)組成認(rèn)知實驗

機構(gòu)及機構(gòu)組成的認(rèn)知是觀察常用的平面連桿機構(gòu)、空間連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪輪系、間歇運動機構(gòu)以及組合機構(gòu)的類型與運動情況，以便對機構(gòu)、機器、運動副構(gòu)件有一定的認(rèn)識，對機器的基本要素有初步的了解.傳統(tǒng)實驗方法一般是參觀機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).

實驗中心通過Pro/E、UG、AutoCAD等軟件對部分機構(gòu)建立了三維模型，通過Flash Actionscript技術(shù)為設(shè)計平臺，利用了XML、Web等技術(shù)，開發(fā)了機構(gòu)及機構(gòu)組成認(rèn)知實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)從多角度展示了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性或運動特性，系統(tǒng)可實現(xiàn)與外部文件的鏈接從而方便實現(xiàn)系統(tǒng)機構(gòu)庫的擴充或更新.圖2.a為機構(gòu)認(rèn)知實驗系統(tǒng)模型的選擇界面，點擊所選圖片將進(jìn)入該機構(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構(gòu)的裝配爆炸圖.在該系統(tǒng)中可以查看各機構(gòu)的裝配示教動畫，清晰了解機構(gòu)的裝配過程，從而實現(xiàn)對機構(gòu)組成的認(rèn)知，達(dá)到實驗教學(xué)目的.

圖2 機構(gòu)及機構(gòu)組成認(rèn)知實驗系統(tǒng)

1.2 機構(gòu)運動簡圖測繪實驗

該實驗要求學(xué)生熟悉機構(gòu)運動簡圖的繪制方法，掌握從實際機構(gòu)中測繪機構(gòu)運動簡圖的技能，通過實驗了解機構(gòu)運動簡圖與實際機械結(jié)構(gòu)的區(qū)別，進(jìn)一步加深理解機構(gòu)的組成原理、機構(gòu)自由度的計算及其含義.

這里開發(fā)的機構(gòu)運動簡圖測繪系統(tǒng)，框架和機構(gòu)及機構(gòu)組成認(rèn)知實驗系統(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)值將會顯示在左邊的面板中；圖3.b顯示了挖掘機機械臂簡圖的運動情況，通過動態(tài)的機構(gòu)運動簡圖，配合播放的逐步控制，可清晰地表現(xiàn)機構(gòu)自由度的意義，增強對機構(gòu)運動簡圖的理解，達(dá)到實驗教學(xué)的目的.

圖3 機構(gòu)運動簡圖測繪實驗系統(tǒng)

1.3 四桿機構(gòu)運動原理實驗

四桿機構(gòu)運動原理實驗是為了加強理解這部分理論知識而開發(fā)的，該實驗主要是讓學(xué)生掌握不同桿長條件所形成的機構(gòu)類型及其運動規(guī)律，為四桿機構(gòu)的設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ).而所開發(fā)的四桿機構(gòu)運動原理實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了機構(gòu)運動的精確模擬，可根據(jù)不同桿件長度自動判斷四桿機構(gòu)的類型并按其運動規(guī)律運動，可動態(tài)地調(diào)節(jié)機構(gòu)的運動速度及方向（輸入負(fù)值運動方向相反），可顯示連桿及其附近任意一點的運動軌跡、速度及加速度，對四桿機構(gòu)的軌跡及運動線的研究具有重要意義[5].這些優(yōu)越性是傳統(tǒng)實物實驗無法達(dá)到的.

圖4 四桿機構(gòu)運動原理實驗系統(tǒng)

1.4 漸開線齒輪范成實驗

漸開線齒輪范成實驗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)揮的作用僅僅是驗證范成法原理，不能充分認(rèn)識齒輪設(shè)計參數(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)計參數(shù)的作用[6].而實驗中心所設(shè)計開發(fā)的漸開線齒輪范成實驗系統(tǒng)能較好地克服傳統(tǒng)機械范成儀的不足，能直觀、動態(tài)地模擬齒輪范成加工情況，并能充分展示齒輪設(shè)計參數(shù)對于漸開線齒廓曲線的影響規(guī)律，從而更好地達(dá)到實驗教學(xué)目的.該實驗系統(tǒng)還可實現(xiàn)不同設(shè)計參數(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，都可通過點擊鼠標(biāo)左鍵、并配合鼠標(biāo)中鍵滾輪實現(xiàn)齒輪的平移和縮放，輕松實現(xiàn)對視口內(nèi)容的適時觀察，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 機械加工誤差統(tǒng)計分析實驗

統(tǒng)計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)計分析實驗的目的在于，鞏固已學(xué)過的統(tǒng)計分析法的基本理論，掌握運用統(tǒng)計分析法的步驟，練習(xí)使用統(tǒng)計分析法判斷問題的能力.通過該實驗，要求學(xué)生掌握繪制工件尺寸實際分布圖的方法，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點圖的方法，能根據(jù)X-R點圖分析工藝過程的穩(wěn)定性.

傳統(tǒng)實驗方法需要在機床上加工多個零件作為原始數(shù)據(jù)，耗時且成本較高，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)計分析實驗，則可較大的降低該實驗的成本，提高實驗效率.該系統(tǒng)可實現(xiàn)對實驗樣本數(shù)據(jù)的外部輸入處理，也可自動生成具有一定規(guī)律的隨機樣本數(shù)據(jù)，并能根據(jù)誤差統(tǒng)計分析實驗要求，自動繪制出相應(yīng)的分布圖或點圖圖形，這點給教師對學(xué)生實驗報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)計的正態(tài)分布情形；圖6.b為點圖圖形，當(dāng)有點超出控制線將被特殊顯示，鼠標(biāo)移動到每個點上將能顯示該點的相關(guān)信息.

圖6 數(shù)據(jù)處理參考結(jié)果

2 虛擬實驗室建設(shè)的構(gòu)想

目前紅河學(xué)院機械工程實驗中心共建有機械原理、機械設(shè)計、機構(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)等七個實驗室，主要承擔(dān)機械工程及自動化專業(yè)的實驗教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新項目及部分學(xué)生畢業(yè)設(shè)計專題實習(xí)任務(wù)，同時要滿足理學(xué)院、生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的部分專業(yè)的教學(xué)實驗任務(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)實驗課程9門、實驗項目108項，年實驗人時數(shù)達(dá)到1.5萬，年接待畢業(yè)設(shè)計及課程設(shè)計實驗學(xué)生300余人.實驗方式為傳統(tǒng)實物操作，但由于分組實驗的學(xué)生人數(shù)較多，實驗效果并不理想，同時還存在部分實驗設(shè)備短缺和破損問題.為此，實驗中心在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)上，依托工學(xué)院計算機科學(xué)和教育技術(shù)等專業(yè)技術(shù)，積極籌劃機械工程虛擬實驗室的建設(shè).

建設(shè)虛擬實驗、開展網(wǎng)絡(luò)實驗教學(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)有實驗室的發(fā)展和實驗項目情況，初步設(shè)想機械工程虛擬實驗室結(jié)構(gòu)如圖7所示.主要為機構(gòu)展示、虛擬仿真和性能測試三個方面，隨著實驗教學(xué)改革的不斷深入，實驗類型和數(shù)量都會逐步增加，最終形成完善的虛擬實驗教學(xué)體系.

圖7 虛擬實驗室結(jié)構(gòu)構(gòu)想

3 結(jié)束語

從紅河學(xué)院機械工程實驗中心對所設(shè)計開發(fā)的虛擬實驗應(yīng)用情況看，虛擬實驗克服了傳統(tǒng)實驗的不足，成為了傳統(tǒng)實驗教學(xué)有力的補充，虛擬實驗教學(xué)增強了學(xué)生實驗興趣，降低了實驗成本，總體教學(xué)效果較好.而且該類基于Flash Actionscript技術(shù)設(shè)計開發(fā)的虛擬實驗軟件體積小、質(zhì)量高、運算速度快，操作簡單方便，具有較強的可移植性、交互性和仿真性，非常適合在線教學(xué)，為以后虛擬實驗室的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ).

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

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

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

[4] 郭德偉,柯建宏.基于Flash ActionScript的機構(gòu)運動簡圖測繪實驗設(shè)計與開發(fā)[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(2):105-107.

[5] Guo De-wei, Xiao Tian-qing.Kinematic Simulation Design of Planar Four-bar Linkage Based on Flash ActionScript [C].Xueli Zhou.2010 Third International Conference on Education Technology and Training ,2010: 301-304.

[6] 譚偉明,唐東煒,吳楷.齒輪范成實驗的一種圖形仿真系統(tǒng)[J].實驗技術(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目（2010C076）

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

[責(zé)任編輯 張燦邦]