吳青鳳，江 帆，李東煒

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

基于VB的減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)

吳青鳳，江 帆，李東煒

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

運(yùn)用SolidWorks軟件建立了減速器常用零部件的三維實(shí)體模型，并對減速器進(jìn)行了虛擬拆裝過程的動畫制作及運(yùn)動仿真。利用VB軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以常用的兩級圓柱齒輪減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)為例，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐結(jié)果表明，通過該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并結(jié)合減速器實(shí)物拆裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和質(zhì)量。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可用在“機(jī)械設(shè)計(jì)”及其課程設(shè)計(jì)的理論課教學(xué)中。

減速器拆裝；SolidWorks；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；VB

減速器是機(jī)械系統(tǒng)中比較典型的傳動裝置，它由多種通用零部件組成，如齒輪、軸、軸承、箱體、密封元件及潤滑裝置等。減速器的拆裝實(shí)驗(yàn)是高?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)”課程中的一個傳統(tǒng)的、重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過對減速器的拆裝實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解減速器的結(jié)構(gòu)、各零件的結(jié)構(gòu)和功用、軸系與箱體的定位、軸上零件的定位、軸承的潤滑與密封方式、減速器的裝配關(guān)系以及安裝調(diào)整過程等，從而對機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)有初步的了解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)［1－3］。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，傳統(tǒng)的減速器拆裝實(shí)驗(yàn)雖然有利于對學(xué)生實(shí)際動手能力的培養(yǎng)，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不是很好，主要原因是：減速器拆卸前無法看到減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即使有指導(dǎo)教師的演示，學(xué)生在拆裝時還是感到困難，用于實(shí)物拆裝的時間較多，實(shí)驗(yàn)效率較低。

基于上述原因，采用SolidWorks三維造型軟件對減速器的典型的零部件進(jìn)行了建模，同時對減速器的運(yùn)動、分解和組裝過程進(jìn)行了動畫仿真，并利用Visual Basic軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與減速器實(shí)物拆裝相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的程序同時發(fā)布在校園網(wǎng)上，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可以不受時間、地點(diǎn)和空間限制地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)還可以用于理論課減速器知識的講解中，從而加深學(xué)生對理論知識的理解和掌握［4－6］。

1 典型的減速器的建模

1.1 零部件的建模

主要包括齒輪、蝸輪、蝸桿、軸、箱體、軸承等減速器常用零部件的三維建模。每一個零部件可以通過在文本框輸入縮放倍數(shù)來放大或縮小觀看，也可以變換角度，從不同角度觀看其結(jié)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，還可以用三維剖面圖的形式展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)［7］。

1.2 減速器的虛擬裝拆及運(yùn)動仿真的動畫制作

根據(jù)減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各個零部件間的約束關(guān)系，確定整臺減速器合理的裝配順序，嚴(yán)格按照減速器裝配順序，通過Solidworks軟件進(jìn)行零部件裝配，可以裝配成不同類型的減速器。再利用Solidworks軟件的模擬功能，以裝配后的減速器實(shí)體模型為基礎(chǔ)，建立其運(yùn)動模型，對減速器的運(yùn)動進(jìn)行仿真。運(yùn)動仿真完成后再利用Solidworks軟件中的Aminter插件以動畫的形式來表現(xiàn)減速器的拆卸和裝配過程。運(yùn)動仿真過程、拆卸過程及裝配過程均保存為AVI視頻文件，供系統(tǒng)的程序調(diào)用［8－9］。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

減速器拆裝實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生熟悉減速器的基本結(jié)構(gòu)、用途及特點(diǎn)，了解減速器各零件的名稱、結(jié)構(gòu)和作用，了解軸上零件的定位和固定、齒輪和軸承的潤滑、密封，熟悉減速器的拆裝及調(diào)整過程等［10］。為了達(dá)到上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了5個主要功能模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報告。用Word制作成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)報告，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前可以閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，作好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書包含了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作步驟以及實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告后，可以下載、打印交給指導(dǎo)教師，也可以直接發(fā)郵件給指導(dǎo)教師。

（2）減速器常用零件的三維模型的建立。系統(tǒng)提供了多種零件的三維視圖，讓學(xué)生了解和掌握不同零件的結(jié)構(gòu)。學(xué)生可在做實(shí)驗(yàn)前調(diào)用察看。

（3）不同類型的減速器的運(yùn)動仿真。系統(tǒng)提供了多種不同類型減速器的運(yùn)動仿真視頻，讓學(xué)生了解和掌握減速器各個零部件的運(yùn)動情況以及不同類型的減速器運(yùn)動的區(qū)別。

（4）不同類型的減速器的拆卸和裝配過程的仿真。系統(tǒng)提供了多種不同類型減速器的拆卸和裝配過程仿真，讓學(xué)生了解和掌握拆裝減速器的正確順序以及不同類型的減速器拆裝的特點(diǎn)和區(qū)別。

（5）實(shí)驗(yàn)幫助。主要包括減速器相關(guān)知識和常見的問題及解答。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生如有問題，可隨時進(jìn)入實(shí)驗(yàn)幫助系統(tǒng)尋找答案。在幫助系統(tǒng)中找不到答案的問題，學(xué)生還可以通過網(wǎng)絡(luò)在線向教師提問或與同學(xué)交流，提高學(xué)習(xí)效率［11］。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作主界面設(shè)計(jì)

利用Visual Basic軟件創(chuàng)建系統(tǒng)的操作主界面和進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)包括選單（菜單）設(shè)計(jì)、主界面程序設(shè)計(jì)、零部件的三維視圖模塊設(shè)計(jì)、減速器的運(yùn)動仿真及拆裝過程的模塊設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主界面的選單設(shè)計(jì)如表1所示。在系統(tǒng)的主界面，通過單擊選單來調(diào)用各個下級程序，如實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)幫助。而零部件的三維視圖模塊設(shè)計(jì)、減速器的運(yùn)動仿真及拆裝過程的模塊設(shè)計(jì)，是利用主界面的主選單及子選單的單擊事件進(jìn)入相應(yīng)的界面，顯示減速器零部件的三維視圖、減速器的運(yùn)動仿真及拆裝過程仿真。所不同的是，減速器的運(yùn)動仿真及拆裝過程仿真采用VB軟件中MMControl控件來播放減速器模擬運(yùn)動、減速器拆卸和減速器組裝的動畫視頻［12］。

表1 系統(tǒng)主界面的主選單及子選單

2.3 系統(tǒng)程序的發(fā)布

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)和編寫之后，利用Visual Basic“打包”功能創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)軟件包或Internet軟件包，再通過“展開向?qū)А睂?chuàng)建好的標(biāo)準(zhǔn)軟件包或Internet軟件包發(fā)布到實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器上或校園網(wǎng)上，方便學(xué)生和教師使用，提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的利用率［13］。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

以常用的兩級圓柱齒輪減速器來介紹該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在減速器拆裝實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

首先啟動系統(tǒng)的應(yīng)用程序，進(jìn)入登錄界面（見圖2）。點(diǎn)擊“登錄”，進(jìn)入系統(tǒng)操作的主界面。

圖2 系統(tǒng)的登錄界面

第一步，可以通過“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”來了解整個實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)；

第二步，可以通過“零部件的三維視圖”的界面了解減速器的零件結(jié)構(gòu)等，圖3所示為兩級圓柱齒輪減速器的零件齒輪的三維視圖；

第三步，可以通過“減速器運(yùn)動仿真”的界面對減速器進(jìn)行運(yùn)動仿真，圖4所示為兩級圓柱齒輪減速器的運(yùn)動仿真圖；

第四步，可以通過“減速器運(yùn)動拆裝仿真”界面進(jìn)行減速器拆卸和組裝仿真實(shí)驗(yàn)，圖5所示為減速器拆卸某一過程的視圖，圖6為減速器完成組裝后的視圖。

圖3 齒輪的三維視圖

圖4 兩級圓柱齒輪減速器的運(yùn)動仿真

圖5 兩級圓柱齒輪減速器的拆卸

圖6 兩級圓柱齒輪減速器的組裝

4 結(jié)束語

該減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)由教師和學(xué)生試用過，師生的一致評價是該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能全面，能夠真實(shí)、生動、形象地模擬整個減速器拆裝的實(shí)驗(yàn)過程，很好地滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。再結(jié)合儀器實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣很濃，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本。該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用在理論課堂教學(xué)中，促進(jìn)了學(xué)生全面理解和掌握減速器相關(guān)理論知識。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)中起到了重要的作用。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)將不斷被完善，并結(jié)合儀器實(shí)驗(yàn)，提高課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，充分發(fā)揮虛擬技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。同時該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想也用在其他課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

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Development of virtual disassembly and assembly experimental system of reducer based on VB

Wu Qingfeng，Jiang Fan，Li Dongwei
（School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

The three－dimensional entity models of the typical reducer parts are built by using SolidWorks software.The animation and motion simulations of the virtual disassembly and assembly are carried through.The virtual disassembly and assembly experiment system of reducer is designed and developed by using programming technology of VB software.The virtual disassembly and assembly experiment system is applied to the experimental teaching of the two－stage cylindrical gear reducer.The result shows that it can combine the virtual experiment system with the reducer physical disassembly and assembly experimental teaching，the deficiency of the traditional experimental teaching is made up，and the teaching efficiency and quality are improved.Meanwhile，the virtual experimental system can also be used in the theoretical teaching of the mechanical design and curriculum design.

disassembly and assembly of reducer；SolidWorks；virtual experimental system；VB

TP391.9

A

1002－4956（2014）1－0104－03

2013－02－03

國家第二類特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（TS2479）；全國教育科學(xué)規(guī)劃課題（CIA090110）；廣州市教育科學(xué)規(guī)劃課題（10A034）

吳青鳳（1979—），女，安徽桐城，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用