衡智博++崔冰艷++竇玉廣++孫世琪++程楊++張佳勝

【摘要】針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室在通用性和開放性方面具有的局限性，提出了能夠等價(jià)甚至優(yōu)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的策略。引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)理論、采用CREO二次程序開發(fā)創(chuàng)建了機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程中包含的軸系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意組合設(shè)計(jì)、減速器的虛擬設(shè)計(jì)及裝拆和齒輪傳動(dòng)三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并利用C#軟件和Adams軟件對(duì)模塊進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，最后利用Unity3D軟件對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，建成了一個(gè)面向所有機(jī)械專業(yè)的學(xué)生的能力導(dǎo)向?qū)W訓(xùn)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的成功搭建解決了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的諸多問題，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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

【基金項(xiàng)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(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2015GJJG084）；華北理工大學(xué)教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目（z1401-01）；華北理工大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（X2016201）。

【中圖分類號(hào)】TH122；TH16 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】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(kuò)大，一方面普通實(shí)驗(yàn)室的更新速度無法跟上技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備及規(guī)模已經(jīng)不能滿足日益增長的教學(xué)需要；另一方面機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程存在著知識(shí)較為抽象，實(shí)際操作過程繁瑣并且容易出錯(cuò)等方面的問題，這就導(dǎo)致學(xué)生很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)并解決出現(xiàn)的問題。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)可以很好的解決以上問題。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(xué)化學(xué)工程系建立了虛擬工程/科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；德國魯爾大學(xué)研發(fā)了控制工程的體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。在國內(nèi)，華中理工大學(xué)研發(fā)了機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)室；長春理工大學(xué)構(gòu)建的機(jī)械基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了可視化、交互式的目的。

本項(xiàng)目組基于虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建方法，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求，提出能夠取得等價(jià)甚至優(yōu)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的策略，開發(fā)出了能力導(dǎo)向?qū)W訓(xùn)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

能力導(dǎo)向?qū)W訓(xùn)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分為軸系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意組合設(shè)計(jì)、減速器的虛擬設(shè)計(jì)及裝拆和齒輪傳動(dòng)三個(gè)模塊，將現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與裝配界面的設(shè)計(jì)。

利用Creo建模軟件實(shí)現(xiàn)了三維建模功能，通過改變?cè)O(shè)計(jì)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(duì)軸系零件進(jìn)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(jìn)行編號(hào)，使軸系結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的可裝卸體系，以供學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)參考，圖2給出一種一級(jí)斜齒輪軸系的裝配。

2.減速器設(shè)計(jì)及拆裝實(shí)驗(yàn)?zāi)K

減速器的設(shè)計(jì)及拆裝是機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程中比較典型的實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)減速器的設(shè)計(jì)與拆裝，可以具體詳細(xì)地了解減速器的整體結(jié)構(gòu)、功能及設(shè)計(jì)布局。對(duì)不同類型減速器進(jìn)行分析比較，加深對(duì)機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，為機(jī)械零部件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

利用Creo軟件三維建模功能分別建立了一級(jí)圓柱斜齒減速器、一級(jí)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(xué)生可以在零件庫中選中零件，通過拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式旋轉(zhuǎn)零件，從各個(gè)角度對(duì)三維模型進(jìn)行觀察。利用C#編程軟件和Adams仿真軟件軟件實(shí)現(xiàn)了減速器拆裝過程的操作，如圖2所示，學(xué)生通過虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)?zāi)芨宄牧私鉁p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(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該模塊是針對(duì)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要是利用編程軟件對(duì)齒輪傳動(dòng)參數(shù)的編程計(jì)算。通過Creo的二次開發(fā)將參數(shù)化設(shè)計(jì)與可視化建模仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，直接對(duì)傳動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算，該模塊加深了學(xué)生對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)原理影響的理解。

三、人機(jī)交互和教學(xué)管理系統(tǒng)

人機(jī)交互和教學(xué)管理這一模塊主要是針虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)在線和資源共享功能的設(shè)計(jì)。通過對(duì)其他已有的虛擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)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(jì)出網(wǎng)絡(luò)在線時(shí)的登錄界面和各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的操作界面，完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體框架。學(xué)生可以通過人機(jī)交互系統(tǒng)直接登錄，進(jìn)如虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選擇性的進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作和學(xué)習(xí)，同時(shí)也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，達(dá)到更好地學(xué)習(xí)效果。而老師通過教學(xué)管理系統(tǒng)發(fā)布設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)信息，同時(shí)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的難題。

四、結(jié)論

對(duì)Creo進(jìn)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(jì)、減速器的虛擬設(shè)計(jì)及裝拆和帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三個(gè)模塊分別進(jìn)行了詳盡的設(shè)計(jì)、整合，將三個(gè)試驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行進(jìn)一步導(dǎo)入設(shè)計(jì)，最終構(gòu)成一個(gè)面向所有機(jī)械專業(yè)的學(xué)生的能力導(dǎo)向?qū)W訓(xùn)結(jié)合的機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。能力導(dǎo)向?qū)W訓(xùn)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建很好地解決了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的局限性，同時(shí)優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提高了實(shí)際操作可行性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]童小利，金秋春.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jī)械產(chǎn)品虛擬裝配技術(shù)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，6（05）：31-33.

通訊作者：

崔冰艷（1978-），女，沈陽人，博士，副教授。