基于3D打印技術的機械基礎實驗室方案研究

鄭耿樂

摘 要：在機類基礎課程學習過程中，常用零部件、傳動機構、常用機構是教學的重要部分，需要學生知道其結構、原理和常見故障排除。

關鍵詞：3D打?。粰C械基礎

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）05-014-01

在機類基礎課程學習過程中，常用零部件、傳動機構、常用機構是教學的重要部分，需要學生知道其結構、原理和常見故障排除。而在培訓和教學過程中如何讓專業基礎課程更加緊貼專業課、更加緊貼生產實際，成為必須面對的問題。為提高《機械基礎》實驗課程教學水平，筆者提出了一種基于3D打印技術的實驗室建設方案。

一、方案總體設想

機械基礎半實物仿真實驗室系統由3d打印模塊和仿真設計模塊組成。仿真設計模塊的主要作用是提供一個原理演示和仿真設計環境，逼真地再現學生在實驗過程中看到的情況，并通過顯示系統達到與操作者實時互動，讓學生產生身臨其境的感覺。根據仿真實驗室系統的作用，對系統提出如下功能要求：建立一個逼真的虛擬環境，包括自然環境、工作環境和實驗環境；能夠達到人機互動，并通過顯示終端實時顯示實驗狀態；事件特殊效果的顯示和運動碰撞檢測響應與實際情況相符。3d打印模塊包含3d打印機硬件、驅動程序和模型優化程序組成，可完成仿真設計模塊設計的零部件。在仿真設計模塊中用戶管理模塊完成對使用者（學生）和管理者基本信息、學習進度、考核情況等基本信息進行管理。原理學習模塊包含文字、圖片、視頻等多媒體素材，按照《機械基礎應用》教材章節進行編排。學生可通過目錄和關鍵詞檢索兩種方式學習、查閱相關知識。為開闊學生視野在原理學習模塊還將編排部分拓展內容。在虛擬實驗模塊中學生可以通過鼠標拾取、點擊菜單等方式完成預定實驗。參數化設計模塊將利用soliderworks提供的動態鏈接庫進行二次開發，學生通過勾選、指定輸入等方式來完成常見機械零部件的設計和三維形體展示。在3d打印模塊中模型優化程序完成3d模型格式的轉換和面數的優化。系統總體組成框圖如圖1所示。

圖1系統總體組成框圖

圖2 軟件功能組成框圖

機機械基礎半實物仿真實驗室系統軟件部分依靠unity3d引擎采用Visual C#來進行開發。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技術WPF，采用XAML語言來進行編寫，數據庫管理部分采用SQL2008來進行存儲。為提高程序開發效率采用模塊化編程思想，軟件模塊劃分如圖二所示。

二、方案設計關鍵技術

1、3D打印技術

3D打印（3D printing），即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。

2、unity3d虛擬仿真技術

Unity3d是Unity Technologies開發的一款跨平臺虛擬仿真開發工具，是一個全面整合的專業三維引擎。該引擎支持DirectX和OpenGL擁有高度優化的圖形渲染通道，支持所有主要三維文件格式，并能和大部分相關應用程序協調工作。運用C#編寫的腳本可以靈活實現多種虛擬仿真應用，仿真部分程序總體流程可參考如圖3所示。

3D打印技術可以在機械基礎傳統的實物實驗室和虛擬實驗室直接架起一座橋梁，既解決傳統實物實驗室造價高不以維護的難題，同時也可解決虛擬實驗室真實性不足的問題。