能力導向學訓結合機械設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)境的機械設計虛擬實驗的策略。引入?yún)?shù)化設計理論、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構的創(chuàng)意組合設計、減速器的虛擬設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計，最后利用Unity3D軟件對機械設計虛擬實驗平臺進行了總體設計，建成了一個面向所有機械專業(yè)的學生的能力導向學訓結合的機械設計虛擬實驗平臺。該平臺的成功搭建解決了實驗課程教學中的諸多問題，具有很高的應用價值。

【關鍵詞】參數(shù)化設計 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的發(fā)展，實驗室的設備及規(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構的網(wǎng)絡虛擬實驗室。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；長春理工大學構建的機械基礎虛擬實驗室實現(xiàn)了可視化、交互式的目的。

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

二、虛擬實驗平臺的構建

能力導向學訓結合的機械設計虛擬實驗平臺是以機械設計課程中的實驗為基礎，分為軸系結構的創(chuàng)意組合設計、減速器的虛擬設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，以網(wǎng)絡在線的形式再現(xiàn)出來。

1.軸系結構組合設計實驗模塊

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

利用Creo建模軟件實現(xiàn)了三維建模功能，通過改變設計參數(shù)，建立了軸系各部分構件的三維模型，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，使軸系結構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.減速器設計及拆裝實驗模塊

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

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)部構造和裝拆過程。

3.齒輪的參數(shù)化設計實驗模塊

該模塊是針對齒輪傳動的設計，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)化設計與可視化建模仿真運動結合起來，改變結構參數(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)化設計對機器結構，強度等設計準則和設計原理影響的理解。

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)絡在線和資源共享功能的設計。通過對其他已有的虛擬平臺的設計進行研究，經(jīng)過討論與比較，利用C#軟件和Unity3D軟件的結合，設計出網(wǎng)絡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)布設計虛擬實驗信息，同時對學生的實驗操作結果進行評判，解決學生學習過程中遇到的難題。

四、結論

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，將軸系結構的創(chuàng)意組合設計、減速器的虛擬設計及裝拆和帶傳動和齒輪傳動等常見傳動機構三個模塊分別進行了詳盡的設計、整合，將三個試驗模塊進行進一步導入設計，最終構成一個面向所有機械專業(yè)的學生的能力導向學訓結合的機械設計虛擬實驗平臺。能力導向學訓結合機械設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)化了實驗設備，提高了實際操作可行性，具有很高的應用價值。

參考文獻：

[1]童小利，金秋春.機械創(chuàng)新設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。