齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用

苗 淼，王志瓊，劉津彤，寇尊權(quán)，楊 楠

(吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院 國(guó)家級(jí)機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

齒輪是機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的零件之一，是眾多機(jī)電產(chǎn)品的核心部件，在機(jī)械類課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有相當(dāng)大的比重[1-2]。齒輪設(shè)計(jì)涉及眾多參數(shù)，完工齒輪的各項(xiàng)參數(shù)是否符合設(shè)計(jì)要求對(duì)齒輪傳動(dòng)的性能有著重要的影響[3-5]。檢測(cè)齒輪是否合格，要通過(guò)檢測(cè)項(xiàng)目和相應(yīng)的檢測(cè)儀器確定。

隨著國(guó)家對(duì)高等教育經(jīng)費(fèi)投入的逐年增加[6-7]，為滿足高校人才培養(yǎng)和科研的需求，大型精密儀器設(shè)備的數(shù)量在高校內(nèi)有所增加，但加強(qiáng)大型精密儀器設(shè)備管理、提高設(shè)備利用率和普教率是當(dāng)前面臨的十分緊迫的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題[8-9]。目前機(jī)械虛擬仿真國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心下設(shè)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有國(guó)內(nèi)先進(jìn)、現(xiàn)代化生產(chǎn)中，大、中型企業(yè)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品齒輪精度檢測(cè)常用的高精密檢測(cè)儀器設(shè)備齒輪測(cè)量中心1臺(tái)，并且已經(jīng)初步投入了齒輪綜合實(shí)驗(yàn)——齒輪精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn),將大型貴重精密檢測(cè)儀器設(shè)備齒輪測(cè)量中心應(yīng)用于本科生教學(xué)[10-11]。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在獨(dú)立設(shè)課的本科生必修課程機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅱ中，通過(guò)該門(mén)課程學(xué)習(xí)使學(xué)生加深對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)齒輪精度檢驗(yàn)項(xiàng)目的理解，了解齒輪精度檢測(cè)儀器的使用方法，提高運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)和工具解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力[12]。

但隨著課程的開(kāi)設(shè)逐漸暴露出大型精密檢測(cè)儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，無(wú)法大量購(gòu)置，因此無(wú)法多人共同實(shí)驗(yàn)；操作復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行培訓(xùn)，但有效學(xué)時(shí)不足；對(duì)環(huán)境要求高，維護(hù)成本高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，基于互聯(lián)網(wǎng)+，結(jié)合現(xiàn)有資源嘗試建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相互依存相互補(bǔ)充，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)從而提高大型精密儀器設(shè)備利用率和普及率，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[13-16]。本文基于齒輪測(cè)量中心和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，旨在為學(xué)生提供基于齒輪測(cè)量中心的齒輪精度綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)平臺(tái)以及師生交流平臺(tái)，不僅受益于本校學(xué)生，同時(shí)可以與國(guó)內(nèi)其它高校、社會(huì)人員實(shí)行資源共享。

1 建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)

利用檢測(cè)領(lǐng)域前沿技術(shù)，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)交互平臺(tái)，研發(fā)基于高精密檢測(cè)儀器設(shè)備的齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)制作包含一系列齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅱ中的齒輪精度真實(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)集成為齒輪精度綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，從而創(chuàng)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行典型零部件的裝夾、檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、虛擬檢測(cè)、檢測(cè)曲線動(dòng)態(tài)變化分析、檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷等過(guò)程的學(xué)習(xí)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本掌握實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和齒輪精度理論知識(shí)。然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，將基于互聯(lián)網(wǎng)+的虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用于本科生教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并且解決大型精密檢測(cè)儀器設(shè)備操作復(fù)雜、學(xué)時(shí)不足、對(duì)環(huán)境要求高，無(wú)法多人共同實(shí)驗(yàn)等普遍問(wèn)題。

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目符合國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的要求，達(dá)到了建立具有先進(jìn)性、需求性、特色性和共享性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的目標(biāo)。

2 齒輪精度虛擬檢測(cè)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將齒輪精度綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分成4大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，虛擬實(shí)驗(yàn)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成如圖1所示。

圖1 齒輪精度綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成

齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)涵蓋實(shí)驗(yàn)前兩項(xiàng)內(nèi)容，即實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與虛擬實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)設(shè)計(jì)流程如表1所示。其中預(yù)習(xí)考試、真實(shí)實(shí)驗(yàn)預(yù)約、真實(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)、報(bào)告提交和報(bào)告成績(jī)依托機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理。

表1 齒輪精度虛擬檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

3 虛擬檢測(cè)平臺(tái)內(nèi)容建設(shè)

齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)基于unity3d技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了7個(gè)子模塊，分別為實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?nèi)容、儀器設(shè)備介紹、實(shí)驗(yàn)原理、步驟、視頻和虛擬實(shí)驗(yàn)，其中前6個(gè)子模塊構(gòu)成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊。

3.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊

該模塊主要通過(guò)文字、三維立體圖形、聲音和動(dòng)畫(huà)為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)完成后進(jìn)行網(wǎng)上預(yù)習(xí)考試，給定預(yù)習(xí)成績(jī)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕鞘箤W(xué)生了解齒輪測(cè)量中心的基本結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理及操作方法，加深對(duì)齒輪齒廓、螺旋線等概念的理解，掌握數(shù)據(jù)處理方法及尺寸合格性判斷原則；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是檢測(cè)圓柱齒輪精度,齒廓、螺旋線、齒距和徑向跳動(dòng)；儀器設(shè)備介紹和實(shí)驗(yàn)原理詳細(xì)介紹了儀器設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理；實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)視頻分別運(yùn)用文字和動(dòng)畫(huà)講解了實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程與注意事項(xiàng)，如圖2所示。

圖2 虛擬檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

預(yù)習(xí)準(zhǔn)備完成后，學(xué)生可以從預(yù)習(xí)考試題庫(kù)中自行抽取10道試題進(jìn)行解答，答對(duì)8道以上可以繼續(xù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，如果少于8道題，強(qiáng)制學(xué)生繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，不能進(jìn)行虛擬操作。每位同學(xué)有3次機(jī)會(huì)。同時(shí)，簽錯(cuò)的題會(huì)自動(dòng)彈出正確答案，并給予解釋。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K

預(yù)習(xí)成績(jī)達(dá)到要求后，可操作虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該模塊即為齒輪精度虛擬檢測(cè)，操作完成后，根據(jù)操作步驟打分，并對(duì)操作錯(cuò)誤給予提示。

虛擬實(shí)驗(yàn)操作模塊中，建立與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室同樣的虛擬操作實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擺放著和真實(shí)實(shí)驗(yàn)同樣的三維立體虛擬儀器設(shè)備，可以360°觀看。虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)右下角操作步驟進(jìn)行虛擬操作。對(duì)于局部操作視角右上方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小窗口。這個(gè)小窗口起到局部放大的功能，幫助進(jìn)行虛擬操作。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作步驟都有一定的分值，如果操作正確，給予分值，學(xué)生可繼續(xù)操作；如果操作錯(cuò)誤，不給于分值，同時(shí)頁(yè)面給予正確操作提示，保證學(xué)生繼續(xù)操作，如圖3所示。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量管理

該實(shí)驗(yàn)實(shí)行過(guò)程管理，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)完成后進(jìn)行網(wǎng)上預(yù)習(xí)測(cè)試，給定預(yù)習(xí)成績(jī)。預(yù)習(xí)成績(jī)達(dá)到要求后，網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)操作，操作完成后，根據(jù)操作步驟打分。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后由實(shí)驗(yàn)教師給予實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)，錄入網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械精度分析與判斷，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師給予批改，進(jìn)行打分。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)4大部分的成績(jī)進(jìn)行綜合加權(quán)，獲得學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)生可以根據(jù)互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論，實(shí)驗(yàn)咨詢。教師可以通過(guò)互動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解答，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

圖3 齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

齒輪精度檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)創(chuàng)建了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有效地改善了學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，從根本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。該平臺(tái)為吉林大學(xué)國(guó)家級(jí)機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的一個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)布于機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上，網(wǎng)址為：http://vmech.jlu.edu.cn。近2年該平臺(tái)與機(jī)械工程綜合實(shí)驗(yàn)Ⅱ中的齒輪精度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，為機(jī)械類和近機(jī)類本科生開(kāi)設(shè)虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生還可以通過(guò)登錄平臺(tái)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)，教學(xué)效果良好。同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)與校內(nèi)其它學(xué)生和其他高校師生進(jìn)行資源共享，擴(kuò)大受益面，起到了很好的示范輻射作用。