虛擬仿真技術在減速器設計實踐教學中的應用

茍建軍， 范利鋒， 江 洋

（內蒙古大學交通學院， 內蒙古 呼和浩特 010000）

1 傳統減速器設計實踐教學的不足

《機械設計》課程是機械類專業的專業核心課程之一，而減速器設計是該課程中最為關鍵的實踐環節，該實驗集齒輪、軸、軸承、鍵等典型機械機構的設計校核于一體，將機械設計、機械原理、力學計算、機械制圖等多個學科的知識融合應用，對培養學生的機械設計思維、夯實學生的機械設計基本功有十分重要的意義[1-2]。

傳統減速器設計實踐教學方式，在長期的教學實踐中，由于受各種主、客觀條件的制約，凸顯出如下幾個問題：一是實驗中用到的減速器實物模型多為獨立模型，拆裝耗時費力，也無法放在實際運行環境中去體現其原理、作用。二是傳統的理論講授，主要依靠書本，使得減速器設計理論知識的學習方式比較死板，內容繁雜，容易混淆。設計參數的體現不夠生動形象，理論與實踐的結合不夠緊密；三是學生對自己的設計結果無法進行模擬驗證，缺乏設計結果的輸入輸出量化對比，容易忽略一些存在于設計過程中的隱性問題，造成知識盲點[3]。

2 虛擬仿真技術在減速器設計實踐教學中的應用優勢

首先，通過將減速器實物模型和工作環境數字化，學生可通過減速器虛擬拆裝、模擬運行，直觀形象地了解減速器的使用場景、內部結構和傳動原理。其次，通過將齒輪、軸等構件的尺寸、性能參數在其虛擬模型中對應的幾何位置直觀呈現，并引導學生逐步交互學習每一個參數的作用和設計方法，讓理論學習不再枯燥。最后，學生可按照自己所設計的減速器參數，進行減速器建模、裝配，并根據設計任務設定工況，模擬運行，快速準確驗證設計結果是否合格。

3 虛實結合的減速器設計實踐教學平臺構建

3.1 總體思路

構建虛實結合的實踐教學平臺，具體思路是：堅持“虛實結合、以虛促實”的原則，既用“虛”來解決減速器設計結果驗證難、理論學習死板、設計效率低的難題，又用“實”來保證學生設計實操如計算、繪圖的必要工作量，突出該課程的實踐本質，提升實踐教學質量[4]。

3.2 整體架構及開發技術

如圖1 所示，平臺以B/S 架構設計，包括數據層、應用層、輔助層，數據層主要包括學生實驗數據、設計理論與設計結果驗證方法、設計實操規范、減速器數字模型；應用層包括前端的功能調用瀏覽器和后臺的虛擬拆裝、模擬運行、設計理論交互學習、設計結果驗證引導和設計結果驗證五大功能模塊；輔助層主要指支持平臺運行的軟硬件與網絡環境。

開發技術上，平臺管理、任務布置、理論測試、成績考核、學習交流等前端功能利用HTML 技術開發；虛擬拆裝、模擬運行、交互式理論學習、設計結果驗證等引導交互功能利用Unity3D 虛擬仿真技術實現；設計結果驗證中的減速器建模、裝配和運動仿真接入到Solidworks 軟件中完成。

圖1 平臺架構圖

3.3 實驗方法與流程

主要采用“引導交互、虛實結合、學生主導、教師輔助”的實驗方法。

學生進入虛擬實驗平臺后，按照系統引導，閱讀設計任務書，交互完成二級圓柱齒輪減速器虛擬拆裝、工作狀態模擬學生根據系統引導，交互認識齒輪、軸等部件相關參數的位置、作用，交互學習當前某個參數的設計方法、依據，動手計算該參數的設計值。

學生根據設計所得幾何、性能參數，對減速器零部件進行建模、裝配，添加條件約束，完成運動仿真，進行運行指標量化對比，驗證設計結果。

學生提交設計結果，進行設計理論測試，提交交流分享設計心得。整個設計過程主要依靠學生自主完成，教師只需要進行實驗場所秩序維持、軟硬件條件保障、過程監督與糾正、設計圖紙審核與點評等輔助性工作即可。

3.4 實驗內容

實驗內容主要分為減速器結構和原理認識、減速器詳細設計、設計結果驗證三大部分，如圖2 所示。

3.5 評價體系

本實驗平臺采用過程考核與結果考核相結合的方式，從理論測試、設計實操、作品質量三個角度構建起多維度的評估體系。

一是設計理論測試，在本實驗平臺的設計理論在線測試模塊，隨機抽題組卷，檢查學生對設計理論的掌握情況；二是指導教師對設計實操進行過程監督，檢查學生的設計流程是否正確、設計實操是否規范、是否有好的學習態度；三是重點根據設計結果驗證數據、實驗報告、設計圖紙等文檔材料內容，檢查零件尺寸、性能參數計算是否正確、圖紙繪制是否規范、設計結果是否合格。

圖2 實驗內容圖

3.6 實施效果

學生通過減速器虛擬拆裝方便快捷的認識減速器結構和運行原理，虛擬交互的設計理論學習方式讓原本枯燥的書本知識變得立體形象、靈活有趣，方便高效的減速器設計結果驗證，讓學生可以及時準確地對設計結果進行模擬運行驗證，發現設計過程中的隱性錯誤。學生的學習效果和積極性明顯提升。

4 結語

將虛擬仿真技術應用于減速器設計實踐教學，突破了傳統減速器設計過程中的種種制約，使整個減速器設計過程變得高效便捷、生動具體，學生參與的積極性、學習效率都有了很大提升，證明建立虛實結合的減速器設計實踐教學平臺、利用虛擬仿真技術解決機械設計類實踐教學中的難題是可行有效的。