裝備認知虛擬實驗系統的開發

吳緯緯 范建蓓 蔡娥 單巖

【摘要】針對裝備結構認知教學的特點,利用PowerBuilder、VC++工具,以及SQL server數據庫技術,基于UG NX5.0設計開發了一套機械裝備認知學習的虛擬實驗系統。該虛擬實驗室采用可交互的三維動畫形式,真實地反映裝備的拆裝和機構運動過程,并以三維模型和知識點相結合的方式,直觀生動地展示裝備結構設計知識,大大提高了教學效率和效果。

【關鍵詞】虛擬實驗室;裝備認知;交互拆裝

引言

實物拆裝實驗在高校機械類課程教學中扮演著非常重要的角色[1]。隨著現代教育技術的不斷發展,高校教學手段的不斷提高,傳統實物拆裝實驗的缺陷日益突出:1)實驗模型制作成本高;2)實驗內容和教學功能局限性大;3)教學效果受時間、場地、設備數量等的限制;4)品種有限,更新困難;5)教學管理成本高;6)實驗安全隱患大等。計算機技術的進步為虛擬實驗室的發展提供了有力的條件,目前國內外許多研究機構對虛擬實驗室技術做了大量的工作,但是面向機械裝備設計方面的虛擬實驗室研究尚少[2] [4] 。

針對上述問題,我們設計開發了“裝備結構認知虛擬實驗系統”(以下簡稱“虛擬實驗系統”),不僅彌補了上述不足,而且學生在實驗的同時可以自主查閱相關理論知識,克服了傳統實驗教學與理論知識脫節的弊端。該系統已成功應用于模具拆裝實驗教學中。

一 虛擬實驗室概述

虛擬實驗系統綜合壓縮機、減速器、模具等機械裝備設計的教學思路,利用三維造型、機構運動分析、可視化仿真、人機交互等計算機應用技術,開發了裝備基本結構、裝備典型結構、裝備實例等虛擬實驗室,每個實驗室都包含裝備結構認知、拆裝實驗、運動仿真三大實驗模塊。同時,系統開發了一套完整的知識庫管理平臺,有效地虛擬實驗系統中的所有數據進行管理和維護,保證虛擬實驗的順利進行。

二 系統總體結構及相關技術

1 虛擬實驗室總體結構

按照使用層次不同,本文開發了面向教師的管理級系統和面向學生的用戶級系統。

面向教師的管理級系統主要用于實驗裝備數據、知識等的維護和管理。主要功能包括新實驗的擴充和知識管理兩大部分。教師可以利用系統提供的工具,不斷增加虛擬實驗室的實驗內容,比如實例擴充;可以在知識庫管理平臺上管理和維護所有實驗相關的三維數模和理論知識,建立數模與知識的邏輯對應關系;

面向學生的終端用戶級系統,即虛擬實驗室系統,運行于3D設計軟件UG NX 5.0環境下。在此系統中,學生可以全方位、多角度查看裝備的結構、查詢相關理論知識;可以觀看裝備的自動拆裝過程,也可以進行自主拆裝實驗;還可查看裝備的運動仿真情況。系統使用時的情況如圖 1所示。

圖 1

2系統開發平臺

教師管理級系統以SQL Server為數據庫平臺,用PowerBuilder軟件開發。學生端用戶系統基于UG API二次開發技術,采用VC++語言開發[5]。

三 系統設計與實現

1 知識庫管理系統的設計與實現

教師管理級系統實現對裝備結構知識、3D模型數據的維護管理,以保證虛擬實驗室的正常運轉。教師端管理系統主要由裝備結構管理、裝備實例管理兩大功能模塊組成,如圖 2所示。

圖 2

裝備結構管理模塊,又包含了三大功能:裝備分類管理、零件模型管理和裝備知識管理。

(1)“裝備分類管理”提供了設計裝備分類和裝備結構的工具。即教師可以根據所需教學的裝備特點自主設計裝備的結構信息,對裝備的知識結構框架進行搭建。

(2)“裝備知識管理”是對裝備設計需用零部件的基本知識的管理。根據“裝備分類管理”中得到的裝備的知識框架,利用該工具,錄入裝備本身、其組成部分,以及其單個零部件的名稱、定義、示意圖和設計原則等信息。

(3)“零件模型管理”是對組成裝備的零部件模型的管理。同樣根據已構建的裝備知識組成框架,利用該工具,在裝備本身、其組成部分,以及對應的零部件處錄入相應的3D模型。

裝備實例管理模塊的三大部分功能是:基本裝備管理、典型裝備管理和裝備實例管理。該模塊的功能是對各具體裝備模型進行管理。用戶可以根據定義好的裝備框架對具體的零部件歸類,并指定零部件所屬的標準框架,以供學生用戶方便的調出相關零部件的相關知識。

以模具實驗數據管理為例,“裝備結構管理”可以定義模具知識的框架,由模具類型(如注塑模、吹塑模等)、標準組成部分(如澆注系統、冷卻系統、頂出系統等),以及各部分的組成零部件(如定位圈、澆口套、冷卻水管、喉塞、頂桿等)以“樹”的形式構建。同時,可以在“樹”的節點處錄入對應零部件知識要點,并放入零部件的三維模型路徑,以支持學生在知識認知中更直觀的學習。

“裝備實例管理”主要是對具體模具3D模型的管理,允許用戶放入基本模具、典型模具和模具實例的多副數模,并對數模中的零部件與標準框架中的零部件進行邏輯關聯,以保證學生可以對“模具實例”中的任意零件進行知識索引操作。

2 虛擬實驗室的設計與實現

虛擬實驗室系統主要針對終端學生用戶,依據裝備設計教學思路,以基本結構、典型結構和裝備實例為教學入口,由具體的裝備3D模型開展教學,進入該系統的核心——三個實驗室:結構知識實驗室、裝配實驗室、仿真實驗室。實現后終端用戶的操作流程如圖3所示。

(1) 結構知識實驗室的設計與實現

該實驗室主要解決學生對裝備認知的問題。學生用戶通過UG NX進入實驗室,打開基本結構、典型結構或裝備實例中的任意一套裝備數模。可以在數模窗口中查看任意零部件的名稱;并且,對于任意選定的零部件,通過點擊知識點功能可以索引出選中部件的名稱、定義、設計原則等知識。

同時,在知識點窗口中可以查看該裝備的整體結構框架,及各個組成部分零部件知識。學生用戶亦可以通過知識窗口的功能鍵,打開相應標準零部件的單個三維數模。不管是對整幅裝備模型,還是對單個零部件模型,學生用戶都可以方便的使用旋轉、剖切、透明設置多方位等方式更深入清晰的查看裝備及其零部件結構,以達到最大的學習效果。

圖 3

(2) 裝配實驗室的實現

裝配實驗室的核心包括兩大模塊:1)查看裝備零部件自動拆卸和組裝的過程;2)用戶自主交互拆卸和組裝。

學生用戶通過本系統打開需要進行拆裝實驗的3D裝備模型,進入裝配實驗室,利用查看演示裝配功能,查看裝備零部件自動拆卸和組裝的過程。

自主交互裝配功能,提供了完成自主交互拆裝的工具。在此過程中,用戶依次選擇拆卸對象,系統根據管理端預設的拆卸次序,自動判斷用戶的拆卸順序是否正確,若拆卸次序出現錯誤,出現錯誤提醒對話框,并提供查詢正確次序零件的工具,實現交互拆卸的順利進行。同樣,在自主交互組裝過程中,用戶可以選擇組裝部件,還是組裝整個裝備,組裝過程中,如果出現安裝順序錯誤,系統亦會出現錯誤提示引導用戶安裝。

該實驗室功能實現的難點在于,自主拆裝中的零件的次序問題。為了能最真實的反應現實情況下最真實的拆裝過程,本系統通過對模型裝配樹進行特殊處理,結合一些編程技巧得以成功實現。

(3) 仿真實驗室的設計與實現

仿真實驗室的核心是觀看工況下裝備運動的情況。

學生用戶進入運動仿真模塊,可以在仿真過程中通過旋轉、放大、縮小、剖切、和設置透明度等方式查看裝備工況下內部機構、外部和局部零部件的運動情況;并可介入仿真過程,對其進行暫停、選擇播放位置、停止等操作。

四 應用實例

1 知識管理平臺實例

本系統現在已經成功應用于模具認知虛擬實驗室,教師管理級用戶首先通過本系統開發的工具搭建模具組成的結構框架。

系統會根據用戶定義的結構框架自動在窗口左側以“樹”的形式顯示,如圖 4所示。

圖 4

管理級用戶僅需在知識窗口部分放入知識文檔,在窗口上方利用功能鍵指定對應零部件的3D模型路徑即可。

具體整副模具實例的管理,用戶可以錄入該副模具的基本信息,錄入后的模具會在窗口左側分欄處自動顯示,用戶可雙擊查看目標對象的信息。

基本信息已錄入完成的模具在如圖 5所示窗口的左側自動顯示,同時,在該窗口中對整副模具的各個零部件進行管理,指定零部件的名稱、數量、與所屬的基本框架類型進行關聯,以及其3D模型路徑等信息。

圖 5

2 虛擬實驗系統應用實例

學生用戶通過本系統,在UG NX軟件環境下打開某副模具的三維模型,如圖 6所示。用戶將鼠標移到任意零部件處,窗口信息欄中都會顯示相應零部件的中文名;單擊“結構知識實驗室”功能鍵,選擇任意零部件,即可調出所選零部件的知識窗口,如圖 7所示。

圖 6

圖 7

利用“裝配實驗室”功能鍵,進入裝配實驗室,如圖 8所示。可以觀看模具自動拆裝的過程,也可以對模具進行自主裝配。

圖 8

同樣,利用“運動仿真實驗室”功能鍵進入運動仿真實驗室,如圖 9所示。可以查看模具開、合模,及頂出過程。

圖 9

五 結束語

本文針對目前高校機械設備拆裝實驗課程中存在的問題,以專業3D設計軟件為基礎,利用二次開發技術實現了裝備認知的虛擬實驗系統,并將該系統應用于多所高等院校的模具教學中。實踐表明,該方案可很好地滿足機械設備結構認知教學的需要,并有效地提高教學效率和效果。

參考文獻

[1] Steidley Carl, Bachnak Rafic. Developing a Prototype Virtual Laboratory for Distance Science and Engineering Education [Z]. Information Technology Based Higher Education and Training 6th International Conference, July 2005, Juan Dolio, Dominican Republic.

[2] M. Karweit, Enhanced learning through virtual laboratory[Z]. Proceedings of the 2002 ASEE Annual Conference and Exposition, June 2002, Montreal, CA.

[3] 歐陽星明, 姚小龍, 謝欣榮. 網絡虛擬實驗室的設計與實現[J]. 計算機工程, 2004, 30(2): 185-186

[4] 張剛, 李火生, 侯強. 基于VRML-Java的虛擬裝配系統開發[J]. 計算機工程, 2008, 34(13): 264-266

[5] 蔡娥, 許躍敏, 鐘崴, 童水光. 面向對象的大型企業設備管理軟件的研究[J]. 計算機工程與應用, 2000, 1, 167-170

Developing a Virtual Experiment System for Recognizing an Equipment

WU Wei-wei 1,FAN Jian-bei2,CAI E 1,SHAN Yan1

(1.Institute of Chemical Machinery Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China2. Mechatronics Vocational Technical College of Zhejiang Province 310053, China)

Abstract: A virtual interactive system is presented to carry out the disassembly experiment in teaching machinery and equipment. The system is developed based on UG NX5.0, using PowerBuilder, VC + + tools, as well as the SQL server database technology. Besides the powerful interactive disassembly tools, the 3D animation technique is used to illustrate the disassembly process. The working principle is revealed by motion simulation and the related knowledge can be searched out from database. Compared with the traditional methods, the virtual system can largely improve the teaching efficiency.

Keywords: Virtual Lab, Machinery and Equipment Learning, Interactive Disassembly