基于Flash ActionScript機械虛擬實驗的設計與開發(fā)

郭德偉閔 潔江 潔蘇艷萍柯建宏

（1.紅河學院 工學院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650093）

基于Flash ActionScript機械虛擬實驗的設計與開發(fā)

郭德偉1,2，閔 潔1，江 潔1，蘇艷萍1，柯建宏2

（1.紅河學院 工學院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650093）

以紅河學院機械實驗教學為原型，采用Flash ActionScript技術為設計平臺，結合Pro/E、AutoCAD等軟件及現(xiàn)代教育技術，設計開發(fā)了5個機械虛擬實驗，指出了該類虛擬實驗在教學中所表現(xiàn)出的優(yōu)越性，并對該校機械虛擬實驗室的建設提出了構想.

虛擬仿真；機械實驗；虛擬實驗室；機械教學

引言

現(xiàn)代教育技術的發(fā)展使計算機虛擬實驗在教學中的應用越來越廣泛[1]，特別是一些高校由于辦學規(guī)模的迅速擴大致使相應配套經(jīng)費投入不能及時到位，出現(xiàn)了實踐教學條件不足、設備老化、更新不便等系列問題.面對高校縮減經(jīng)費投入、提高教學質量等政策，傳統(tǒng)的實驗教學模式受到了巨大的挑戰(zhàn)，這時虛擬實驗教學便成了一個不錯的選擇.目前我國對教學虛擬實驗的研究還缺乏一定的系統(tǒng)性及良好的人性化設計[2]，且開發(fā)虛擬實驗對一般實驗教師還存在一定難度.在虛擬實驗的進行過程中，虛擬儀器如何針對實驗者的所有操作進行正確的響應及使實驗者獲得與實施實際實驗完全相同的體驗，是構建虛擬實驗的核心，更重要的是還要根據(jù)具體虛擬實驗的內容選擇適合的構建技術[3].這里以紅河學院機械實驗教學為原型，采用Flash ActionScript技術為設計平臺，結合Pro/E、AutoCAD等機械常用軟件，利用現(xiàn)代教育技術手段，設計開發(fā)出了其中5個機械虛擬實驗.

1 虛擬實驗的設計與開發(fā)

根據(jù)紅河學院機械工程實驗中心現(xiàn)有的條件，對部分典型實踐教學方式進行了試點改革，將虛擬仿真技術引入實驗教學，主要嘗試開發(fā)了機構及機構組成認知實驗、機構運動簡圖測繪實驗、四桿機構運動原理實驗、漸開線齒輪范成實驗和機械加工誤差統(tǒng)計分析實驗，一定程度上解決了實驗設備不足的問題，還提高的學生的積極主動性，取得了良好的實驗教學效果.所開發(fā)的實驗系統(tǒng)設計的一般結構如圖1所示，幫助部分主要展示本實驗系統(tǒng)的操作環(huán)境及軟件使用方法，相關界面及按鈕的意義等；實驗指導部分主要介紹該實驗的目的、原理、方法、操作步驟、實驗意義等，并提供實驗報告單的下載；進行實驗部分則是虛擬實驗的主體部分，根據(jù)實驗目的及要求完成相關實驗；數(shù)據(jù)分析部分是針對某些數(shù)據(jù)量相對較大的實驗而設計的，以便進一步的實驗研究或為教師對學生實驗報告的批改提供便利.

圖1 系統(tǒng)軟件一般結構

1.1 機構及機構組成認知實驗

機構及機構組成的認知是觀察常用的平面連桿機構、空間連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、齒輪輪系、間歇運動機構以及組合機構的類型與運動情況，以便對機構、機器、運動副構件有一定的認識，對機器的基本要素有初步的了解.傳統(tǒng)實驗方法一般是參觀機械示教陳列柜來完成，但示教陳列柜的局限性及更新問題日益顯現(xiàn).

實驗中心通過Pro/E、UG、AutoCAD等軟件對部分機構建立了三維模型，通過Flash Actionscript技術為設計平臺，利用了XML、Web等技術，開發(fā)了機構及機構組成認知實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)從多角度展示了機構的結構特性或運動特性，系統(tǒng)可實現(xiàn)與外部文件的鏈接從而方便實現(xiàn)系統(tǒng)機構庫的擴充或更新.圖2.a為機構認知實驗系統(tǒng)模型的選擇界面，點擊所選圖片將進入該機構的三維展示界面；圖2.b是利用Pro/E建立的減速器尾閘機構的裝配爆炸圖.在該系統(tǒng)中可以查看各機構的裝配示教動畫，清晰了解機構的裝配過程，從而實現(xiàn)對機構組成的認知，達到實驗教學目的.

圖2 機構及機構組成認知實驗系統(tǒng)

1.2 機構運動簡圖測繪實驗

該實驗要求學生熟悉機構運動簡圖的繪制方法，掌握從實際機構中測繪機構運動簡圖的技能，通過實驗了解機構運動簡圖與實際機械結構的區(qū)別，進一步加深理解機構的組成原理、機構自由度的計算及其含義.

這里開發(fā)的機構運動簡圖測繪系統(tǒng)，框架和機構及機構組成認知實驗系統(tǒng)類似，但增加了測繪及通過密碼訪問參考結果等多項功能[4].圖3.a顯示了系統(tǒng)測量的過程，測量得到的數(shù)值將會顯示在左邊的面板中；圖3.b顯示了挖掘機機械臂簡圖的運動情況，通過動態(tài)的機構運動簡圖，配合播放的逐步控制，可清晰地表現(xiàn)機構自由度的意義，增強對機構運動簡圖的理解，達到實驗教學的目的.

圖3 機構運動簡圖測繪實驗系統(tǒng)

1.3 四桿機構運動原理實驗

四桿機構運動原理實驗是為了加強理解這部分理論知識而開發(fā)的，該實驗主要是讓學生掌握不同桿長條件所形成的機構類型及其運動規(guī)律，為四桿機構的設計奠定一定的基礎.而所開發(fā)的四桿機構運動原理實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了機構運動的精確模擬，可根據(jù)不同桿件長度自動判斷四桿機構的類型并按其運動規(guī)律運動，可動態(tài)地調節(jié)機構的運動速度及方向（輸入負值運動方向相反），可顯示連桿及其附近任意一點的運動軌跡、速度及加速度，對四桿機構的軌跡及運動線的研究具有重要意義[5].這些優(yōu)越性是傳統(tǒng)實物實驗無法達到的.

圖4 四桿機構運動原理實驗系統(tǒng)

1.4 漸開線齒輪范成實驗

漸開線齒輪范成實驗的目的是觀察齒廓的漸開線及過渡曲線的形成過程，了解漸開線齒輪產(chǎn)生根切現(xiàn)象和齒頂變尖現(xiàn)象的原因及用變位修正法來避免發(fā)生根切的方法.一般在機械式范成儀上，模數(shù) 、齒數(shù) 、壓力角 、齒頂高系數(shù) 、頂隙系數(shù) 都是固定的，只有變位系數(shù) 可以調整，能夠發(fā)揮的作用僅僅是驗證范成法原理，不能充分認識齒輪設計參數(shù)與齒廓曲線的關系，難以去準確理解、進而正確掌握齒輪設計參數(shù)的作用[6].而實驗中心所設計開發(fā)的漸開線齒輪范成實驗系統(tǒng)能較好地克服傳統(tǒng)機械范成儀的不足，能直觀、動態(tài)地模擬齒輪范成加工情況，并能充分展示齒輪設計參數(shù)對于漸開線齒廓曲線的影響規(guī)律，從而更好地達到實驗教學目的.該實驗系統(tǒng)還可實現(xiàn)不同設計參數(shù)下齒廓的比較，不論是在進行范成的過程中還是在齒廓的比較過程中，都可通過點擊鼠標左鍵、并配合鼠標中鍵滾輪實現(xiàn)齒輪的平移和縮放，輕松實現(xiàn)對視口內容的適時觀察，較為清晰地展現(xiàn)各部分齒廓形狀.圖5.a為不同設計參數(shù)下范成后齒輪的整體比較；圖5.b為通過視口縮放功能顯示的齒廓形狀，可清晰查看其中的根切現(xiàn)象，當鼠標移到相應齒輪上將顯示該齒輪的常用幾何參數(shù).

圖5 齒廓比較界面

1.5 機械加工誤差統(tǒng)計分析實驗

統(tǒng)計分析法是通過一批工件加工誤差的表現(xiàn)形式來研究產(chǎn)生誤差原因的一種方法.加工誤差統(tǒng)計分析實驗的目的在于，鞏固已學過的統(tǒng)計分析法的基本理論，掌握運用統(tǒng)計分析法的步驟，練習使用統(tǒng)計分析法判斷問題的能力.通過該實驗，要求學生掌握繪制工件尺寸實際分布圖的方法，并能根據(jù)分布圖分析加工誤差的性質，計算工序能力系數(shù)，合格品率及廢品率等，能提出工藝改進的措施；掌握繪制X-R點圖的方法，能根據(jù)X-R點圖分析工藝過程的穩(wěn)定性.

傳統(tǒng)實驗方法需要在機床上加工多個零件作為原始數(shù)據(jù)，耗時且成本較高，而采用虛擬仿真加工所生成的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)進行誤差統(tǒng)計分析實驗，則可較大的降低該實驗的成本，提高實驗效率.該系統(tǒng)可實現(xiàn)對實驗樣本數(shù)據(jù)的外部輸入處理，也可自動生成具有一定規(guī)律的隨機樣本數(shù)據(jù)，并能根據(jù)誤差統(tǒng)計分析實驗要求，自動繪制出相應的分布圖或點圖圖形，這點給教師對學生實驗報告單的批改帶來了便利.圖6.a為對樣本數(shù)據(jù)處理后得到的分布圖，附合誤差統(tǒng)計的正態(tài)分布情形；圖6.b為點圖圖形，當有點超出控制線將被特殊顯示，鼠標移動到每個點上將能顯示該點的相關信息.

圖6 數(shù)據(jù)處理參考結果

2 虛擬實驗室建設的構想

目前紅河學院機械工程實驗中心共建有機械原理、機械設計、機構創(chuàng)新綜合、液壓與氣壓、金相與熱處理、金屬材料力學和數(shù)控技術等七個實驗室，主要承擔機械工程及自動化專業(yè)的實驗教學、學生創(chuàng)新項目及部分學生畢業(yè)設計專題實習任務，同時要滿足理學院、生命科學與技術學院的部分專業(yè)的教學實驗任務，以及相關學科部分教師科研課題研究任務.目前，可開設實驗課程9門、實驗項目108項，年實驗人時數(shù)達到1.5萬，年接待畢業(yè)設計及課程設計實驗學生300余人.實驗方式為傳統(tǒng)實物操作，但由于分組實驗的學生人數(shù)較多，實驗效果并不理想，同時還存在部分實驗設備短缺和破損問題.為此，實驗中心在現(xiàn)有的軟硬件基礎上，依托工學院計算機科學和教育技術等專業(yè)技術，積極籌劃機械工程虛擬實驗室的建設.

建設虛擬實驗、開展網(wǎng)絡實驗教學，即可豐富學習資源、緩解儀器設備的不足，又能體現(xiàn)個性化的學習環(huán)境，改進教學模式，提高教學效果.根據(jù)現(xiàn)有實驗室的發(fā)展和實驗項目情況，初步設想機械工程虛擬實驗室結構如圖7所示.主要為機構展示、虛擬仿真和性能測試三個方面，隨著實驗教學改革的不斷深入，實驗類型和數(shù)量都會逐步增加，最終形成完善的虛擬實驗教學體系.

圖7 虛擬實驗室結構構想

3 結束語

從紅河學院機械工程實驗中心對所設計開發(fā)的虛擬實驗應用情況看，虛擬實驗克服了傳統(tǒng)實驗的不足，成為了傳統(tǒng)實驗教學有力的補充，虛擬實驗教學增強了學生實驗興趣，降低了實驗成本，總體教學效果較好.而且該類基于Flash Actionscript技術設計開發(fā)的虛擬實驗軟件體積小、質量高、運算速度快，操作簡單方便，具有較強的可移植性、交互性和仿真性，非常適合在線教學，為以后虛擬實驗室的建設奠定了良好的基礎.

[1] 蔡衛(wèi)國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):76-78.

[2] 郭桂蘋,南岳松.虛擬實驗教學研究現(xiàn)狀及問題分析[J].實驗室科學, 2010,13(5):175-178.

[3] 魏蕓.虛擬實驗的分析與研究[J].科技信息,2010,(35): 5-6.

[4] 郭德偉,柯建宏.基于Flash ActionScript的機構運動簡圖測繪實驗設計與開發(fā)[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(2):105-107.

[5] Guo De-wei, Xiao Tian-qing.Kinematic Simulation Design of Planar Four-bar Linkage Based on Flash ActionScript [C].Xueli Zhou.2010 Third International Conference on Education Technology and Training ,2010: 301-304.

[6] 譚偉明,唐東煒,吳楷.齒輪范成實驗的一種圖形仿真系統(tǒng)[J].實驗技術與管理, 2011,28(8): 73-75.

Design and Development of Mechanical Virtual Experiment based on Flash ActionScript

GUO De-wei1,2,MIN Jie1 JIANG Jie1.SU Yan-ping1.KE Jian-hong2
(1.Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China;2.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

As design platform, five mechanical virtual experiments are developed by using Flash ActionScript, Pro/E and AutoCAD software, and modern educational technology.This virtual experiment system has been applied to mechanical experimental teaching in department of mechanical engineering of Honghe University, and some advantages are showed.The construction of mechanical virtual laboratory in this university is discussed.

virtual simulation; mechanical experiment; virtual laboratory; mechanical teaching

TP302

A

1008-9128（2012）04-0019-03

2012-03-19

云南省教育廳科研項目（2010C076）

郭德偉(1978 - )，男，云南通海人，碩士，講師.研究方向：機械數(shù)字化設計與制造方向的教學與研究.

[責任編輯 張燦邦]