基于網(wǎng)絡的機械基礎實驗虛擬教學平臺的研究

摘要： 本文對機械基礎實驗進行了分析，提出了運用虛擬樣機技術，依靠網(wǎng)絡傳輸，建立機械基礎實驗的網(wǎng)絡實驗教學平臺。虛擬實驗采用solidworks對零件進行建模，用CULT3D和JAVA結合技術對實體模型進行多視角處理，以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）對動畫中的實體模型進行軌跡控制，利用B/S模式，建立網(wǎng)絡虛擬實驗教學平臺。

關鍵詞： 機械基礎 網(wǎng)絡虛擬實驗 教學平臺

1.引言

機械基礎課程是近機械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，具有理論與實際緊密聯(lián)系的特征。其中實驗教學是本門課程的重要組成部分，通過實驗強化理論聯(lián)系實際的能力。隨著高校的不斷擴招，學生人數(shù)眾多，原有實驗場地、儀器、實驗教師均不能滿足實驗要求，影響了教學效果，因此實驗改革勢在必行。

2.機械基礎實驗的特點

根據(jù)教學大綱，機械基礎實驗包括：常用機構認知實驗、機構運動簡圖的測繪實驗、齒輪范成實驗和帶傳動實驗。常用機構認知實驗主要是展示常用結構的形式，分析其工作原理，包括連桿機構、凸輪機構、圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪、蝸桿、齒輪系和間歇運動機構等內容。機構運動簡圖的測繪實驗，為學生展示較為復雜的機構，像多桿機構、齒輪連桿組合機構、凸輪與連桿組合機構等。讓學生動手對這些機構進行測繪，繪制出機構運動簡圖，進行機構的結構分析，計算機構的自由度。該實驗可提高學生的繪圖能力，使其對機械結構分析有更深刻的認識，形成對現(xiàn)有機構進行分析的能力。齒輪范成實驗是演示范成法加工漸開線齒輪的基本原理及漸開線齒輪齒廓曲線的形成過程，通過齒輪范成儀進行模擬齒輪切削過程，學生了解齒輪加工方法，掌握齒輪加工時產(chǎn)生的根切現(xiàn)象，學會正確加工齒輪的方法。帶傳動實驗主要通過實驗驗證歐拉公式的正確性，使學生掌握摩擦傳動的特性。

3.實驗的虛擬實現(xiàn)

針對各實驗，教師先利用三維建模軟件如Solidworks、UG等進行機構的實體建模。然后利用三維建模軟件中的運動仿真模塊進行機構的運動仿真。在運動仿真中，可跟蹤零件的運動軌跡，分析各構件的運動情況。將各個視角的運動圖轉化成視頻文件，實驗時點擊相應視角，即可觀察機構運動情況。學生可以選擇機構運動的一個具體位置，用尺子測量機構的結構尺寸，用機構運動簡圖表述出機構，依據(jù)所畫機構運動簡圖進行自由度計算，進行結構分析。范成實驗進行演示，觀察根切產(chǎn)生的原因，熟悉產(chǎn)生根切現(xiàn)象齒輪的形狀，為實際工作中杜絕根切現(xiàn)象打下基礎。帶傳動實驗，調整帶輪包角，對帶施加初拉力，在臨界打滑的狀態(tài)，記錄刻度盤上的刻度緊邊拉力，驗證歐拉公式。最后完成實驗報告，上傳到教師郵箱。

虛擬實驗過程中最關鍵的是如何在網(wǎng)絡的框架下，完成建模零件的虛擬裝配，并且進行運動學仿真，檢查各零件的干涉現(xiàn)象。為實現(xiàn)以上目的，首先要進行各零件進行建模，利用三維有限元軟件如SolidWorks或UG進行各零件建模，如各種形狀的桿件、不同類型的齒輪、凸輪及間歇運動機構。然后進行裝配，利用軟件自帶功能，生成爆炸視圖效果，轉化成視頻文件，供學生從不同角度觀察復雜機構。更進一步，可以采用SolidWorks和3DMAX對機械組件進行實體建模；用CULT3D和JAVA結合對實體模型進行多視角處理，完成模型的平移、放縮、旋轉等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）對動畫中的實體模型進行軌跡控制；最后用網(wǎng)頁技術將各種資源進行整合。利用SolidWorks運動仿真模塊進行機構的運動仿真，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構中零件的速度、加速度、作用力，建立各種復雜的實際系統(tǒng)仿真模型。為了設計的動畫和材質能夠形象地演示出零件的基本結構和工作過程。在3D Studio MAX動畫中，為模擬自然界中各種物體表現(xiàn)出來的千差萬別的材料質感，應從三個方面定義模型的色彩特征，即色彩、紋理模型及屬性。除定義幾何物體的色彩外，還需定義光的色彩及類型。而運動軌跡的設定，則是在系統(tǒng)機械零部件動態(tài)過程虛擬設計中，采用關鍵幀法來設計運動軌跡。首先在某些幀（稱為關鍵幀）預先設定好物體的位置及屬性，然后在這些關鍵幀之間進行樣條或線性插值來完成運動軌跡的設定。

采用Solidworks建立模型，完成了動態(tài)過程的設計后，要利用Cult3D對模型進行交互性設計，主要步驟：

（1）用3DMAX軟件建立三維場景，然后將其通過相應的Cult3D export plug-in轉換為Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型經(jīng)過3DMAX軟件進行轉化，導出模型到Cult 3D Designer作為交互設計的對象。

（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打開，添加交互動作，并進行編輯。

（3）把制作好的文件保存為網(wǎng)頁格式文件，Project文件制作完成后進行壓縮就可以制作網(wǎng)頁接收文件（*.co），最后將*.co文件嵌入HTML網(wǎng)頁。

4.網(wǎng)絡平臺的搭建

虛擬實驗教學平臺面向教師、學生和實驗管理員三大類對象，他們分布在網(wǎng)絡終端，可以在任何使用TCP/IP連接網(wǎng)絡的地方使用這個系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Client/Server兩層結構，由本地虛擬實驗管理服務器和遠程客戶組成，平臺的網(wǎng)絡傳輸使它們通過局域網(wǎng)或者INTERNET連接成一個有機的整體。實驗的虛擬操作在學生本地機器上進行，而實驗的管理配置，教師對學生的實驗的教學交互則通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)，相對于很多把實驗過程放在服務器上進行的平臺來說，本平臺減輕了服務器處理數(shù)據(jù)的壓力，同時在當今網(wǎng)絡帶寬沒有達到可能的時候，減少了系統(tǒng)內部之間信息的傳輸量，對網(wǎng)絡速度的限制減少，因此更適合廣大的大專院校使用，整個平臺的構成如下圖所示。

5.結語

機械基礎網(wǎng)路實驗系統(tǒng)不僅提供了良好的人機交互功能，而且提供了實驗教學的新思路，大大降低機械學科的教育成本，改善相關實驗的實訓環(huán)境，優(yōu)化教學過程，解決實驗教學活動中普遍存在的實驗設備不足、型號落后難以更新?lián)Q代跟上科技發(fā)展的困難。實踐表明，虛擬實驗能節(jié)省教學資源，優(yōu)化教學過程，激發(fā)學生的學習興趣，有效提高教學質量。

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項目支持：黑龍江省高等教育教學改革項目，構建具有商業(yè)機械特色的機械基礎實驗網(wǎng)絡教學平臺。