基于3D打印技術(shù)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室方案研究

鄭耿樂

摘 要：在機(jī)類基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)過程中，常用零部件、傳動機(jī)構(gòu)、常用機(jī)構(gòu)是教學(xué)的重要部分，需要學(xué)生知道其結(jié)構(gòu)、原理和常見故障排除。

關(guān)鍵詞：3D打印；機(jī)械基礎(chǔ)

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）05-014-01

在機(jī)類基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)過程中，常用零部件、傳動機(jī)構(gòu)、常用機(jī)構(gòu)是教學(xué)的重要部分，需要學(xué)生知道其結(jié)構(gòu)、原理和常見故障排除。而在培訓(xùn)和教學(xué)過程中如何讓專業(yè)基礎(chǔ)課程更加緊貼專業(yè)課、更加緊貼生產(chǎn)實(shí)際，成為必須面對的問題。為提高《機(jī)械基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)水平，筆者提出了一種基于3D打印技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。

一、方案總體設(shè)想

機(jī)械基礎(chǔ)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)由3d打印模塊和仿真設(shè)計(jì)模塊組成。仿真設(shè)計(jì)模塊的主要作用是提供一個(gè)原理演示和仿真設(shè)計(jì)環(huán)境，逼真地再現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中看到的情況，并通過顯示系統(tǒng)達(dá)到與操作者實(shí)時(shí)互動，讓學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的作用，對系統(tǒng)提出如下功能要求：建立一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，包括自然環(huán)境、工作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境；能夠達(dá)到人機(jī)互動，并通過顯示終端實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；事件特殊效果的顯示和運(yùn)動碰撞檢測響應(yīng)與實(shí)際情況相符。3d打印模塊包含3d打印機(jī)硬件、驅(qū)動程序和模型優(yōu)化程序組成，可完成仿真設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)的零部件。在仿真設(shè)計(jì)模塊中用戶管理模塊完成對使用者（學(xué)生）和管理者基本信息、學(xué)習(xí)進(jìn)度、考核情況等基本信息進(jìn)行管理。原理學(xué)習(xí)模塊包含文字、圖片、視頻等多媒體素材，按照《機(jī)械基礎(chǔ)應(yīng)用》教材章節(jié)進(jìn)行編排。學(xué)生可通過目錄和關(guān)鍵詞檢索兩種方式學(xué)習(xí)、查閱相關(guān)知識。為開闊學(xué)生視野在原理學(xué)習(xí)模塊還將編排部分拓展內(nèi)容。在虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K中學(xué)生可以通過鼠標(biāo)拾取、點(diǎn)擊菜單等方式完成預(yù)定實(shí)驗(yàn)。參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊將利用soliderworks提供的動態(tài)鏈接庫進(jìn)行二次開發(fā)，學(xué)生通過勾選、指定輸入等方式來完成常見機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和三維形體展示。在3d打印模塊中模型優(yōu)化程序完成3d模型格式的轉(zhuǎn)換和面數(shù)的優(yōu)化。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體組成框圖

圖2 軟件功能組成框圖

機(jī)機(jī)械基礎(chǔ)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件部分依靠unity3d引擎采用Visual C#來進(jìn)行開發(fā)。其中界面部分利用Microsoft最新的界面技術(shù)WPF，采用XAML語言來進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)庫管理部分采用SQL2008來進(jìn)行存儲。為提高程序開發(fā)效率采用模塊化編程思想，軟件模塊劃分如圖二所示。

二、方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1、3D打印技術(shù)

3D打印（3D printing），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2、unity3d虛擬仿真技術(shù)

Unity3d是Unity Technologies開發(fā)的一款跨平臺虛擬仿真開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)三維引擎。該引擎支持DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染通道，支持所有主要三維文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)調(diào)工作。運(yùn)用C#編寫的腳本可以靈活實(shí)現(xiàn)多種虛擬仿真應(yīng)用，仿真部分程序總體流程可參考如圖3所示。

3D打印技術(shù)可以在機(jī)械基礎(chǔ)傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室直接架起一座橋梁，既解決傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)室造價(jià)高不以維護(hù)的難題，同時(shí)也可解決虛擬實(shí)驗(yàn)室真實(shí)性不足的問題。