機械工程虛擬仿真實驗中心建設研究與實踐

曾 紅， 張德強， 黃海龍， 高 奇

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院， 遼寧 錦州 121001)

虛擬仿真實驗教學是教育信息化發展和實驗教學改革相結合的創新目標和產物[1-3]，綜合應用虛擬現實和多媒體技術構建仿真的實驗環境，使學生自主地在開放的虛擬仿真平臺開展實驗，尤其是對不具備真實實驗條件或是高成本、高消耗、高危極端環境、不可逆操作等實驗具有明顯優勢[4-6]。虛擬仿真實驗教學是對傳統實驗教學的必要補充，對于促進實驗教學方法、模式、體系及手段的改進具有積極的促進作用。

1 機械工程虛擬仿真實驗中心建設

機械工程虛擬仿真實驗中心高度重視信息化技術在實驗教學上的應用，在學校領導和各項政策的支持下，從2006年開始，密切配合機械類專業系列課程的教學改革與實踐，利用CAD/CAE/CAM技術、多媒體技術和網絡技術等先進的科技手段探索機械類虛擬仿真實驗開發與應用，經歷了專業基礎課程的虛擬仿真實驗、專業課程綜合性虛擬仿真實驗和校企合作資源共享的創新型虛擬仿真實驗3個建設階段。實現了因現有實驗設備臺套數不足、大功率實驗損耗大、實驗成本高、實驗運行狀況又不直觀等無法完成或效果不好的實驗項目的實驗。

近10年來，通過自身開發、與企業合作和從教師科研成果轉化等方法，遵循虛實結合互補原則[7]，建設6大類、85個虛擬仿真實驗教學項目，同時開發了實驗管理信息平臺，構建了多媒體網絡化仿真實驗教學體系，實現網絡化虛擬仿真實驗教學與實驗、輔導、預習以及網絡查詢、網絡管理等先進的虛擬仿真實驗和遠程實驗教學系統。2015年該中心獲批遼寧省虛擬仿真實驗教學中心。

機械工程虛擬仿真實驗教學資源共分為機械基礎虛擬仿真實驗系統、包裝機械虛擬仿真實驗系統、現代制造虛擬仿真實驗系統、機電液網絡測控虛擬仿真實驗系統、工業工程虛擬仿真實驗系統和過程裝備與控制虛擬仿真實驗系統6個模塊(見圖1)?？蔀槿?個學院的機械設計制造及自動化、機械電子工程、車輛工程、過程裝備與控制、工業工程、材料成型與控制專業等6個專業提供較為完善的虛擬仿真實驗解決方案。

圖1 機械工程虛擬仿真實驗資源

1.1 機械基礎虛擬仿真實驗系統

機械基礎虛擬仿真實驗包括機械設計基礎和機械制圖2大仿真模塊。機械設計基礎仿真模塊通過虛擬仿真典型機構運動原理、平面連桿機構、凸輪機構、齒輪范成、軸系部件設計、減速器拆裝等，讓學生在虛擬環境中認識各種機構，掌握其結構組成、運動形式和工作性能，達到良好教學效果。圖2為齒輪范成虛擬仿真實驗運行界面。

機械制圖仿真模塊可實現對大量的點線面基本體、立體、組合體、零件和裝配體的三維虛擬模型動態瀏覽、動態截切、裝配體動態爆炸、動態拆裝和部件工作原理演示等，系統具有可擴充性，可較大地提高學生的空間想象力。

圖2 齒輪范成虛擬仿真實驗界面

1.2 包裝機械虛擬仿真實驗系統

基于包裝機械建立機械設計虛擬仿真實驗教學系統(見圖3)，在三維環境中進行設計、操作，提供視覺的反饋，解決了傳統設計方法視覺效果差、難驗證的問題。仿真系統可將科研成果和教學內容相結合納入學生實驗教學環節，有效培養學生的研究和創新能力。

圖3 包裝機取盒機構設計虛擬仿真參數化

1.3 現代機械制造虛擬仿真實驗系統

機械制造虛擬仿真實驗系統包括數控技術虛擬仿真模塊、特種加工技術虛擬仿真模塊、模具及工藝工裝設備虛擬仿真模塊。利用該虛擬仿真實驗系統，可實現數控機床的結構虛擬拆裝、虛擬編程加工、激光加工編程模擬、3D打印仿真以及工裝設備和模具的虛擬拆裝，可有效解決實驗費用高、機床故障實現困難、設備臺套不足、某些實驗存在較高危險性等問題。

1.4 機電液控制虛擬仿真實驗系統

充分利用可視化機電控制仿真平臺，用戶可將元器件隨意搭建，組合成所需要的某個機、電、液、氣復合系統，仿真運行過程中可混合控制該復合系統并能實時測量出對每條回路或器件的電信號。讓學生在三維虛擬動畫場景中完成可視化編程，及時看到程序控制效果，指導學生快速掌握PLC編程。圖4為液體混合控制實驗的硬件系統仿真界面。

圖4 液體混合控制實驗的硬件系統仿真界面

1.5 過程控制虛擬仿真實驗系統

主要包括反應釜控制模塊、鍋爐控制模塊、水處理模塊3個仿真生產工藝控制模塊，每個仿真模塊包含趨勢曲線、溫度控制曲線、報表模塊和報警4個功能模塊，有效解決了化工過程控制實驗教學成本高、消耗大、危險性強或用真實實驗無法實現等問題。

1.6 工業工程虛擬仿真實驗系統

工業工程虛擬仿真實驗系統包括現代物流工程、流水線實時、數字化虛擬仿真等3個子實驗系統(見圖5)。系統平臺由一系列不同的軟硬件組成，可結合不同的實際生產場景，構建虛擬的企業系統環境，根據參數可進行優化分析，學生在這個虛擬的環境中可仿真完成生產運作系統中的各項實驗，感受到與真實環境中一樣的實驗效果，對于提高學生的實踐水平和實際場景的感知能力有極大幫助。

圖5 生產流水線模型

2 虛擬仿真實驗教學平臺

中心現配備Solidworks、Pro/E等正版軟件，配備有三維投影儀、三維打印機、宇龍、創壹、CAXA數控車銑仿真系統等，建設4個60個機位虛擬仿真室，完成了共享平臺建設。平臺發布及介紹科研與教學信息，可在校園內部、院校之間、校企之間初步實現一部分信息資源共享。視頻教學資源平臺、各種虛擬仿真技術應用開發平臺、實驗管理平臺、信息公告及資源下載平臺等平臺組成如圖6所示。

圖6 教學平臺組成框圖

3 虛擬仿真實驗中心管理體系

為了高質量地完成建設任務，成立由主管校領導為組長、有關職能部門負責人參加的領導小組，負責組織領導規劃項目的實施工作，制定“項目負責人管理制度”“項目跟蹤檢查管理制度”“大型精密儀器設備開放共享管理暫行辦法”等。依據學科優勢和地緣優勢，依靠中央與地方共建等資金的支持，及財政撥款和教學科研收入、校辦產業收入等投入相應的資金，保證項目的建設需要。相關學院將成立實驗教學中心建設小組，具體負責實施中心建設工作。實驗室在省教育廳以及學校領導下，實行校、院2級管理和中心主任負責制，下設的虛擬實驗室對應的物理實驗室由專業實驗員分別負責，虛擬實驗室網站由專人負責管理。虛擬實驗室以“競爭、流動、開放、聯合”為宗旨，向國內外高校、研究機構、企業開放，實現資源共享。

4 機械工程虛擬仿真實驗中心建設應用

(1) 彌補實驗室硬件實驗資源不足問題，提高學生實驗實踐能力。由于資金緊缺，基礎或專業實驗室的硬件儀器設備均存在設備老舊導致能夠用于正式實驗的臺套數不足，或新儀器設備由于價格高而購買的臺套數少等問題，導致學生做實驗時分組人數過多，或實驗周期過長等問題，因此采用以軟代硬的辦法往往最為有效。

(2) 解決硬件設備進行實驗涉及到的資源損耗過大、危險性較大、實驗過程不可逆且不容易詳細觀察、研究等問題，代之以開發的虛擬仿真軟件予以實現，能降低成本及實驗風險等[8-9]。一些專業實驗設備，例如數控機床、電火花機、線切割機、激光加工設備等存在耗材費用高、操作存在一定危險性，特別是一些化工過程裝備，購買成本較高，在實驗時存在較大危險性等，另外如工業工程專業，一些工藝規劃方面的實驗不可能以建設實際實驗室的方式進行，只能利用虛擬仿真系統代替實物實驗。

(3) 開發出具有創造性和高水平的軟件共享虛擬實驗等教學資源，對提高學生的綜合設計和創新能力，以及對教師提高教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內容等有很大的必要性。

(4) 能促進教學、科研、技術人員相結合，利于學生和師資的培養，促進教育理念先進、學術水平高、實踐經驗豐富、創新性強的實驗教學團隊盡快形成[10-12]。借助虛擬仿真軟件的強大功能，可以促進教學、科研、技術能力的提升，從而促進教學團隊成員的成長和水平提升。

(5) 虛擬仿真實驗教學中心的管理體系建設，有助于建立激勵學生學習和提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制的形成。借助虛擬實驗系統的考核體系，教與學的效果很快就能體現，評價和反饋意見能夠更好地促進學生和教師發現存在的問題并及時解決。

5 結語

虛擬仿真實驗中心是高校信息化建設的重要組成部分，可以更好地整合實驗資源、建設與傳統教學相配套的數字化教育資源體系。隨著研究工作的不斷深入，不斷完善實驗內容和形式，結合“互聯網+教育”，實現在線虛擬實驗，提高學生的創新實踐能力。

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