齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺研發與應用

苗 淼，王志瓊，劉津彤，寇尊權，楊 楠

(吉林大學 機械與航空航天工程學院 國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心,長春 130022)

0 引 言

齒輪是機械中應用最廣泛的零件之一，是眾多機電產品的核心部件，在機械類課程教學、實驗教學中占有相當大的比重[1-2]。齒輪設計涉及眾多參數，完工齒輪的各項參數是否符合設計要求對齒輪傳動的性能有著重要的影響[3-5]。檢測齒輪是否合格，要通過檢測項目和相應的檢測儀器確定。

隨著國家對高等教育經費投入的逐年增加[6-7]，為滿足高校人才培養和科研的需求，大型精密儀器設備的數量在高校內有所增加，但加強大型精密儀器設備管理、提高設備利用率和普教率是當前面臨的十分緊迫的現實問題[8-9]。目前機械虛擬仿真國家級實驗教學示范中心下設的機械基礎實驗教學中心擁有國內先進、現代化生產中，大、中型企業進行機械產品齒輪精度檢測常用的高精密檢測儀器設備齒輪測量中心1臺，并且已經初步投入了齒輪綜合實驗——齒輪精度檢測實驗,將大型貴重精密檢測儀器設備齒輪測量中心應用于本科生教學[10-11]。該實驗項目在獨立設課的本科生必修課程機械工程綜合實驗Ⅱ中，通過該門課程學習使學生加深對齒輪結構齒輪精度檢驗項目的理解，了解齒輪精度檢測儀器的使用方法，提高運用先進技術和工具解決工程實際問題的能力[12]。

但隨著課程的開設逐漸暴露出大型精密檢測儀器設備價格昂貴，無法大量購置，因此無法多人共同實驗；操作復雜，實驗前需要進行培訓，但有效學時不足；對環境要求高，維護成本高等問題。針對這些問題，基于互聯網+，結合現有資源嘗試建立虛實結合的實驗教學模式，真實實驗與虛擬實驗相互依存相互補充，發揮各自優勢從而提高大型精密儀器設備利用率和普及率，改善實驗教學效果，提高實驗教學質量[13-16]。本文基于齒輪測量中心和網絡技術研制齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺，旨在為學生提供基于齒輪測量中心的齒輪精度綜合檢測實驗預習平臺、虛擬仿真實驗操作平臺、實驗復習平臺以及師生交流平臺，不僅受益于本校學生，同時可以與國內其它高校、社會人員實行資源共享。

1 建設目標與任務

利用檢測領域前沿技術，基于虛擬仿真實驗交互平臺，研發基于高精密檢測儀器設備的齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺，設計制作包含一系列齒輪精度檢測虛擬仿真實驗內容，與機械工程綜合實驗Ⅱ中的齒輪精度真實檢測實驗集成為齒輪精度綜合檢測實驗，從而創建虛實結合的實驗教學模式。

學生基于網絡平臺進行典型零部件的裝夾、檢測參數設置、虛擬檢測、檢測曲線動態變化分析、檢測數據判斷等過程的學習，通過虛擬仿真實驗基本掌握實驗的操作過程和齒輪精度理論知識。然后到實驗室進行真實實驗，將基于互聯網+的虛實結合實驗教學模式應用于本科生教學，提高實驗教學效果，并且解決大型精密檢測儀器設備操作復雜、學時不足、對環境要求高，無法多人共同實驗等普遍問題。

該實驗項目符合國家級虛擬仿真實驗教學建設的要求，達到了建立具有先進性、需求性、特色性和共享性虛擬仿真實驗教學中心的目標。

2 齒輪精度虛擬檢測平臺方案設計

建立虛實結合的實驗教學模式，將齒輪精度綜合檢測實驗分成4大實驗內容：實驗預習，虛擬實驗，真實實驗，實驗報告。實驗模塊構成如圖1所示。

圖1 齒輪精度綜合檢測實驗模塊構成

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺涵蓋實驗前兩項內容，即實驗預習與虛擬實驗，平臺設計流程如表1所示。其中預習考試、真實實驗預約、真實實驗成績、報告提交和報告成績依托機械虛擬仿真實驗教學平臺進行實驗教學管理。

表1 齒輪精度虛擬檢測平臺設計流程

3 虛擬檢測平臺內容建設

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺基于unity3d技術，設計制作了7個子模塊，分別為實驗目的、內容、儀器設備介紹、實驗原理、步驟、視頻和虛擬實驗，其中前6個子模塊構成實驗預習模塊。

3.1 實驗預習模塊

該模塊主要通過文字、三維立體圖形、聲音和動畫為學生提供實驗前預習準備，即通過網絡平臺進行實驗預習，預習完成后進行網上預習考試，給定預習成績。

實驗目的主要是使學生了解齒輪測量中心的基本結構、測量原理及操作方法，加深對齒輪齒廓、螺旋線等概念的理解，掌握數據處理方法及尺寸合格性判斷原則；實驗內容主要是檢測圓柱齒輪精度,齒廓、螺旋線、齒距和徑向跳動；儀器設備介紹和實驗原理詳細介紹了儀器設備的主要結構和檢測原理；實驗步驟和實驗視頻分別運用文字和動畫講解了實驗的操作過程與注意事項，如圖2所示。

圖2 虛擬檢測平臺建設內容

預習準備完成后，學生可以從預習考試題庫中自行抽取10道試題進行解答，答對8道以上可以繼續進行虛擬實驗，如果少于8道題，強制學生繼續進行實驗預習，不能進行虛擬操作。每位同學有3次機會。同時，簽錯的題會自動彈出正確答案，并給予解釋。

3.2 虛擬仿真實驗模塊

預習成績達到要求后，可操作虛擬實驗模塊，該模塊即為齒輪精度虛擬檢測，操作完成后，根據操作步驟打分，并對操作錯誤給予提示。

虛擬實驗操作模塊中，建立與真實實驗室同樣的虛擬操作實驗室，實驗室內擺放著和真實實驗同樣的三維立體虛擬儀器設備，可以360°觀看。虛擬實驗過程中，根據右下角操作步驟進行虛擬操作。對于局部操作視角右上方會出現一個小窗口。這個小窗口起到局部放大的功能，幫助進行虛擬操作。每一個實驗操作步驟都有一定的分值，如果操作正確，給予分值，學生可繼續操作；如果操作錯誤，不給于分值，同時頁面給予正確操作提示，保證學生繼續操作，如圖3所示。

4 虛擬仿真實驗教學質量管理

該實驗實行過程管理，并進行實驗教學改革，建立虛實結合的實驗教學模式。實驗預習為學生提供實驗前的預習準備。通過網絡平臺進行實驗預習，預習完成后進行網上預習測試，給定預習成績。預習成績達到要求后，網上虛擬實驗操作，操作完成后，根據操作步驟打分。通過網絡預約實際實驗時間，到實驗室進行真實實驗，實驗完成后由實驗教師給予實驗操作成績，錄入網絡管理平臺內。根據實驗數據進行機械精度分析與判斷，提交實驗報告，教師給予批改，進行打分。最后根據實驗4大部分的成績進行綜合加權，獲得學生的最終實驗成績。學生可以根據互動系統進行實驗討論，實驗咨詢。教師可以通過互動系統進行實驗解答，強化實驗教學質量，提高實驗教學效果。

圖3 齒輪精度檢測虛擬仿真實驗

5 結 語

齒輪精度檢測虛擬仿真實驗教學平臺的研發創建了虛實結合的實驗教學模式，有效地改善了學生實驗條件，提高實驗教學質量，從根本上實現了實驗教學改革。該平臺為吉林大學國家級機械虛擬仿真實驗教學示范中心的一個虛擬仿真實驗項目，發布于機械虛擬仿真實驗教學平臺上，網址為：http://vmech.jlu.edu.cn。近2年該平臺與機械工程綜合實驗Ⅱ中的齒輪精度檢測實驗相結合，為機械類和近機類本科生開設虛實結合的實驗課程，學生還可以通過登錄平臺進行課前預習及課后復習，教學效果良好。同時基于網絡與校內其它學生和其他高校師生進行資源共享，擴大受益面，起到了很好的示范輻射作用。