虛擬仿真技術(shù)在減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

茍建軍， 范利鋒， 江 洋

（內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

1 傳統(tǒng)減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的不足

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心課程之一，而減速器設(shè)計(jì)是該課程中最為關(guān)鍵的實(shí)踐環(huán)節(jié)，該實(shí)驗(yàn)集齒輪、軸、軸承、鍵等典型機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核于一體，將機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、力學(xué)計(jì)算、機(jī)械制圖等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)融合應(yīng)用，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)思維、夯實(shí)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)基本功有十分重要的意義[1-2]。

傳統(tǒng)減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)方式，在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，由于受各種主、客觀條件的制約，凸顯出如下幾個(gè)問(wèn)題：一是實(shí)驗(yàn)中用到的減速器實(shí)物模型多為獨(dú)立模型，拆裝耗時(shí)費(fèi)力，也無(wú)法放在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中去體現(xiàn)其原理、作用。二是傳統(tǒng)的理論講授，主要依靠書(shū)本，使得減速器設(shè)計(jì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)方式比較死板，內(nèi)容繁雜，容易混淆。設(shè)計(jì)參數(shù)的體現(xiàn)不夠生動(dòng)形象，理論與實(shí)踐的結(jié)合不夠緊密；三是學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行模擬驗(yàn)證，缺乏設(shè)計(jì)結(jié)果的輸入輸出量化對(duì)比，容易忽略一些存在于設(shè)計(jì)過(guò)程中的隱性問(wèn)題，造成知識(shí)盲點(diǎn)[3]。

2 虛擬仿真技術(shù)在減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

首先，通過(guò)將減速器實(shí)物模型和工作環(huán)境數(shù)字化，學(xué)生可通過(guò)減速器虛擬拆裝、模擬運(yùn)行，直觀形象地了解減速器的使用場(chǎng)景、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理。其次，通過(guò)將齒輪、軸等構(gòu)件的尺寸、性能參數(shù)在其虛擬模型中對(duì)應(yīng)的幾何位置直觀呈現(xiàn)，并引導(dǎo)學(xué)生逐步交互學(xué)習(xí)每一個(gè)參數(shù)的作用和設(shè)計(jì)方法，讓理論學(xué)習(xí)不再枯燥。最后，學(xué)生可按照自己所設(shè)計(jì)的減速器參數(shù)，進(jìn)行減速器建模、裝配，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)定工況，模擬運(yùn)行，快速準(zhǔn)確驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否合格。

3 虛實(shí)結(jié)合的減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

3.1 總體思路

構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，具體思路是：堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)”的原則，既用“虛”來(lái)解決減速器設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證難、理論學(xué)習(xí)死板、設(shè)計(jì)效率低的難題，又用“實(shí)”來(lái)保證學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)操如計(jì)算、繪圖的必要工作量，突出該課程的實(shí)踐本質(zhì)，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量[4]。

3.2 整體架構(gòu)及開(kāi)發(fā)技術(shù)

如圖1 所示，平臺(tái)以B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、輔助層，數(shù)據(jù)層主要包括學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證方法、設(shè)計(jì)實(shí)操規(guī)范、減速器數(shù)字模型；應(yīng)用層包括前端的功能調(diào)用瀏覽器和后臺(tái)的虛擬拆裝、模擬運(yùn)行、設(shè)計(jì)理論交互學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證引導(dǎo)和設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證五大功能模塊；輔助層主要指支持平臺(tái)運(yùn)行的軟硬件與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

開(kāi)發(fā)技術(shù)上，平臺(tái)管理、任務(wù)布置、理論測(cè)試、成績(jī)考核、學(xué)習(xí)交流等前端功能利用HTML 技術(shù)開(kāi)發(fā)；虛擬拆裝、模擬運(yùn)行、交互式理論學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證等引導(dǎo)交互功能利用Unity3D 虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證中的減速器建模、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真接入到Solidworks 軟件中完成。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖

3.3 實(shí)驗(yàn)方法與流程

主要采用“引導(dǎo)交互、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)生主導(dǎo)、教師輔助”的實(shí)驗(yàn)方法。

學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，按照系統(tǒng)引導(dǎo)，閱讀設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，交互完成二級(jí)圓柱齒輪減速器虛擬拆裝、工作狀態(tài)模擬學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)引導(dǎo)，交互認(rèn)識(shí)齒輪、軸等部件相關(guān)參數(shù)的位置、作用，交互學(xué)習(xí)當(dāng)前某個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法、依據(jù)，動(dòng)手計(jì)算該參數(shù)的設(shè)計(jì)值。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)所得幾何、性能參數(shù)，對(duì)減速器零部件進(jìn)行建模、裝配，添加條件約束，完成運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行運(yùn)行指標(biāo)量化對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

學(xué)生提交設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行設(shè)計(jì)理論測(cè)試，提交交流分享設(shè)計(jì)心得。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程主要依靠學(xué)生自主完成，教師只需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所秩序維持、軟硬件條件保障、過(guò)程監(jiān)督與糾正、設(shè)計(jì)圖紙審核與點(diǎn)評(píng)等輔助性工作即可。

3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要分為減速器結(jié)構(gòu)和原理認(rèn)識(shí)、減速器詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證三大部分，如圖2 所示。

3.5 評(píng)價(jià)體系

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用過(guò)程考核與結(jié)果考核相結(jié)合的方式，從理論測(cè)試、設(shè)計(jì)實(shí)操、作品質(zhì)量三個(gè)角度構(gòu)建起多維度的評(píng)估體系。

一是設(shè)計(jì)理論測(cè)試，在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理論在線測(cè)試模塊，隨機(jī)抽題組卷，檢查學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)理論的掌握情況；二是指導(dǎo)教師對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)操進(jìn)行過(guò)程監(jiān)督，檢查學(xué)生的設(shè)計(jì)流程是否正確、設(shè)計(jì)實(shí)操是否規(guī)范、是否有好的學(xué)習(xí)態(tài)度；三是重點(diǎn)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙等文檔材料內(nèi)容，檢查零件尺寸、性能參數(shù)計(jì)算是否正確、圖紙繪制是否規(guī)范、設(shè)計(jì)結(jié)果是否合格。

圖2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖

3.6 實(shí)施效果

學(xué)生通過(guò)減速器虛擬拆裝方便快捷的認(rèn)識(shí)減速器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，虛擬交互的設(shè)計(jì)理論學(xué)習(xí)方式讓原本枯燥的書(shū)本知識(shí)變得立體形象、靈活有趣，方便高效的減速器設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證，讓學(xué)生可以及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬運(yùn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的隱性錯(cuò)誤。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和積極性明顯提升。

4 結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，突破了傳統(tǒng)減速器設(shè)計(jì)過(guò)程中的種種制約，使整個(gè)減速器設(shè)計(jì)過(guò)程變得高效便捷、生動(dòng)具體，學(xué)生參與的積極性、學(xué)習(xí)效率都有了很大提升，證明建立虛實(shí)結(jié)合的減速器設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、利用虛擬仿真技術(shù)解決機(jī)械設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)踐教學(xué)中的難題是可行有效的。