摘要： 本文對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，提出了運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸，建立機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)采用solidworks對(duì)零件進(jìn)行建模，用CULT3D和JAVA結(jié)合技術(shù)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行多視角處理，以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）對(duì)動(dòng)畫中的實(shí)體模型進(jìn)行軌跡控制，利用B/S模式，建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械基礎(chǔ) 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn) 教學(xué)平臺(tái)

1.引言

機(jī)械基礎(chǔ)課程是近機(jī)械類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，具有理論與實(shí)際緊密聯(lián)系的特征。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本門課程的重要組成部分，通過實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際的能力。隨著高校的不斷擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)眾多，原有實(shí)驗(yàn)場地、儀器、實(shí)驗(yàn)教師均不能滿足實(shí)驗(yàn)要求，影響了教學(xué)效果，因此實(shí)驗(yàn)改革勢在必行。

2.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

根據(jù)教學(xué)大綱，機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括：常用機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的測繪實(shí)驗(yàn)、齒輪范成實(shí)驗(yàn)和帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)。常用機(jī)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)主要是展示常用結(jié)構(gòu)的形式，分析其工作原理，包括連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪、蝸桿、齒輪系和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等內(nèi)容。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的測繪實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生展示較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，像多桿機(jī)構(gòu)、齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)、凸輪與連桿組合機(jī)構(gòu)等。讓學(xué)生動(dòng)手對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行測繪，繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度。該實(shí)驗(yàn)可提高學(xué)生的繪圖能力，使其對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析有更深刻的認(rèn)識(shí)，形成對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的能力。齒輪范成實(shí)驗(yàn)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(jìn)行模擬齒輪切削過程，學(xué)生了解齒輪加工方法，掌握齒輪加工時(shí)產(chǎn)生的根切現(xiàn)象，學(xué)會(huì)正確加工齒輪的方法。帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)主要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證歐拉公式的正確性，使學(xué)生掌握摩擦傳動(dòng)的特性。

3.實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)現(xiàn)

針對(duì)各實(shí)驗(yàn)，教師先利用三維建模軟件如Solidworks、UG等進(jìn)行機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模。然后利用三維建模軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。在運(yùn)動(dòng)仿真中，可跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況。將各個(gè)視角的運(yùn)動(dòng)圖轉(zhuǎn)化成視頻文件，實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)視角，即可觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。學(xué)生可以選擇機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)具體位置，用尺子測量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖表述出機(jī)構(gòu)，依據(jù)所畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖進(jìn)行自由度計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。范成實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(shí)際工作中杜絕根切現(xiàn)象打下基礎(chǔ)。帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)，調(diào)整帶輪包角，對(duì)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(yàn)證歐拉公式。最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，上傳到教師郵箱。

虛擬實(shí)驗(yàn)過程中最關(guān)鍵的是如何在網(wǎng)絡(luò)的框架下，完成建模零件的虛擬裝配，并且進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，檢查各零件的干涉現(xiàn)象。為實(shí)現(xiàn)以上目的，首先要進(jìn)行各零件進(jìn)行建模，利用三維有限元軟件如SolidWorks或UG進(jìn)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。然后進(jìn)行裝配，利用軟件自帶功能，生成爆炸視圖效果，轉(zhuǎn)化成視頻文件，供學(xué)生從不同角度觀察復(fù)雜機(jī)構(gòu)。更進(jìn)一步，可以采用SolidWorks和3DMAX對(duì)機(jī)械組件進(jìn)行實(shí)體建模；用CULT3D和JAVA結(jié)合對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行多視角處理，完成模型的平移、放縮、旋轉(zhuǎn)等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）對(duì)動(dòng)畫中的實(shí)體模型進(jìn)行軌跡控制；最后用網(wǎng)頁技術(shù)將各種資源進(jìn)行整合。利用SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力，建立各種復(fù)雜的實(shí)際系統(tǒng)仿真模型。為了設(shè)計(jì)的動(dòng)畫和材質(zhì)能夠形象地演示出零件的基本結(jié)構(gòu)和工作過程。在3D Studio MAX動(dòng)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(zhì)感，應(yīng)從三個(gè)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(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)定，則是在系統(tǒng)機(jī)械零部件動(dòng)態(tài)過程虛擬設(shè)計(jì)中，采用關(guān)鍵幀法來設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡。首先在某些幀（稱為關(guān)鍵幀）預(yù)先設(shè)定好物體的位置及屬性，然后在這些關(guān)鍵幀之間進(jìn)行樣條或線性插值來完成運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)定。

采用Solidworks建立模型，完成了動(dòng)態(tài)過程的設(shè)計(jì)后，要利用Cult3D對(duì)模型進(jìn)行交互性設(shè)計(jì)，主要步驟：

（1）用3DMAX軟件建立三維場景，然后將其通過相應(yīng)的Cult3D export plug-in轉(zhuǎn)換為Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型經(jīng)過3DMAX軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)出模型到Cult 3D Designer作為交互設(shè)計(jì)的對(duì)象。

（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打開，添加交互動(dòng)作，并進(jìn)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(jìn)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(luò)平臺(tái)的搭建

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)面向教師、學(xué)生和實(shí)驗(yàn)管理員三大類對(duì)象，他們分布在網(wǎng)絡(luò)終端，可以在任何使用TCP/IP連接網(wǎng)絡(luò)的地方使用這個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Client/Server兩層結(jié)構(gòu)，由本地虛擬實(shí)驗(yàn)管理服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶組成，平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸使它們通過局域網(wǎng)或者INTERNET連接成一個(gè)有機(jī)的整體。實(shí)驗(yàn)的虛擬操作在學(xué)生本地機(jī)器上進(jìn)行，而實(shí)驗(yàn)的管理配置，教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)的教學(xué)交互則通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于很多把實(shí)驗(yàn)過程放在服務(wù)器上進(jìn)行的平臺(tái)來說，本平臺(tái)減輕了服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的壓力，同時(shí)在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)帶寬沒有達(dá)到可能的時(shí)候，減少了系統(tǒng)內(nèi)部之間信息的傳輸量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度的限制減少，因此更適合廣大的大專院校使用，整個(gè)平臺(tái)的構(gòu)成如下圖所示。

5.結(jié)語

機(jī)械基礎(chǔ)網(wǎng)路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅提供了良好的人機(jī)交互功能，而且提供了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路，大大降低機(jī)械學(xué)科的教育成本，改善相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)訓(xùn)環(huán)境，優(yōu)化教學(xué)過程，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中普遍存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、型號(hào)落后難以更新?lián)Q代跟上科技發(fā)展的困難。實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芄?jié)省教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提高教學(xué)質(zhì)量。

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項(xiàng)目支持：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目，構(gòu)建具有商業(yè)機(jī)械特色的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。