基于Flash ActionScript机械虚拟实验的设计与开发

郭德伟闵 洁江 洁苏艳萍柯建宏

（1.红河学院 工学院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650093）

基于Flash ActionScript机械虚拟实验的设计与开发

郭德伟1,2，闵 洁1，江 洁1，苏艳萍1，柯建宏2

（1.红河学院 工学院，云南蒙自 661100；2.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650093）

以红河学院机械实验教学为原型，采用Flash ActionScript技术为设计平台，结合Pro/E、AutoCAD等软件及现代教育技术，设计开发了5个机械虚拟实验，指出了该类虚拟实验在教学中所表现出的优越性，并对该校机械虚拟实验室的建设提出了构想.

虚拟仿真；机械实验；虚拟实验室；机械教学

引言

现代教育技术的发展使计算机虚拟实验在教学中的应用越来越广泛[1]，特别是一些高校由于办学规模的迅速扩大致使相应配套经费投入不能及时到位，出现了实践教学条件不足、设备老化、更新不便等系列问题.面对高校缩减经费投入、提高教学质量等政策，传统的实验教学模式受到了巨大的挑战，这时虚拟实验教学便成了一个不错的选择.目前我国对教学虚拟实验的研究还缺乏一定的系统性及良好的人性化设计[2]，且开发虚拟实验对一般实验教师还存在一定难度.在虚拟实验的进行过程中，虚拟仪器如何针对实验者的所有操作进行正确的响应及使实验者获得与实施实际实验完全相同的体验，是构建虚拟实验的核心，更重要的是还要根据具体虚拟实验的内容选择适合的构建技术[3].这里以红河学院机械实验教学为原型，采用Flash ActionScript技术为设计平台，结合Pro/E、AutoCAD等机械常用软件，利用现代教育技术手段，设计开发出了其中5个机械虚拟实验.

1 虚拟实验的设计与开发

根据红河学院机械工程实验中心现有的条件，对部分典型实践教学方式进行了试点改革，将虚拟仿真技术引入实验教学，主要尝试开发了机构及机构组成认知实验、机构运动简图测绘实验、四杆机构运动原理实验、渐开线齿轮范成实验和机械加工误差统计分析实验，一定程度上解决了实验设备不足的问题，还提高的学生的积极主动性，取得了良好的实验教学效果.所开发的实验系统设计的一般结构如图1所示，帮助部分主要展示本实验系统的操作环境及软件使用方法，相关界面及按钮的意义等；实验指导部分主要介绍该实验的目的、原理、方法、操作步骤、实验意义等，并提供实验报告单的下载；进行实验部分则是虚拟实验的主体部分，根据实验目的及要求完成相关实验；数据分析部分是针对某些数据量相对较大的实验而设计的，以便进一步的实验研究或为教师对学生实验报告的批改提供便利.

图1 系统软件一般结构

1.1 机构及机构组成认知实验

机构及机构组成的认知是观察常用的平面连杆机构、空间连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮轮系、间歇运动机构以及组合机构的类型与运动情况，以便对机构、机器、运动副构件有一定的认识，对机器的基本要素有初步的了解.传统实验方法一般是参观机械示教陈列柜来完成，但示教陈列柜的局限性及更新问题日益显现.

实验中心通过Pro/E、UG、AutoCAD等软件对部分机构建立了三维模型，通过Flash Actionscript技术为设计平台，利用了XML、Web等技术，开发了机构及机构组成认知实验系统，该系统从多角度展示了机构的结构特性或运动特性，系统可实现与外部文件的链接从而方便实现系统机构库的扩充或更新.图2.a为机构认知实验系统模型的选择界面，点击所选图片将进入该机构的三维展示界面；图2.b是利用Pro/E建立的减速器尾闸机构的装配爆炸图.在该系统中可以查看各机构的装配示教动画，清晰了解机构的装配过程，从而实现对机构组成的认知，达到实验教学目的.

图2 机构及机构组成认知实验系统

1.2 机构运动简图测绘实验

该实验要求学生熟悉机构运动简图的绘制方法，掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能，通过实验了解机构运动简图与实际机械结构的区别，进一步加深理解机构的组成原理、机构自由度的计算及其含义.

这里开发的机构运动简图测绘系统，框架和机构及机构组成认知实验系统类似，但增加了测绘及通过密码访问参考结果等多项功能[4].图3.a显示了系统测量的过程，测量得到的数值将会显示在左边的面板中；图3.b显示了挖掘机机械臂简图的运动情况，通过动态的机构运动简图，配合播放的逐步控制，可清晰地表现机构自由度的意义，增强对机构运动简图的理解，达到实验教学的目的.

图3 机构运动简图测绘实验系统

1.3 四杆机构运动原理实验

四杆机构运动原理实验是为了加强理解这部分理论知识而开发的，该实验主要是让学生掌握不同杆长条件所形成的机构类型及其运动规律，为四杆机构的设计奠定一定的基础.而所开发的四杆机构运动原理实验系统实现了机构运动的精确模拟，可根据不同杆件长度自动判断四杆机构的类型并按其运动规律运动，可动态地调节机构的运动速度及方向（输入负值运动方向相反），可显示连杆及其附近任意一点的运动轨迹、速度及加速度，对四杆机构的轨迹及运动线的研究具有重要意义[5].这些优越性是传统实物实验无法达到的.

图4 四杆机构运动原理实验系统

1.4 渐开线齿轮范成实验

渐开线齿轮范成实验的目的是观察齿廓的渐开线及过渡曲线的形成过程，了解渐开线齿轮产生根切现象和齿顶变尖现象的原因及用变位修正法来避免发生根切的方法.一般在机械式范成仪上，模数 、齿数 、压力角 、齿顶高系数 、顶隙系数 都是固定的，只有变位系数 可以调整，能够发挥的作用仅仅是验证范成法原理，不能充分认识齿轮设计参数与齿廓曲线的关系，难以去准确理解、进而正确掌握齿轮设计参数的作用[6].而实验中心所设计开发的渐开线齿轮范成实验系统能较好地克服传统机械范成仪的不足，能直观、动态地模拟齿轮范成加工情况，并能充分展示齿轮设计参数对于渐开线齿廓曲线的影响规律，从而更好地达到实验教学目的.该实验系统还可实现不同设计参数下齿廓的比较，不论是在进行范成的过程中还是在齿廓的比较过程中，都可通过点击鼠标左键、并配合鼠标中键滚轮实现齿轮的平移和缩放，轻松实现对视口内容的适时观察，较为清晰地展现各部分齿廓形状.图5.a为不同设计参数下范成后齿轮的整体比较；图5.b为通过视口缩放功能显示的齿廓形状，可清晰查看其中的根切现象，当鼠标移到相应齿轮上将显示该齿轮的常用几何参数.

图5 齿廓比较界面

1.5 机械加工误差统计分析实验

统计分析法是通过一批工件加工误差的表现形式来研究产生误差原因的一种方法.加工误差统计分析实验的目的在于，巩固已学过的统计分析法的基本理论，掌握运用统计分析法的步骤，练习使用统计分析法判断问题的能力.通过该实验，要求学生掌握绘制工件尺寸实际分布图的方法，并能根据分布图分析加工误差的性质，计算工序能力系数，合格品率及废品率等，能提出工艺改进的措施；掌握绘制X-R点图的方法，能根据X-R点图分析工艺过程的稳定性.

传统实验方法需要在机床上加工多个零件作为原始数据，耗时且成本较高，而采用虚拟仿真加工所生成的数据作为样本数据进行误差统计分析实验，则可较大的降低该实验的成本，提高实验效率.该系统可实现对实验样本数据的外部输入处理，也可自动生成具有一定规律的随机样本数据，并能根据误差统计分析实验要求，自动绘制出相应的分布图或点图图形，这点给教师对学生实验报告单的批改带来了便利.图6.a为对样本数据处理后得到的分布图，附合误差统计的正态分布情形；图6.b为点图图形，当有点超出控制线将被特殊显示，鼠标移动到每个点上将能显示该点的相关信息.

图6 数据处理参考结果

2 虚拟实验室建设的构想

目前红河学院机械工程实验中心共建有机械原理、机械设计、机构创新综合、液压与气压、金相与热处理、金属材料力学和数控技术等七个实验室，主要承担机械工程及自动化专业的实验教学、学生创新项目及部分学生毕业设计专题实习任务，同时要满足理学院、生命科学与技术学院的部分专业的教学实验任务，以及相关学科部分教师科研课题研究任务.目前，可开设实验课程9门、实验项目108项，年实验人时数达到1.5万，年接待毕业设计及课程设计实验学生300余人.实验方式为传统实物操作，但由于分组实验的学生人数较多，实验效果并不理想，同时还存在部分实验设备短缺和破损问题.为此，实验中心在现有的软硬件基础上，依托工学院计算机科学和教育技术等专业技术，积极筹划机械工程虚拟实验室的建设.

建设虚拟实验、开展网络实验教学，即可丰富学习资源、缓解仪器设备的不足，又能体现个性化的学习环境，改进教学模式，提高教学效果.根据现有实验室的发展和实验项目情况，初步设想机械工程虚拟实验室结构如图7所示.主要为机构展示、虚拟仿真和性能测试三个方面，随着实验教学改革的不断深入，实验类型和数量都会逐步增加，最终形成完善的虚拟实验教学体系.

图7 虚拟实验室结构构想

3 结束语

从红河学院机械工程实验中心对所设计开发的虚拟实验应用情况看，虚拟实验克服了传统实验的不足，成为了传统实验教学有力的补充，虚拟实验教学增强了学生实验兴趣，降低了实验成本，总体教学效果较好.而且该类基于Flash Actionscript技术设计开发的虚拟实验软件体积小、质量高、运算速度快，操作简单方便，具有较强的可移植性、交互性和仿真性，非常适合在线教学，为以后虚拟实验室的建设奠定了良好的基础.

[1] 蔡卫国.虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):76-78.

[2] 郭桂苹,南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学, 2010,13(5):175-178.

[3] 魏芸.虚拟实验的分析与研究[J].科技信息,2010,(35): 5-6.

[4] 郭德伟,柯建宏.基于Flash ActionScript的机构运动简图测绘实验设计与开发[J].计算机与数字工程,2012,40(2):105-107.

[5] Guo De-wei, Xiao Tian-qing.Kinematic Simulation Design of Planar Four-bar Linkage Based on Flash ActionScript [C].Xueli Zhou.2010 Third International Conference on Education Technology and Training ,2010: 301-304.

[6] 谭伟明,唐东炜,吴楷.齿轮范成实验的一种图形仿真系统[J].实验技术与管理, 2011,28(8): 73-75.

Design and Development of Mechanical Virtual Experiment based on Flash ActionScript

GUO De-wei1,2,MIN Jie1 JIANG Jie1.SU Yan-ping1.KE Jian-hong2
(1.Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China;2.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China)

As design platform, five mechanical virtual experiments are developed by using Flash ActionScript, Pro/E and AutoCAD software, and modern educational technology.This virtual experiment system has been applied to mechanical experimental teaching in department of mechanical engineering of Honghe University, and some advantages are showed.The construction of mechanical virtual laboratory in this university is discussed.

virtual simulation; mechanical experiment; virtual laboratory; mechanical teaching

TP302

A

1008-9128（2012）04-0019-03

2012-03-19

云南省教育厅科研项目（2010C076）

郭德伟(1978 - )，男，云南通海人，硕士，讲师.研究方向：机械数字化设计与制造方向的教学与研究.

[责任编辑 张灿邦]