虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用

赵海山++姜海

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.19.153

摘 要：虚拟仿真技术是利用硬件的在仿真技术和计算机虚拟现实技术建立仿真平台，实现对机械制动效果的可视化分析。利用仿真平台对机械工程实验中的操作舱、机械制动器等机型动力学建模，为机械工程的实践生产提供技术基础。该文通过分析虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用，研究实验中各种设备的规划和改革，旨在为虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用提供发展的方向。

关键词：虚拟仿真技术 机械工程 实验教学

中图分类号：G421 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（a）-0153-02

高校工科类专业中，操作实践是教学中重要的组成部分，我国大部分院校都设立了工科类的专业操作实验室，为学生动手能力和创新能力的提高创造条件。在传统的机械工程实验教学中，使用仪器设备的密集程度非常的高，使得实验的复杂程度大大增加。很多仪器设备的价值昂贵，体积结构为实验的操作带来极大不便。学生只能在教材知识的基础上刻板地进行实验的操作，在这种情况下学生的创新能力和主观能动性就不能得到发挥。众多高校在实验室的更新建设中，因为受到资金的限制，会继续使用旧的仪器设备，这些设备在长期的使用过程中出现机能老化，已经不能满足当前机械工程实验教学的需要。在计算机技术不断发展的基础上，虚拟仿真技术的应用成为现在机械工程实验教学中普遍的教学手段。

1 机械工程实验室的虚拟实验改进

现在高校实验教学中的问题越来越突出，制约着教学效率和质量，突出体现在很多院校的实验基地和实验单位的建设能力非常有限，不能满足学生自己动手操作要求，不能实现对学生进行基础理论知识深化和了解。很多院校为了节省资金，减少出现实验设备的安全问题等，在进行实验教学的时候，主要是以参观和讲座的形式进行实践培训，学生基本没有实践动手的机会。在这种情况下，就会造成学生毕业后，参加相关工作没有机械设备操作的经验，无法独立完成工作的内容。尤其在是实验教学的过程中，学生会逐渐失去对实验知识的学习动力和兴趣，对学生长远发展造成负面影响。所以在科学技术不断发展的今天，机械工程该实验室教学要转变传统的教学模式，采用先进的科学技术更新教学理念和教学手段，实现实验教学方法和教学的完善。在院校的机械教学中，实验教学是学生进行知识学习和巩固的重要手段，是学生实践操作能力培养的根本方法，是当今院校机械制造专业教学中最为重要的环节，是现代化机械人才培养的基本途径。通过现代化的教学方式可以最大程度提高学生实践动手能力，保证学生在实验动手操作的基础上对基本理论知识进行理解和完善。通过这样的实践实验教学，可以使学生合理将基础知识理论与实践内容相结合，在动手实践过程中逐渐形成独特的自我知识技能认知能力。现在大多数院校利用的是CAD机房，然后在此硬件设施的基础上，实现部分实验室教学方式的改革。并且引进虚拟仿真技术对现有的实验设备进行更新和改进。在机械工程实验室教学中应用虚拟仿真技术，不但可以避免在实验教学过程中出现设备的故障隐患，还能最大程度提高学生的实践动手能力，为学生专业理论知识的学习提供科学实践依据。对实验室部分设备装置进行传动性能实验、数控加工仿真实验和减速器装配实验，最大程度提高了机械工程实验教学的效率和质量。

2 虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的典型应用

2.1 带传动性能测试实验

带传动性能测试实验是机械工程专业实验室教学中的一个重要组成部分，其主要是让学生能够直观地观察带传动的弹性滑动和打滑现象，还能有效地对实验中的相关机电设备的承载能力进行分析，根据分析的数据参数实现对带动问题的控制。进行传动性能测试实验的时候，需要利用的机械设备有力传感器、电动机、转矩力测杆、光电测速装置、发电机等。这些实验机械设备主要通过人工实现传动性能测试，这样的测试方式主要的特点是人工费用会高于设备使用的费用。在虚拟仿真技术的基础上，进行带传动性能测试系统的设计可以最大程度提升机械工程实验教学效率和教学质量。

2.2 数控加工仿真实验

数字加工技术是现代制造业中一个核心的技术，在现代制造业的进步和发展过程中发挥着至关重要的作用。数字加工技术是综合计算机应用技术中的微电子技术和机械加工技术。现在众多院校的机械自动化成为一门重要的专业，这门专业的核心内容是在数控机床的操作中利用数控加工技术。但是数控机床的价格非常高，设备运作形式单一，并且运行程序的设置相当复杂，不能实现对每一位学生实验操作需求的满足，这种复杂性的实验操作，只能满足极少部分学生的需求，严重制约了机械工程实验教学的效率。虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用，可以实现让每一位学生加入到具体的机械工程实验中来，对机械机床加工环境和流程才形成一个系统认知。

2.3 减速器装配实验

机械设计的一个基础项目是减速器在机械设备中的使用。在传统的减速器实验教学中，都会利用实物代替减速器的教学方法。虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用，实现了通过实物模拟模型的拆卸，进行减速器的构成结构的直观讲解。

3 虚拟实验室建设的构想

在进行虚拟实验室建设思路设计的时候，首先，可以不考虑实验室应用设备的操作性，也就是保证实验室需要操作实践的目标和任务与相关机械工程专业知识系统相统一，然后再研究实验设备的稳定性。其次，要构思虚拟仿真平台的建设，例如：机械操作平台中的仿真器、ECU和虚拟演示平台等。在整个虚拟仿真系统框架的设计中，主要是满足院校机械工程类专业学生实验操作的需要，所以一定要保证虚拟仿真实验结果的精确性，才能确保学生对理论知识的掌握和巩固。一般构建虚拟实验室要进行仿真计算，观察相关系数，观察预先系数与实际操作系统是否统一。再次，仿真器的构建设计，随着计算机软件技术在机械工程实验中的应用，虚拟仿真器代替了原来操作实验中的实物操作，最大程度简化了实验步骤。并且仿真器可以利用USB实现与虚拟演示平台的链接，在实验的过程中可以保证虚拟演示平台及时接收到虚拟实验仿真信号，通过PWM模块实现向ECU传输一定频率的方波，在多媒体上模拟机械设备的工作原理，在虚拟实验进行的时候仿真器利用USB将仿真实验得到的数据传送到模拟演示平台，实现学生实验操作的参数需要。最后，建立虚拟仿真系统，利用相关的计算机应用软件，编辑建立应用模块，结合相关的3Dmax建模工具建立虚拟演示平台中的技术模块，将模块中的内容以特定的文件格式导入虚拟演示平台中，最终让学生在虚拟演示平台中进行相关机械工程实验操作。

4 结语

综上所述，虚拟仿真技术在现代院校机械工程专业实验教学中的应用，可以克服传统实验中的众多实验问题，保证学生能够主动参与到实验操作中来，提高机械工程实验教学的质量。所以，院校应该重视对机械工程实验室的虚拟实验改进，以及虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的具体应用手段和方法，对传统的实验教学进行更新和补充。虚拟实验要紧密结合现代科学技术和先进的计算机应用技术，满足机械工程专业学生实验操作要求的同时，适应院校实验室敬爱教学的改革和发展。

参考文献

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