APP下载

机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台的设计

2017-09-03武照云朱红瑜李广玉刘保国

实验技术与管理 2017年8期
关键词:渐开线减速器齿轮

武照云, 李 丽, 朱红瑜, 李广玉, 刘保国

(1. 河南工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450001;2. 河南职业技术学院 汽车工程系, 河南 郑州 450046)

机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台的设计

武照云1, 李 丽2, 朱红瑜1, 李广玉1, 刘保国1

(1. 河南工业大学 机电工程学院, 河南 郑州 450001;2. 河南职业技术学院 汽车工程系, 河南 郑州 450046)

分析了机械原理与设计实验课程教学中存在的问题,以及虚拟仿真实验教学平台的功能需求、开发方案、技术路线与典型模块功能,开发了机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台。该平台所设置的实验分为基础认知类实验、参数测试类实验、原理验证类实验与综合训练类实验。文中对有代表性的机械零件认知实验、凸轮机构运动参数测试实验、渐开线齿轮范成原理实验和减速器拆装实验给出进一步说明。

机械原理与设计; 虚拟仿真; 实验教学; 学习资源

机械原理与设计课程包括机械原理与机械设计两部分内容,综合了高等数学、机械制图、理论力学、材料力学等课程的相关知识,与工程实际联系非常紧密[1-2]。高校在该课程教学中均设置有实践教学环节——机械原理与设计课程实验。通过实验,学生能够近距离观察机械零件结构和机构的运动过程,能够操控和拆装机械装置,锻炼实践能力。因此,机械原理与设计实验课程是必不可少的一个教学环节。但是,由于学时有限,实验课程所覆盖的内容不可能面面俱到;另外,实验课程也是按照预定的教学计划而开设,实验室无法对全体学生随时开放。为此,很多高校对虚拟仿真实验教学进行了大量研究[3-10]。但是,目前机械原理与设计虚拟仿真实验的资源建设存在以下问题:(1)虚拟仿真的实验教学资源不够丰富;(2)虚拟仿真实验平台大多是单机系统,远程访问的开放性不够;(3)虚拟仿真实验的操作交互性还不够好。

本文提出的机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台,利用虚拟仿真技术对各项实验内容进行虚拟呈现,使学生不受时空限制,随时随地都能够参与进来。

1 机械原理与设计实验项目概况

目前,大多数高校开设的机械原理与设计实验项目包括4类(见图1)。

图1 机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台功能设计

(1) 基础认知类实验。用于展示典型零件结构,让学生观察常见机构的运动情况。主要包括机械原理认知实验、机械零件认知实验、创新机构认知实验等。

(2) 参数测试类实验。通过对实验装置相关参数的测试,加深对课堂所学知识点的理解。主要包括机构运动参数测试实验、螺栓组连接性能测试实验、机构运动简图测绘实验、带传动性能测试与分析实验、滑动轴承性能测试与分析实验等。

(3) 原理验证类实验。通过对实验装置的观察或操作,验证教材中的相关原理与结论。主要包括动平衡原理实验、渐开线齿轮范成原理实验等。

(4) 综合训练类实验。通过对实验装置的拆装与组合设计,培养并锻炼学生的实际动手能力与创新意识。主要包括减速器拆装实验、组合式轴系结构设计与分析实验、创意组合机械系统搭接实验、慧鱼技术模型创新实验等[11]。

2 平台总体设计

2.1 功能需求分析

机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台主要用于高校机械类专业的辅助教学,利用虚拟仿真技术构建一个网络化平台供学生使用。该平台对开设的实验项目是很好的扩展和补充;对学生而言,也是内容丰富且使用方便的学习资源。平台需要实现一般机械原理与设计实验的虚拟仿真教学功能,其总体要求是:

(1) 实验项目虚拟呈现:要求实验内容进行虚拟仿真,实现机械零件结构的三维展示、各类型机构的运动仿真、实验装置相关参数的虚拟测试、实验装置的虚拟拆装等,在用户体验与视觉效果上,尽可能与真实情况接近;

(2) 实验操作简单方便:在各个实验项目中,都要设置实验介绍、音频讲解、操作提示、动画演示等功能,使实验操作尽可能简单方便,让学生在没有教师指导的情况下,能够独立完成实验项目;

(3) 可远程开放访问:为了让学生能够方便地使用,该平台要以Web应用程序架构部署并发布到网络上,并集成各个虚拟实验项目,提供一个统一的远程访问接口。这样,学生就能够随时随地通过浏览器进入该平台,以在线方式进行使用。

2.2 平台开发方案与技术路线

平台开发分为总体规划、系统开发和调试运行3个阶段。在总体规划阶段,要对平台功能模块进行划分,明确平台角色与权限控制策略;在系统开发阶段,分析每个实验项目的内容与原理,针对实验装置的三维虚拟展示及运动仿真、结构-运动-参数关联分析、机构参数虚拟测量等关键技术进行研究,分别开发各个实验项目的虚拟仿真模块,并统一集成到平台资源门户界面;在调试运行阶段,将平台部署到远程网络服务器上并发布,对平台进行性能测试与压力测试,根据测试结果进一步完善平台。

根据平台的功能需求分析,采用VS 2012中的ASP.NET进行平台开发,以C#为程序设计语言,SQL Server 2010为平台数据库,采用Pro/E对实验装置进行三维建模,运用Unity3D结合C#脚本技术进行虚拟仿真环境开发。

为了提高平台的逻辑结构合理性,平台采用3层架构模式设计,包括数据存储层、应用实现层和用户表现层。此模式体现了“高内聚、低耦合”的设计思想,降低了层与层之间的依赖度,使整体结构更加清晰。

3 平台典型模块设计

在平台的4种类型的实验项目中,有代表性的实验为机械零件认知实验、凸轮机构运动参数测试实验、渐开线齿轮范成原理实验和减速器拆装实验。

3.1 机械零件认知实验模块

机械零件认知实验主要是通过机械零件展示柜的形式,让学生熟悉机械原理和机械设计课程中常用零件的结构、类型、特点,了解标准零件的结构形式和国家标准。基于此,采用C#技术对Pro/E进行二次开发,构建了以参数化驱动建模为基础的常用机械零件模型库,并运用Unity3D引擎与交互脚本,实现常用机械零件的虚拟仿真Web展示。

机械零件认知实验模块内含机械零部件有:螺纹连接件(普通粗牙螺纹、矩形螺纹、螺栓、螺钉、双头螺柱、六角螺母等),键/销/铆连接(普通平键连接、半圆键连接、定位销、连接销等),带传动与链传动(V带传动、平带传动、同步带、单排滚子链等),齿轮传动(直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、直齿锥齿轮传动、蜗杆传动等),轴承(深沟球轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、滑动轴承等),轴(阶梯轴、光轴、曲轴等),联轴器(凸缘联轴器、十字滑块联轴器、万向联轴器等)等,如图2所示。

图2 机械零件认知实验模块

3.2 凸轮机构运动参数测试实验模块

凸轮机构运动参数测试实验模块提供了6种常见的平面凸轮机构(直动尖顶推杆凸轮机构、直动滚子推杆凸轮机构、摆动平底推杆凸轮机构等),学生可以修改一些基本参数,如基圆半径、偏心距、推程角等,然后可以生成对应的凸轮廓线,并完成凸轮机构不同运动规律的运动仿真,进而输出推杆位移、速度与加速度参数的变化线图。通过该虚拟实验,可以让学生加深对凸轮机构的参数、结构、运动影响关系的认识和理解。

该模块的实现方法为:

(1) 根据凸轮机构的实际特点,采用面向对象的设计思想,定义模块中的类及属性;

(2) 针对推杆不同类型的运动规律,编写运动参数计算函数,并定义为公用方法;

(3) 根据凸轮机构的要求,定义基本参数的合理性校验方法,包括基圆半径、压力角、滚子半径等;

(4) 编制凸轮廓线坐标点的解析计算函数;

(5) 运用GDI+技术,实现运动参数变化线图的绘制与机构的运动仿真。

该模块界面如图3所示。

图3 凸轮机构运动参数测试实验模块界面

3.3 渐开线齿轮范成原理实验模块

渐开线齿轮范成原理实验主要是借助渐开线齿轮范成仪,让学生观察渐开线齿廓的形成过程,进而掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理。该模块能够模拟渐开线齿轮范成仪的工作过程,对范成法制造渐开线齿轮的过程进行仿真演示;让学生加深对模数和齿数这两个参数的理解,对齿轮根切的原因以及根切后的齿形有直观的认识,并进一步掌握齿轮变位加工原理。图4所示为模数m=8 mm,齿数z=17,变位系数x=0的范成法加工渐开线齿轮仿真实验界面。

图4 渐开线齿轮范成原理实验界面

该模块的实现方法为:首先根据软件界面中设置的模数、齿数、变位系数等参数值,绘制齿轮毛坯和齿条刀具;然后让齿条刀具沿齿坯分度圆作纯滚动,使齿条刀具在齿坯上不断叠加;利用循环迭代和延时控制,实现齿条刀具范成法加工齿轮的模拟仿真。当齿条刀具相对齿轮毛坯转动一整周时,齿条刀具在齿坯上留下的轨迹包络线就是被加工齿轮的渐开线齿廓。

3.4 减速器拆装实验模块

减速器拆装实验模块的功能是通过对减速器的拆装与观察,了解减速器各部分的结构与用途,并通过对不同类型减速器的比较与分析,加深对机械零部件结构设计的感性认识。针对该实验内容,运用Unity3D技术构建了单级圆柱齿轮减速器、双级圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器等8种类型的减速器,并分别提供了原理介绍、虚拟讲解、零件智能提示、零件缩放、运动仿真、爆炸图、手动虚拟拆装、分步虚拟拆装、隐藏/显示零部件等功能,极大地方便了学生的操作练习。

该模块的开发步骤为:

(1) 在Pro/E软件中对减速器零件进行三维建模并完成装配[12];

(2) 将减速器模型导入3ds MAX软件中,对模型进行调整、渲染、贴图和动画制作等;

(3) 将3ds MAX中的三维模型与材质一起导出为.FBX文件,再将该.FBX文件导入Unity3D中,并设置缩放、旋转、移动、隐藏/显示等相关属性[13];

(4) 采用C#编写Unity3D的虚拟交互脚本,通过添加相应的按钮实现各种交互动作[14]。

该模块的虚拟展示效果如图5所示。

图5 减速器拆装实验模块效果图

4 教学效果评估

采用问卷调查的方法对机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台的教学效果进行了评估。以河南工业大学机电工程学院参加机械原理与设计实验课程的本科生为调查对象,共发放调查问卷1 276份,收回有效问卷1 228份。

根据统计数据,91%的学生认为平台中实验教学内容丰富,能够满足学习需要;94%的学生认为平台界面呈现效果较好,虚拟效果逼真;95%的学生认为平台操作简便,交互性体验非常好;92%的学生认为平台能够有效激发学习兴趣,提高学习积极性;90%的学生认为虚拟仿真实验能够有效促进知识的掌握,提高学习效果。

5 结语

在教育信息化大环境下,采用虚拟仿真技术辅助实验教学是一个趋势。本文提出的机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台,借助计算机技术和网络技术,实现了机械原理与设计相关实验的虚拟仿真,丰富了实验教学内容,扩展了实验教学模式,实际应用效果较好,可供其他同类型的虚拟仿真实验项目参考。

References)

[1] 魏军英,李学艺,王海霞,等.基于创新能力培养的机械原理课程教学改革探索[J].大学教育,2015(4):160-161.

[2] 周永清.机械原理创新教具学具进课堂[J].实验技术与管理,2016,33(2):11-13,37.

[3] 高媛,刘德建,黄真真,等.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究,2016(10):77-87,103.

[4] 蔡新,钱楚.基于虚拟现实的协同训练系统研究与实现[J].现代教育技术,2010,20(4):120-122,126.

[5] 刘汉代,赵杰,廖志良,等.机械原理虚拟实验系统的设计与实现[J].机械工程与自动化,2016(5):61-63,66.

[6] 侯宇.基于OpenGL的机械原理实验仿真软件开发[D].西安:西北工业大学,2001.

[7] 张雪雁,冯立艳.基于三维仿真和分析软件的机械原理课程改革[J].教育教学论坛,2016(4):123-124.

[8] 王增胜,孔令云,杨汉嵩,等.几何画板在机械原理动画演示中的应用[J].实验科学与技术,2016,14(1):92-94.

[9] 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.

[10] 胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140-144,201.

[11] 杨金花,徐学忠.机械原理实验教学的改革实践与效果[J].实验科学与技术,2016,14(3):156-159.

[12] 刘金明,马铁民,王娜.基于Unity3D的电动机虚拟仿真展示平台设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2014,26(3):66-68,78.

[13] 朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].武汉:华中师范大学,2012.

[14] 刘浩然,单莹,徐浩然,等.基于Unity3D的自动扶梯虚拟仿真展示[J].电脑知识与技术,2015,11(10):165-166.

Design of virtual simulation experimental teaching platform of Mechanical Principle and Design course

Wu Zhaoyun1, Li Li2, Zhu Hongyu1, Li Guangyu1, Liu Baoguo1

(1. School of Mechanicaland Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;2. Automotive Engineering Department, Henan Vocational and Technical College, Zhengzhou 450046, China)

The problems existing in the experimental teaching of Mechanical Principle and Design course, the functional requirements, the development plan, the technical route and the typical module function of the virtual simulation experimental teaching platform are analyzed, and the virtual simulation experimental teaching platform for Mechanical Principle and Design course is developed. The experiments of this platform are divided into the basic cognitive experiments, the parameter testing experiments, the principle verification experiments and the comprehensive training experiments. The further explanation is made on the typical cognitive experiment of mechanical parts, the parameter testing experiment of cam mechanism motion, the principle experiment of involute gear forming and the experiment of reducer’s disassembly and assembly.

mechanical principle and design; virtual simulation; experimental teaching; learning resources

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.030

2017-02-28

河南工业大学高等教育教学改革研究项目(2016GJYJXY34)

武照云(1981—),男,辽宁铁岭,博士,副教授,主要研究方向为数字化设计.E-mail:wzhaoyun@163.com

TH111;G642.423

A

1002-4956(2017)08-0121-04

猜你喜欢

渐开线减速器齿轮
东升齿轮
基于NURBS理论的渐开线齿轮齿面修复
基于Pro/E的渐开线内花键安装盘参数化设计
你找到齿轮了吗?
异性齿轮大赏
驼峰第三制动位减速器夹停钩车问题的改进
用修正渐开线投影法螺旋铣球面宏程序的编制
低密度超音速减速器
渐开线齿廓链轮梳齿刀的设计
齿轮传动