導(dǎo)語：虛擬實驗室機(jī)械設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1虛擬實驗室簡介

虛擬實驗是依托“虛擬現(xiàn)實”技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗?zāi)Ｊ?，利用計算機(jī)及仿真軟件來模擬實驗環(huán)境及過程，學(xué)生通過計算機(jī)操作來做實驗，以代替或加強(qiáng)傳統(tǒng)的實物實驗。虛擬實驗一般通過虛擬實驗室進(jìn)行。虛擬實驗室是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的一類適于進(jìn)行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括虛擬實驗室環(huán)境、相關(guān)實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等，是一個基于網(wǎng)絡(luò)的實驗教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺。虛擬實驗室最早由美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉•沃爾夫教授于1989年提出，被稱為“無墻的研究中心”。虛擬實驗室具有傳統(tǒng)實驗室無法比擬的特點，如資源共享性、互動操作性、用戶自主性、安全性等，并且可以有效地減少實驗設(shè)備購置經(jīng)費和實驗學(xué)時。隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，虛擬實驗室在教育領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用［8］。

2機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室

以“CAXA實體設(shè)計”和“CAXA－EB”軟件系統(tǒng)為依托，利用VisualBasic6．0和C/C++開發(fā)了機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室(見圖1)，包括三維虛擬實驗環(huán)境和二維虛擬實驗環(huán)境，可進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等11個機(jī)械設(shè)計虛擬實驗。學(xué)員可利用虛擬實驗室進(jìn)行實驗，完成并提交實驗報告，教師可利用該平臺查閱批改實驗報告。機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室由服務(wù)器端核心處理模塊、客戶端實時運(yùn)算模塊、用戶管理模塊、機(jī)構(gòu)庫模塊、零件庫模塊等七大模塊組成。其中，機(jī)構(gòu)庫包含40多個常用機(jī)構(gòu)，零件庫包含80多個常用零件，標(biāo)準(zhǔn)符號庫由100多個常用標(biāo)準(zhǔn)符號組成，在線幫助信息庫有近5萬字的在線幫助信息［9－10］。目前機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室已在全軍院校推廣使用。近幾年的教學(xué)應(yīng)用表明，機(jī)械設(shè)計虛擬實驗可部分取代實物實驗，某些傳統(tǒng)實驗如簡圖測繪、齒廓范成等可利用虛擬實驗室獨立完成;同時，虛擬實驗室大大擴(kuò)展了原有實驗內(nèi)容，增加了機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計、軸的設(shè)計、連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計等綜合性和設(shè)計性實驗，并且實驗室為開放性環(huán)境，實驗內(nèi)容還可根據(jù)需要繼續(xù)擴(kuò)充;另外，虛擬實驗室是實物實驗和課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，連桿機(jī)構(gòu)的基本形式和演化等實驗內(nèi)容對進(jìn)一步理解和鞏固課堂知識具有重要作用，通過虛擬實驗還可進(jìn)行一些實物實驗很難實現(xiàn)的實驗，如齒廓范成原理實驗，傳統(tǒng)的范成儀只能加工兩種參數(shù)的齒輪，而利用虛擬實驗室可以任意設(shè)置加工參數(shù)。又如軸的設(shè)計實驗，可實時設(shè)計、實時修改，并及時觀測設(shè)計結(jié)果。虛擬實驗室有效拓展了課內(nèi)實驗的時間和空間，在提高課程教學(xué)效果和實驗教學(xué)質(zhì)量及培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力方面，起到了非常重要的作用。

3虛擬實驗室在課程教學(xué)中的作用

機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室具備強(qiáng)大的模擬實驗和相關(guān)輔助功能，對課程教學(xué)和能力培養(yǎng)具有非常重要的作用。

3．1有效拓展課程實驗內(nèi)容，集實驗和輔助學(xué)習(xí)功能為一體

機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室不僅可完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪、齒廓范成原理、減速器拆裝等傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，還增加了機(jī)構(gòu)組成原理、連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計、凸輪設(shè)計、周轉(zhuǎn)輪系的應(yīng)用、軸的設(shè)計、齒輪傳動等新的實驗，拓展了實驗內(nèi)容。所開發(fā)的11個實驗既有傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性、驗證性實驗，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪、減速器拆裝等，又有設(shè)計性實驗，如齒輪范成原理、軸的設(shè)計、凸輪設(shè)計等。學(xué)員不僅可以通過虛擬環(huán)境完成實驗操作和設(shè)計，提高機(jī)械設(shè)計能力，還可利用實驗項目復(fù)習(xí)鞏固課堂所學(xué)知識，加深對知識的理解。例如連桿機(jī)構(gòu)的型式和演化實驗，學(xué)員可通過實驗環(huán)境設(shè)置機(jī)構(gòu)的桿長參數(shù)和機(jī)架，根據(jù)課堂知識判斷該機(jī)構(gòu)的型式，再利用虛擬實驗室驗證自己的判斷，使知識得以鞏固和加深。機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室將數(shù)值分析算法應(yīng)用到實驗開發(fā)中，形象地描述了在傳統(tǒng)實驗中很難實現(xiàn)的實驗，實現(xiàn)了實驗內(nèi)容的創(chuàng)新。例如齒廓范成實驗，傳統(tǒng)實驗使用齒廓范成儀進(jìn)行，一般每種范成儀只能范成同一參數(shù)(模數(shù)、壓力角等)、兩種齒數(shù)的齒輪，而在機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室中學(xué)員可任意設(shè)置齒輪的齒數(shù)和模數(shù)等參數(shù)(見圖2)，觀察各種參數(shù)的漸開線齒廓的形成過程和齒廓特點，擴(kuò)展了設(shè)計性實驗的內(nèi)容。圖3為利用機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室進(jìn)行漸開線齒廓的范成加工。

3．2構(gòu)建三維虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)三維動態(tài)仿真和創(chuàng)新設(shè)計功能

機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室構(gòu)建了機(jī)構(gòu)模型庫和零件庫，包含多個常用機(jī)構(gòu)和通用零件，常用機(jī)構(gòu)具有仿真動畫效果，通用零件具有三維渲染效果，學(xué)員在進(jìn)行實驗時可隨時調(diào)用，也可隨時運(yùn)行觀察其運(yùn)動以進(jìn)行組成和運(yùn)動分析。如圖4所示即為機(jī)構(gòu)庫中的飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)模型，學(xué)員可在三維實驗環(huán)境中觀察其組成和運(yùn)動情況，或?qū)ζ溥M(jìn)行運(yùn)動尺寸測繪，在二維環(huán)境中繪制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，這是機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程的一個傳統(tǒng)實驗。機(jī)械虛擬實驗室的零件庫包含軸、齒輪、軸承等80多種常用零件，學(xué)員在進(jìn)行設(shè)計性實驗時可隨時調(diào)用，同時還可在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實時修改，以用于所設(shè)計的機(jī)構(gòu)。如圖5所示為對設(shè)計的階梯軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。這樣使學(xué)員既有很強(qiáng)的感性認(rèn)識，又鍛煉了其設(shè)計能力，為基于想象的開放性創(chuàng)意設(shè)計提供了虛擬實現(xiàn)的平臺，拓展了學(xué)員的創(chuàng)造空間。

3．3實驗操作方便，相關(guān)功能完善

機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室具有可視化的實驗界面，交互功能強(qiáng)大，實驗操作簡單，實驗結(jié)果直觀。每個實驗都有詳細(xì)的實驗指導(dǎo)，進(jìn)行基礎(chǔ)性、驗證性實驗時在實驗界面上及時提示后續(xù)的操作步驟，操作不正確時系統(tǒng)會給出提示。如減速器拆裝實驗，要求能按正確的順序?qū)p速器進(jìn)行拆卸和安裝，在拆裝過程中，如果順序不正確，系統(tǒng)會出現(xiàn)警告，并提示正確的操作。機(jī)械設(shè)計虛擬實驗室具有在線幫助功能，學(xué)員在實驗操作中可隨時查閱實驗?zāi)康?、?nèi)容和實驗步驟等。另外，在每個實驗完成后可在虛擬實驗室中方便地撰寫、修改實驗報告，并進(jìn)行提交，如圖6所示。教師可在虛擬實驗室中檢查、批改學(xué)生的實驗報告，并將實驗評價反饋給學(xué)員。

4結(jié)束語

與實物實驗相比，虛擬實驗室具有虛擬性、實踐性、靈活性、多樣性等特征，它可以避免因?qū)嶒炘O(shè)備、實驗場地、教學(xué)經(jīng)費投入不夠等原因?qū)е聦嶒灍o法開設(shè)，使學(xué)生有機(jī)會完成更多的實驗，獲得與實物實驗一樣的體會和鍛煉，從而豐富感性認(rèn)識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。虛擬實驗室可以在校園網(wǎng)上，學(xué)員可以在任一終端訪問、登錄，進(jìn)行相應(yīng)的實驗，并撰寫實驗報告，大大拓展了實驗的時間和空間，節(jié)省了課上實驗時間，增加了學(xué)員的實驗內(nèi)容。實踐證明，虛擬實驗室不僅有助于學(xué)員加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解、擴(kuò)展課內(nèi)實驗的內(nèi)容，拓展實驗的時間和空間，并且為學(xué)員的創(chuàng)造性思維提供了實現(xiàn)的平臺，與實物實驗相結(jié)合，使學(xué)員受到良好的工程實踐鍛煉，對于提高其實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力，培養(yǎng)綜合素質(zhì)，起到了很好的作用。隨著相關(guān)技術(shù)的日益發(fā)展，虛擬實驗室將在課程教學(xué)和實驗教學(xué)中起到越來越重要的作用。

作者：李志尊王克印劉紅寧孟秋紅工作單位：石家莊軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系