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虚拟实验室机械设计论文
虚拟实验室机械设计论文 1虚拟实验室简介 虚拟实验是依托“虚拟现实”技术产生和发展的一种实验模式，利用计算机 及仿真软件来模拟实验环境及过程，学生通过计算机操作来做实验，以代替或加 强传统的实物实验。虚拟实验一般通过虚拟实验室进行。虚拟实验室是由虚拟现 实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括虚拟实验室环境、相关实 验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等，是一个基于网络的实验教学、技术 交流、共同研究、协同工作的平台。虚拟实验室最早由美国弗吉尼亚大学的威廉 沃尔夫教授于1989年提出，被称为“无墙的研究中心”。虚拟实验室具有传统实验 室无法比拟的特点，如资源共享性、互动操作性、用户自主性、安全性等，并且 可以有效地减少实验设备购置经费和实验学时。随着虚拟实验技术的成熟，虚拟 实验室在教育领域得到了越来越广泛的应用［8］。2机械设计虚拟实验室 以“CAXA实体设计”和“CAXA－EB”软件系统为依托，利用VisualBasic6． 0和C/C++开发了机械设计虚拟实验室(见图1)，包括三维虚拟实验环境和二维虚 拟实验环境，可进行机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速器拆装等11个机械 设计虚拟实验。学员可利用虚拟实验室进行实验，完成并提交实验报告，教师可 利用该平台查阅批改实验报告。机械设计虚拟实验室由服务器端核心处理模块、 客户端实时运算模块、用户管理模块、机构库模块、零件库模块等七大模块组成。
其中，机构库包含40多个常用机构，零件库包含80多个常用零件，标准符号库由 100多个常用标准符号组成，在线帮助信息库有近5万字的在线帮助信息［9－10］。
目前机械设计虚拟实验室已在全军院校推广使用。近几年的教学应用表明，机械 设计虚拟实验可部分取代实物实验，某些传统实验如简图测绘、齿廓范成等可利 用虚拟实验室独立完成;同时，虚拟实验室大大扩展了原有实验内容，增加了机 构改进设计、轴的设计、连杆机构的设计等综合性和设计性实验，并且实验室为 开放性环境，实验内容还可根据需要继续扩充;另外，虚拟实验室是实物实验和 课堂教学的有力补充，连杆机构的基本形式和演化等实验内容对进一步理解和巩 固课堂知识具有重要作用，通过虚拟实验还可进行一些实物实验很难实现的实验， 如齿廓范成原理实验，传统的范成仪只能加工两种参数的齿轮，而利用虚拟实验 室可以任意设置加工参数。又如轴的设计实验，可实时设计、实时修改，并及时 观测设计结果。虚拟实验室有效拓展了课内实验的时间和空间，在提高课程教学效果和实验教学质量及培养学生工程实践能力方面，起到了非常重要的作用。
3虚拟实验室在课程教学中的作用 机械设计虚拟实验室具备强大的模拟实验和相关辅助功能，对课程教学和 能力培养具有非常重要的作用。
3．1有效拓展课程实验内容，集实验和辅助学习功能为一体 机械设计虚拟实验室不仅可完成机构运动简图测绘、齿廓范成原理、减速 器拆装等传统实验内容，还增加了机构组成原理、连杆机构的应用和设计、凸轮 设计、周转轮系的应用、轴的设计、齿轮传动等新的实验，拓展了实验内容。所 开发的11个实验既有传统的基础性、验证性实验，如机构运动简图测绘、减速器 拆装等，又有设计性实验，如齿轮范成原理、轴的设计、凸轮设计等。学员不仅 可以通过虚拟环境完成实验操作和设计，提高机械设计能力，还可利用实验项目 复习巩固课堂所学知识，加深对知识的理解。例如连杆机构的型式和演化实验， 学员可通过实验环境设置机构的杆长参数和机架，根据课堂知识判断该机构的型 式，再利用虚拟实验室验证自己的判断，使知识得以巩固和加深。机械设计虚拟 实验室将数值分析算法应用到实验开发中，形象地描述了在传统实验中很难实现 的实验，实现了实验内容的创新。例如齿廓范成实验，传统实验使用齿廓范成仪 进行，一般每种范成仪只能范成同一参数(模数、压力角等)、两种齿数的齿轮， 而在机械设计虚拟实验室中学员可任意设置齿轮的齿数和模数等参数(见图2)， 观察各种参数的渐开线齿廓的形成过程和齿廓特点，扩展了设计性实验的内容。
图3为利用机械设计虚拟实验室进行渐开线齿廓的范成加工。
3．2构建三维虚拟实验环境，实现三维动态仿真和创新设计功能 机械设计虚拟实验室构建了机构模型库和零件库，包含多个常用机构和通 用零件，常用机构具有仿真动画效果，通用零件具有三维渲染效果，学员在进行 实验时可随时调用，也可随时运行观察其运动以进行组成和运动分析。如图4所 示即为机构库中的飞机起落架机构模型，学员可在三维实验环境中观察其组成和 运动情况，或对其进行运动尺寸测绘，在二维环境中绘制其机构运动简图，这是 机械设计基础课程的一个传统实验。机械虚拟实验室的零件库包含轴、齿轮、轴 承等80多种常用零件，学员在进行设计性实验时可随时调用，同时还可在原模型 的基础上进行实时修改，以用于所设计的机构。如图5所示为对设计的阶梯轴进 行结构修改。这样使学员既有很强的感性认识，又锻炼了其设计能力，为基于想象的开放性创意设计提供了虚拟实现的平台，拓展了学员的创造空间。
3．3实验操作方便，相关功能完善 机械设计虚拟实验室具有可视化的实验界面，交互功能强大，实验操作简 单，实验结果直观。每个实验都有详细的实验指导，进行基础性、验证性实验时 在实验界面上及时提示后续的操作步骤，操作不正确时系统会给出提示。如减速 器拆装实验，要求能按正确的顺序将减速器进行拆卸和安装，在拆装过程中，如 果顺序不正确，系统会出现警告，并提示正确的操作。机械设计虚拟实验室具有 在线帮助功能，学员在实验操作中可随时查阅实验目的、内容和实验步骤等。另 外，在每个实验完成后可在虚拟实验室中方便地撰写、修改实验报告，并进行提 交，如图6所示。教师可在虚拟实验室中检查、批改学生的实验报告，并将实验 评价反馈给学员。
4结束语 与实物实验相比，虚拟实验室具有虚拟性、实践性、灵活性、多样性等特 征，它可以避免因实验设备、实验场地、教学经费投入不够等原因导致实验无法 开设，使学生有机会完成更多的实验，获得与实物实验一样的体会和锻炼，从而 丰富感性认识，加深对教学内容的理解。虚拟实验室可以发布在校园网上，学员 可以在任一终端访问、登录，进行相应的实验，并撰写实验报告，大大拓展了实 验的时间和空间，节省了课上实验时间，增加了学员的实验内容。实践证明，虚 拟实验室不仅有助于学员加深对课堂教学内容的理解、扩展课内实验的内容，拓 展实验的时间和空间，并且为学员的创造性思维提供了实现的平台，与实物实验 相结合，使学员受到良好的工程实践锻炼，对于提高其实践能力和创新设计能力， 培养综合素质，起到了很好的作用。随着相关技术的日益发展，虚拟实验室将在 课程教学和实验教学中起到越来越重要的作用。
作者：李志尊 王克印 刘红宁 孟秋红 工作单位：石家庄军械工程学院车 辆与电气工程系
