能力导向学训结合机械设计虚拟实验平台的搭建

衡智博++崔冰艳++窦玉广++孙世琪++程杨++张佳胜

【摘要】针对现有的机械设计虚拟实验室在通用性和开放性方面具有的局限性，提出了能够等价甚至优于真实实验环境的机械设计虚拟实验的策略。引入参数化设计理论、采用CREO二次程序开发创建了机械实验课程中包含的轴系结构的创意组合设计、减速器的虚拟设计及装拆和齿轮传动三个实验模块，并利用C#软件和Adams软件对模塊进行了仿真设计，最后利用Unity3D软件对机械设计虚拟实验平台进行了总体设计，建成了一个面向所有机械专业的学生的能力导向学训结合的机械设计虚拟实验平台。该平台的成功搭建解决了实验课程教学中的诸多问题，具有很高的应用价值。

【关键词】参数化设计 Creo二次程序开发 能力导向

【基金项目】教育部在线教育研究中心在线教育研究基金（全通教育）课题（2016YB117）；河北省高校教育教学改革研究与实践项目（2015GJJG084）；华北理工大学教育教学改革重点项目（z1401-01）；华北理工大学创新训练项目（X2016201）。

【中图分类号】TH122；TH16 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）09-0021-01

一、引言

随着高校教育体制的深入改革，招生规模的不断扩大，一方面普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展，实验室的设备及规模已经不能满足日益增长的教学需要；另一方面机械设计实验课程存在着知识较为抽象，实际操作过程繁琐并且容易出错等方面的问题，这就导致学生很难在规定的时间内完成实验并解决出现的问题。虚拟实验平台的开发可以很好的解决以上问题。目前，虚拟实验平台在国内外各研究领域已经十分普及。在国外，美国约翰霍金斯大学化学工程系建立了虚拟工程/科学实验系统；德国鲁尔大学研发了控制工程的体系结构的网络虚拟实验室。在国内，华中理工大学研发了机械学院工程测试虚拟实验室；长春理工大学构建的机械基础虚拟实验室实现了可视化、交互式的目的。

本项目组基于虚拟实验室构建方法，结合机械设计实验的要求，提出能够取得等价甚至优于真实实验环境的机械设计虚拟实验的策略，开发出了能力导向学训结合的机械设计虚拟实验平台。

二、虚拟实验平台的构建

能力导向学训结合的机械设计虚拟实验平台是以机械设计课程中的实验为基础，分为轴系结构的创意组合设计、减速器的虚拟设计及装拆和齿轮传动三个模块，将现实中的实验过程通过虚拟技术，以网络在线的形式再现出来。

1.轴系结构组合设计实验模块

采用模块化设计，即将阶梯轴按不同的结构要素分解成若干模块，分别进行三维造型设计，进行参数化设计与装配界面的设计。

利用Creo建模软件实现了三维建模功能，通过改变设计参数，建立了轴系各部分构件的三维模型，利用SQLserver建立零件库，通过C#编程对轴系零件进行了约束，将数据库中的三维模型按组装和拆卸顺序分别进行编号，使轴系结构形成一个完整的可装卸体系，以供学生作为实验参考，图2给出一种一级斜齿轮轴系的装配。

2.减速器设计及拆装实验模块

减速器的设计及拆装是机械设计实验课程中比较典型的实验，通过对减速器的设计与拆装，可以具体详细地了解减速器的整体结构、功能及设计布局。对不同类型减速器进行分析比较，加深对机械零部件结构设计的认识，为机械零部件设计打下基础。

利用Creo软件三维建模功能分别建立了一级圆柱斜齿减速器、一级圆柱直齿减速器等六种常见类型减速器的所有零件的三维参数化模型，建立零件库，学生可以在零件库中选中零件，通过拖动鼠标的方式旋转零件，从各个角度对三维模型进行观察。利用C#编程软件和Adams仿真软件软件实现了减速器拆装过程的操作，如图2所示，学生通过虚拟拆装实验能更清楚的了解减速器的内部构造和装拆过程。

3.齿轮的参数化设计实验模块

该模块是针对齿轮传动的设计，主要是利用编程软件对齿轮传动参数的编程计算。通过Creo的二次开发将参数化设计与可视化建模仿真运动结合起来，改变结构参数数据的输入，直接对传动过程进行计算，该模块加深了学生对参数化设计对机器结构，强度等设计准则和设计原理影响的理解。

三、人机交互和教学管理系统

人机交互和教学管理这一模块主要是针虚拟实验平台网络在线和资源共享功能的设计。通过对其他已有的虚拟平台的设计进行研究，经过讨论与比较，利用C#软件和Unity3D软件的结合，设计出网络在线时的登录界面和各实验模块的操作界面，完善实验平台的整体框架。学生可以通过人机交互系统直接登录，进如虚拟实验平台，选择性的进行各项实验操作和学习，同时也可以对实验进行预习，达到更好地学习效果。而老师通过教学管理系统发布设计虚拟实验信息，同时对学生的实验操作结果进行评判，解决学生学习过程中遇到的难题。

四、结论

对Creo进行二次程序开发并利用其三维建模功能，C#软件编程功能和Adams软件仿真功能，将轴系结构的创意组合设计、减速器的虚拟设计及装拆和带传动和齿轮传动等常见传动机构三个模块分别进行了详尽的设计、整合，将三个试验模块进行进一步导入设计，最终构成一个面向所有机械专业的学生的能力导向学训结合的机械设计虚拟实验平台。能力导向学训结合机械设计虚拟实验平台的搭建很好地解决了现场实验的局限性，同时优化了实验设备，提高了实际操作可行性，具有很高的应用价值。

参考文献：

[1]童小利，金秋春.机械创新设计虚拟实验平台的建立[J].中国现代教育装备，2016，（13）：12-15.

[2]何新华，王孝宁.基于VRML的机械产品虚拟装配技术研究[J].机械工程与自动化，2011，6（05）：31-33.

通讯作者：

崔冰艳（1978-），女，沈阳人，博士，副教授。