齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台研发与应用

苗 淼，王志琼，刘津彤，寇尊权，杨 楠

(吉林大学 机械与航空航天工程学院 国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心,长春 130022)

0 引 言

齿轮是机械中应用最广泛的零件之一，是众多机电产品的核心部件，在机械类课程教学、实验教学中占有相当大的比重[1-2]。齿轮设计涉及众多参数，完工齿轮的各项参数是否符合设计要求对齿轮传动的性能有着重要的影响[3-5]。检测齿轮是否合格，要通过检测项目和相应的检测仪器确定。

随着国家对高等教育经费投入的逐年增加[6-7]，为满足高校人才培养和科研的需求，大型精密仪器设备的数量在高校内有所增加，但加强大型精密仪器设备管理、提高设备利用率和普教率是当前面临的十分紧迫的现实问题[8-9]。目前机械虚拟仿真国家级实验教学示范中心下设的机械基础实验教学中心拥有国内先进、现代化生产中，大、中型企业进行机械产品齿轮精度检测常用的高精密检测仪器设备齿轮测量中心1台，并且已经初步投入了齿轮综合实验——齿轮精度检测实验,将大型贵重精密检测仪器设备齿轮测量中心应用于本科生教学[10-11]。该实验项目在独立设课的本科生必修课程机械工程综合实验Ⅱ中，通过该门课程学习使学生加深对齿轮结构齿轮精度检验项目的理解，了解齿轮精度检测仪器的使用方法，提高运用先进技术和工具解决工程实际问题的能力[12]。

但随着课程的开设逐渐暴露出大型精密检测仪器设备价格昂贵，无法大量购置，因此无法多人共同实验；操作复杂，实验前需要进行培训，但有效学时不足；对环境要求高，维护成本高等问题。针对这些问题，基于互联网+，结合现有资源尝试建立虚实结合的实验教学模式，真实实验与虚拟实验相互依存相互补充，发挥各自优势从而提高大型精密仪器设备利用率和普及率，改善实验教学效果，提高实验教学质量[13-16]。本文基于齿轮测量中心和网络技术研制齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台，旨在为学生提供基于齿轮测量中心的齿轮精度综合检测实验预习平台、虚拟仿真实验操作平台、实验复习平台以及师生交流平台，不仅受益于本校学生，同时可以与国内其它高校、社会人员实行资源共享。

1 建设目标与任务

利用检测领域前沿技术，基于虚拟仿真实验交互平台，研发基于高精密检测仪器设备的齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台，设计制作包含一系列齿轮精度检测虚拟仿真实验内容，与机械工程综合实验Ⅱ中的齿轮精度真实检测实验集成为齿轮精度综合检测实验，从而创建虚实结合的实验教学模式。

学生基于网络平台进行典型零部件的装夹、检测参数设置、虚拟检测、检测曲线动态变化分析、检测数据判断等过程的学习，通过虚拟仿真实验基本掌握实验的操作过程和齿轮精度理论知识。然后到实验室进行真实实验，将基于互联网+的虚实结合实验教学模式应用于本科生教学，提高实验教学效果，并且解决大型精密检测仪器设备操作复杂、学时不足、对环境要求高，无法多人共同实验等普遍问题。

该实验项目符合国家级虚拟仿真实验教学建设的要求，达到了建立具有先进性、需求性、特色性和共享性虚拟仿真实验教学中心的目标。

2 齿轮精度虚拟检测平台方案设计

建立虚实结合的实验教学模式，将齿轮精度综合检测实验分成4大实验内容：实验预习，虚拟实验，真实实验，实验报告。实验模块构成如图1所示。

图1 齿轮精度综合检测实验模块构成

齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台涵盖实验前两项内容，即实验预习与虚拟实验，平台设计流程如表1所示。其中预习考试、真实实验预约、真实实验成绩、报告提交和报告成绩依托机械虚拟仿真实验教学平台进行实验教学管理。

表1 齿轮精度虚拟检测平台设计流程

3 虚拟检测平台内容建设

齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台基于unity3d技术，设计制作了7个子模块，分别为实验目的、内容、仪器设备介绍、实验原理、步骤、视频和虚拟实验，其中前6个子模块构成实验预习模块。

3.1 实验预习模块

该模块主要通过文字、三维立体图形、声音和动画为学生提供实验前预习准备，即通过网络平台进行实验预习，预习完成后进行网上预习考试，给定预习成绩。

实验目的主要是使学生了解齿轮测量中心的基本结构、测量原理及操作方法，加深对齿轮齿廓、螺旋线等概念的理解，掌握数据处理方法及尺寸合格性判断原则；实验内容主要是检测圆柱齿轮精度,齿廓、螺旋线、齿距和径向跳动；仪器设备介绍和实验原理详细介绍了仪器设备的主要结构和检测原理；实验步骤和实验视频分别运用文字和动画讲解了实验的操作过程与注意事项，如图2所示。

图2 虚拟检测平台建设内容

预习准备完成后，学生可以从预习考试题库中自行抽取10道试题进行解答，答对8道以上可以继续进行虚拟实验，如果少于8道题，强制学生继续进行实验预习，不能进行虚拟操作。每位同学有3次机会。同时，签错的题会自动弹出正确答案，并给予解释。

3.2 虚拟仿真实验模块

预习成绩达到要求后，可操作虚拟实验模块，该模块即为齿轮精度虚拟检测，操作完成后，根据操作步骤打分，并对操作错误给予提示。

虚拟实验操作模块中，建立与真实实验室同样的虚拟操作实验室，实验室内摆放着和真实实验同样的三维立体虚拟仪器设备，可以360°观看。虚拟实验过程中，根据右下角操作步骤进行虚拟操作。对于局部操作视角右上方会出现一个小窗口。这个小窗口起到局部放大的功能，帮助进行虚拟操作。每一个实验操作步骤都有一定的分值，如果操作正确，给予分值，学生可继续操作；如果操作错误，不给于分值，同时页面给予正确操作提示，保证学生继续操作，如图3所示。

4 虚拟仿真实验教学质量管理

该实验实行过程管理，并进行实验教学改革，建立虚实结合的实验教学模式。实验预习为学生提供实验前的预习准备。通过网络平台进行实验预习，预习完成后进行网上预习测试，给定预习成绩。预习成绩达到要求后，网上虚拟实验操作，操作完成后，根据操作步骤打分。通过网络预约实际实验时间，到实验室进行真实实验，实验完成后由实验教师给予实验操作成绩，录入网络管理平台内。根据实验数据进行机械精度分析与判断，提交实验报告，教师给予批改，进行打分。最后根据实验4大部分的成绩进行综合加权，获得学生的最终实验成绩。学生可以根据互动系统进行实验讨论，实验咨询。教师可以通过互动系统进行实验解答，强化实验教学质量，提高实验教学效果。

图3 齿轮精度检测虚拟仿真实验

5 结 语

齿轮精度检测虚拟仿真实验教学平台的研发创建了虚实结合的实验教学模式，有效地改善了学生实验条件，提高实验教学质量，从根本上实现了实验教学改革。该平台为吉林大学国家级机械虚拟仿真实验教学示范中心的一个虚拟仿真实验项目，发布于机械虚拟仿真实验教学平台上，网址为：http://vmech.jlu.edu.cn。近2年该平台与机械工程综合实验Ⅱ中的齿轮精度检测实验相结合，为机械类和近机类本科生开设虚实结合的实验课程，学生还可以通过登录平台进行课前预习及课后复习，教学效果良好。同时基于网络与校内其它学生和其他高校师生进行资源共享，扩大受益面，起到了很好的示范辐射作用。