材料成型三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
材料成型技術(shù)課程是機(jī)械、材料專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，它的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。目前，現(xiàn)實(shí)中的材料成型實(shí)驗(yàn)存在以下局限性：
1. 硬件依存性較強(qiáng)，只能在特定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行；
2. 需要數(shù)量較大的儀器設(shè)備，才能滿足學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求；
3. 部分實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿鍛造實(shí)驗(yàn)；
4. 部分實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程繁瑣、枯燥。
材料成型技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件建設(shè)滿足以下主要功能：
本系統(tǒng)是針對(duì)大中專院校《材料成型技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課程配套開(kāi)發(fā)的可在網(wǎng)上開(kāi)展的虛擬實(shí)驗(yàn)課程，課程模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；為保證軟件的交互性和擴(kuò)展性，軟件采用國(guó)際領(lǐng)先的Unity3D引擎開(kāi)發(fā)而成，且插件在近1年內(nèi)有更新版本，并可支持后續(xù)的優(yōu)化升級(jí)。軟件交互性良好，用戶在場(chǎng)景中，通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤的交互，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景中走動(dòng)，通過(guò)視角旋轉(zhuǎn)、拉近觀察場(chǎng)景元素中的細(xì)節(jié)，支持用戶從任意視角、任意距離觀察實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
提供實(shí)驗(yàn)器材欄，器材欄在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用戶可以隨時(shí)選擇收起和展開(kāi)，同時(shí)也可以將器材欄拖動(dòng)到任意位置；軟件提供視圖選擇功能，便于用戶快速切換到對(duì)應(yīng)視角進(jìn)行操作或觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；軟件采用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染處理，畫面精美，同時(shí)提供操作幫助，言簡(jiǎn)意賅描述實(shí)驗(yàn)如何開(kāi)展。
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程主要包含以下典型實(shí)驗(yàn)：
• 鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)
• 鍛造虛擬實(shí)驗(yàn)
• 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿鍛造虛擬實(shí)驗(yàn)
• 鑄造成型性評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
• 鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)-HTC版
（1）鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)
鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為鑄造熱加工實(shí)驗(yàn)，三維模擬了鑄造車間、造型機(jī)和對(duì)應(yīng)工具等。用戶可以在場(chǎng)景中漫游體驗(yàn)，進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。系統(tǒng)以流程圖的模式，模擬了零件鑄造的主要工序，模擬了由零件圖計(jì)算得到木模樣圖尺寸，并制作木模和型砂芯，確定分型面，制作上下砂箱，直至澆注出零件的完整鑄造加工過(guò)程。系統(tǒng)包括簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)鑄件砂型鑄造和槽輪砂型鑄造兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)。
首先，學(xué)生根據(jù)典型零件圖，通過(guò)理論計(jì)算得到木模樣圖尺寸。
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填寫木模樣尺寸
確定分型面，可360度交互式查看
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確定分型面
鑄造車間全貌，下一步操作會(huì)高亮提示。
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鑄造車間全貌
制作上砂箱，上料過(guò)程。
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制作上砂箱
砂箱制作完畢，取出澆口棒和冒口棒，并用小鏟子清理澆口和冒口。
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清理澆口和冒口
取出木模，用工具修整邊口和掉落的沙子。
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取出木模并清理
繼續(xù)制作下砂箱，并將上下砂箱裝配固定。
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制作下砂箱并合模
進(jìn)行鐵水澆注，完成后取掉模具，待冷卻完畢后取出鑄件。
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用鐵水澆注
（2）鍛造虛擬實(shí)驗(yàn)
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本虛擬實(shí)驗(yàn)提供齒輪、彎曲連桿兩種零件的鍛造模擬，同時(shí)提供蒸汽-空氣模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)兩種儀器的工作原理介紹，形象直觀的表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以更好的幫助材料成型專業(yè)的學(xué)生掌握鍛造的相關(guān)知識(shí)。
本虛擬仿提供完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，包括連桿的結(jié)構(gòu)認(rèn)知、連桿的工作原理、材料的選取，學(xué)生了解這些基本的知識(shí)之后可以在網(wǎng)上通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤模擬預(yù)鍛、終鍛、切邊等完整的鍛造流程。
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鍛造實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
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儀器工作原理介紹
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鍛造加工示意圖
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿鍛造實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)包含連桿結(jié)構(gòu)的認(rèn)知、曲軸連桿的工作原理、連桿材料的選取、模鍛過(guò)程四個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。
在連桿結(jié)構(gòu)認(rèn)知環(huán)節(jié)，系統(tǒng)將連桿分為三部分，對(duì)每一部分還輔以簡(jiǎn)短的介紹以加深認(rèn)知。
在模鍛過(guò)程環(huán)節(jié)，軟件模擬連桿分級(jí)鍛壓的過(guò)程，每次鍛壓之后，用戶都可以仔細(xì)觀察模具型腔的形狀及鍛件的形狀變化。
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發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿鍛造
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曲軸連桿的工作過(guò)程
（4）鑄造成型性評(píng)價(jià)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)
學(xué)生可通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材的認(rèn)知。
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學(xué)生可通過(guò)軟件進(jìn)行砂型鑄造的模擬實(shí)驗(yàn)。
1、摸樣確認(rèn)：拖動(dòng)鼠標(biāo)查看木模樣，點(diǎn)擊下一步觀察下模
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2、合金熔煉：用三個(gè)電阻爐融化3種合金，開(kāi)啟電阻爐，調(diào)整溫度
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3、砂型準(zhǔn)備：給沙箱劃線，放到造型機(jī)上填沙
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4、砂型準(zhǔn)備：回轉(zhuǎn)造型機(jī)上部，壓平砂，翻轉(zhuǎn)下砂箱，撒上分型砂
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5、砂型準(zhǔn)備：旋轉(zhuǎn)造型機(jī)上部，放置上砂箱，放入澆口棒、冒口棒，填砂，回轉(zhuǎn)造型機(jī)上部壓平
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6、砂型準(zhǔn)備：為砂箱插入插銷，用氣孔針扎出氣孔。用取模針去除澆口棒、冒口棒。
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7、取下并翻轉(zhuǎn)上砂箱，用取模針取出上、下模樣
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8、澆注成型：點(diǎn)擊砂箱和砂型將兩者透明化、觀察電阻爐溫度，使用氧化鋅精煉并去除氣體和雜質(zhì)，用勺子舀取合金熔液進(jìn)行澆鑄
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9、測(cè)量分析：測(cè)量螺旋線試樣的長(zhǎng)度并將其記錄在表格中
（6）鑄造虛擬實(shí)驗(yàn)立體實(shí)驗(yàn)HTC版
本系統(tǒng)是針對(duì)各類院校機(jī)械專業(yè)配套開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，能模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。為保證系統(tǒng)的交互性和擴(kuò)展性，該系統(tǒng)采用國(guó)際領(lǐng)先的Unity3D引擎開(kāi)發(fā)而成；
用戶在三維實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中自由漫游而不受任何約束；可以從任意視角、任意距離觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
系統(tǒng)畫面效果精美，采用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染處理；同時(shí)，交互性良好，用戶可以輕松自如地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，系統(tǒng)可確保實(shí)時(shí)運(yùn)行幀數(shù)高于25幀/秒；
系統(tǒng)通過(guò)采用三維建模模擬真實(shí)的鑄造工具模型，系統(tǒng)可支持用戶使用當(dāng)前流行的HTCVive頭戴沉浸式VR設(shè)備及配套的操作手柄開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)。
鑄造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)為鑄造熱加工實(shí)驗(yàn)，三維模擬了鑄造車間、造型機(jī)和對(duì)應(yīng)工具等。用戶可以在場(chǎng)景中漫游體驗(yàn)，進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)，模擬制作上下砂箱，直至澆注出零件的完整鑄造加工過(guò)程。
實(shí)驗(yàn)操作流程如下：
1、制作上沙箱
把上砂箱放在平臺(tái)上，用工具、毛刷清理干凈后，劃對(duì)中線把木模放入上砂箱，放入澆口棒、冒口棒，倒入沙子，并用振擊造型機(jī)將放入的沙子用抖實(shí)、壓緊，翻轉(zhuǎn)上砂箱，取出木模、澆口棒和冒口棒，修整掉落的砂子，挖內(nèi)澆道。
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2、制作下沙箱
把下砂箱放在平臺(tái)上，用工具、毛刷清理干凈后，劃對(duì)中線把木模放入下砂箱，倒入沙子，并用振擊造型機(jī)將放入的沙子用抖實(shí)、壓緊，翻轉(zhuǎn)下砂箱，取出木模，修正掉落的砂子。
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3、把上下砂箱水平裝配在一起固緊；
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4、開(kāi)始用熔融的HT200，或鋁合金、或鑄鋼，開(kāi)始澆注；
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5、經(jīng)過(guò)一段時(shí)間冷卻后，鑄件完全固化，用松砂機(jī)松砂，取出鑄件，清理澆口和冒口，工場(chǎng)，關(guān)閉機(jī)器、電源。
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系統(tǒng)服務(wù)器端用戶分為學(xué)生、教師、教務(wù)管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權(quán)限。
學(xué)生：選課、選擇實(shí)驗(yàn)、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)、接受實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、保存和提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、查詢實(shí)驗(yàn)成績(jī)和批語(yǔ)。
教師：典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)維護(hù)、發(fā)布實(shí)驗(yàn)、安排實(shí)驗(yàn)、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、系統(tǒng)指導(dǎo)、統(tǒng)計(jì)并發(fā)布學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)和批語(yǔ)。
教務(wù)管理員：課程計(jì)劃、開(kāi)課計(jì)劃、選課日期設(shè)置、開(kāi)課審核、開(kāi)課查詢。
系統(tǒng)管理員：用戶管理、分組管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)維護(hù)等。
性能指標(biāo)
支持同時(shí)在線用戶數(shù)1萬(wàn)人以上，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不限終端用戶數(shù)，完全能滿足日常教學(xué)使用。
服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境
操作系統(tǒng)：WindowsServer，Linux/UnixServer
Web服務(wù)器：Tomcat6.0，JDK6.0
數(shù)據(jù)庫(kù)：MySQL
客戶端運(yùn)行環(huán)境
操作系統(tǒng)：AllWindows系列
相關(guān)信息：
研制單位：北京潤(rùn)尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號(hào)院文教產(chǎn)業(yè)園1號(hào)樓郵政編碼：100876
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