機(jī)械工程三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡介
軟件的目的意義：
目前，現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械工程實(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、 儀器設(shè)備數(shù)量有限，無法滿足學(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；
在本大類中，包括了以下6個(gè)實(shí)驗(yàn)：
1. 機(jī)械實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)程虛擬實(shí)驗(yàn)
2. 多人協(xié)同飛機(jī)前輪拆裝實(shí)驗(yàn)-HTC版
3. 反坦克武器裝備機(jī)電系統(tǒng)虛擬綜合實(shí)驗(yàn)
4. 連桿加工生產(chǎn)線虛擬試驗(yàn)
5. 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制虛擬實(shí)驗(yàn)
6. 焓差法測(cè)定空調(diào)性能虛擬實(shí)驗(yàn)
機(jī)械實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)程虛擬實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)采用了三維建模模擬出虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，該系統(tǒng)具有良好的交互性，使用者可以自由在場(chǎng)景中漫游，切換到不同的視角，不同的距離去觀察該場(chǎng)景中的元素。該實(shí)驗(yàn)中用戶可以查看實(shí)驗(yàn)的具體的要求，認(rèn)識(shí)做機(jī)械實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以開始實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟的提示完成相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
該實(shí)驗(yàn)主要解決了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)達(dá)不到人手一臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)效果差的問題。
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多人協(xié)同飛機(jī)前輪拆裝實(shí)驗(yàn)-HTC版
該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)開發(fā)而成，它利用電腦模擬構(gòu)建一個(gè)某型飛機(jī)外觀及其細(xì)部的機(jī)輪結(jié)構(gòu)，結(jié)合HTCVIVE頭戴式裝備，給學(xué)員提供更強(qiáng)烈的視覺體驗(yàn)和沖擊。
系統(tǒng)采用多人聯(lián)機(jī)交互技術(shù)，按照機(jī)輪拆裝訓(xùn)練手冊(cè)，有學(xué)員扮演機(jī)械師，有學(xué)員扮演機(jī)械員，他們分工配合，共同完成對(duì)飛機(jī)機(jī)輪系統(tǒng)的VR拆裝。同時(shí)，系統(tǒng)具備對(duì)拆裝步驟、質(zhì)量等方面的評(píng)估打分，教員可在線監(jiān)控學(xué)員的操作，進(jìn)行故障預(yù)設(shè)、競賽等功能。
飛機(jī)機(jī)輪VR拆裝啟動(dòng)畫面如圖1所示，學(xué)員用手柄觸發(fā)即可開始拆裝訓(xùn)練任務(wù)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)30名以上學(xué)員獨(dú)自在網(wǎng)絡(luò)終端電腦進(jìn)行拆裝訓(xùn)練，也可多學(xué)員配合進(jìn)行。
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飛機(jī)機(jī)輪VR拆裝效果示意圖
開始任務(wù)后，系統(tǒng)自動(dòng)開始計(jì)時(shí)。虛擬訓(xùn)練過程中，學(xué)員可以隨時(shí)看到自己所花費(fèi)的時(shí)間?；ㄙM(fèi)的時(shí)間越短，對(duì)最終的任務(wù)評(píng)價(jià)越有利。
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拆裝過程中任務(wù)計(jì)時(shí)效果示意圖
虛擬訓(xùn)練過程中，出現(xiàn)拆裝順序錯(cuò)誤、質(zhì)量問題（如保險(xiǎn)絲打反）、作風(fēng)問題（如工具隨手置于地面）等不影響拆裝進(jìn)行的問題時(shí)，拆裝過程能夠繼續(xù)進(jìn)行，但記錄錯(cuò)誤并增加拆裝用時(shí)。增加拆裝用時(shí)的規(guī)則如下：
1.下列情況每項(xiàng)加120秒：
（1）損壞機(jī)件；
（2）漏拆、漏裝、裝反機(jī)件；
（3）軸承掉落；
（4）保險(xiǎn)絲方向打反。
2.下列情況每項(xiàng)加15秒：
（1）未對(duì)拆開慣性傳感器完成防塵保護(hù)；
（2）機(jī)件掉地；
（3）擋泥板掉落撞擊機(jī)件；
（4）保險(xiǎn)絲不符合要求（硬拉保險(xiǎn)絲、保險(xiǎn)絲松）；
（5）工作完成后未清理現(xiàn)場(chǎng)；
（6）工作前、后未清點(diǎn)工具。
3.下列情況每次加10秒：
（1）機(jī)件、拆下的保險(xiǎn)絲未放到專用托盤內(nèi)；
（2）未檢查機(jī)輪安裝質(zhì)量；
（3）工具掉地。
系統(tǒng)對(duì)拆裝過程中需要用到的鉗子、套筒、扳手等工具進(jìn)行三維模擬重構(gòu)。據(jù)拆裝步驟，對(duì)下一步要使用的工具進(jìn)行輪廓高亮提示，以指導(dǎo)學(xué)員操作，學(xué)員用交互手柄即可抓取對(duì)應(yīng)工具進(jìn)行操作。
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拆裝過程中工具提示效果示意圖
學(xué)員用手柄觸碰到對(duì)應(yīng)工具后，抓取對(duì)應(yīng)工具轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)做“擰、壓、抬”等動(dòng)作。對(duì)于工具的使用，系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)節(jié)性指導(dǎo)，如用力方向、用力大?。ㄊ种噶?、手腕力、小臂力、大臂力等）選擇等。系統(tǒng)交互操作非常簡單便捷，所見即所得，通過手柄即可直觀完成VR拆裝過程的訓(xùn)練。
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拆裝過程中互動(dòng)操作效果示意圖
拆裝完成后，對(duì)學(xué)員本次任務(wù)進(jìn)行簡單評(píng)價(jià)，譬如任務(wù)用時(shí)、違規(guī)次數(shù)等。當(dāng)然，此處也可以添加更多信息，以便于學(xué)員后續(xù)改進(jìn)操作，養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣。
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拆裝完畢的任務(wù)評(píng)價(jià)效果示意圖
在拆裝過程中，不同學(xué)員可以扮演不同的角色，大家協(xié)同配合完成拆裝，譬如有人扮演機(jī)械師，有人扮演機(jī)械員，有人扮演教員。就如同在真實(shí)環(huán)境中一樣，處于這個(gè)空間中的用戶可以互相看到對(duì)方，大家可以各司其職配合作業(yè)，多人聯(lián)機(jī)VR交互拆裝效果如圖6所示。
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多人聯(lián)機(jī)交互拆裝效果示意圖
在虛擬訓(xùn)練過程中，機(jī)械員只允許完成規(guī)定的輔助動(dòng)作，如果機(jī)械員違規(guī)進(jìn)行其它操作環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)給予提示或由評(píng)委發(fā)出指令停止拆裝，系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。
反坦克武器裝備機(jī)電系統(tǒng)虛擬綜合實(shí)驗(yàn)
武器學(xué)習(xí)具有一定的危險(xiǎn)性，且武器系統(tǒng)一般十分貴重，反復(fù)拆裝會(huì)對(duì)武器造成損壞，喪失作戰(zhàn)能力，本實(shí)驗(yàn)采用三維建模技術(shù)智能制造系統(tǒng)按照實(shí)際的尺寸建模重構(gòu)，注重實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的逼真性，采用聲、光電投影等多種多媒體手段，虛擬仿真一個(gè)反坦克武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，模擬反坦克武器系統(tǒng)目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤武器系統(tǒng)隨動(dòng)、激光指向、手柄操控、目標(biāo)打擊和打擊效果評(píng)判等一整套虛擬作戰(zhàn)過程，保證學(xué)生獲得身臨其境的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，避免危險(xiǎn)性和損壞武器，使實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛄私庹麄€(gè)反坦克武器組成部件的裝配流程和工作原理，。
本實(shí)驗(yàn)中涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：編碼器、分體式電機(jī)、光電部件、武器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光電閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)主要包括網(wǎng)絡(luò)單元原理實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)模擬綜合實(shí)驗(yàn)兩部分。網(wǎng)絡(luò)單元原理實(shí)驗(yàn)以反坦克武器裝備為主線，開展有關(guān)典型機(jī)械傳動(dòng)裝置、伺服元件、檢測(cè)與控制器件等原理性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，有較好的通用性，實(shí)驗(yàn)形式以虛為主，便于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)推廣學(xué)習(xí)。系統(tǒng)模擬綜合實(shí)驗(yàn)是以實(shí)裝應(yīng)用技術(shù)為背景，構(gòu)建反坦克武器裝備模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展有關(guān)反坦克作戰(zhàn)模擬綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用虛實(shí)結(jié)合的形式，注重實(shí)裝技術(shù)的模擬與訓(xùn)練。
本虛擬實(shí)驗(yàn)為用戶展示了整個(gè)反彈坦克武器裝備機(jī)電系統(tǒng)的零部件組成，大到模塊分解，小到每個(gè)模塊中每一個(gè)螺絲的拆裝。除了編碼器、分體式電機(jī)、光電部件、武器系統(tǒng)的具體拆解流程，還包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)組成和驅(qū)動(dòng)原理中電路的連接，以及光電閉環(huán)控制中P、I、D對(duì)波形的變化。
實(shí)驗(yàn)者首先對(duì)整個(gè)裝備系統(tǒng)外觀主體部分進(jìn)行觀察，了解外部構(gòu)造和系統(tǒng)幾個(gè)重要組成部分在整個(gè)裝備系統(tǒng)中的布局情況。
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然后點(diǎn)擊子模塊進(jìn)行裝配學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)分為“示教模式”和“學(xué)習(xí)模式”，學(xué)生可循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)組成部件安裝規(guī)則，依次完成編碼器、分體式點(diǎn)擊、光電部件、武裝系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光電閉環(huán)控制進(jìn)行裝配。
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最后進(jìn)行光電閉環(huán)控制學(xué)習(xí)分析，通過調(diào)節(jié)P、I、D，觀察波形變化。
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連桿加工生產(chǎn)線虛擬試驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了連桿加工的生產(chǎn)線，對(duì)連桿加工涉及的所有機(jī)械進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)者可通過鼠標(biāo)和鍵盤在場(chǎng)景中漫游360度觀察設(shè)備，并按照連桿加工工序進(jìn)行操作，幫助學(xué)生對(duì)連桿加工有較為深刻的認(rèn)識(shí)。
進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，點(diǎn)擊右側(cè)設(shè)備認(rèn)知按鈕，實(shí)驗(yàn)者可以在場(chǎng)景中漫游認(rèn)識(shí)設(shè)備，生產(chǎn)線中包含大量設(shè)備，使用鼠標(biāo)懸浮，設(shè)備上方會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的名稱標(biāo)簽，包括立式連桿拉床、組合鏜床、半自動(dòng)雙頭立軸圓臺(tái)平面磨床、連桿組合機(jī)、連桿擰緊機(jī)、金剛鏜床等、連桿螺絲擰松機(jī)、圓工作臺(tái)銑床、鏜床等，所有設(shè)備均采用三維建模技術(shù)智能制造系統(tǒng)按照實(shí)際的尺寸建模重構(gòu)。
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點(diǎn)擊右側(cè)的加工工序按鈕，右側(cè)屏幕會(huì)給出連桿加工的工序，實(shí)驗(yàn)者依次點(diǎn)擊右側(cè)工序，生產(chǎn)線按照工序開始進(jìn)行加工，并在左下角給出操作說明，實(shí)驗(yàn)者需要經(jīng)過全部工序，才能加工完成；在查看環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)者可以將工件和刀具放在屏幕中央進(jìn)行翻轉(zhuǎn)進(jìn)行360度觀察。
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電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制虛擬實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)展示了實(shí)驗(yàn)者通過連接電線線路使小車在軌道上運(yùn)行的過程，規(guī)避了學(xué)生進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。點(diǎn)擊右側(cè)設(shè)備認(rèn)知按鈕，實(shí)驗(yàn)者可在場(chǎng)景中漫游，查看實(shí)驗(yàn)器材，鼠標(biāo)懸浮于設(shè)備上，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)備名標(biāo)簽，實(shí)驗(yàn)包括配電箱、軌道、小車等裝備。
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通過右側(cè)視點(diǎn)選擇按鈕，實(shí)驗(yàn)者可以快捷切換不同的視角。點(diǎn)擊右側(cè)操作幫助按鈕，可以查看鼠標(biāo)和鍵盤的功能，實(shí)驗(yàn)者可以通過操作鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬場(chǎng)景中漫游，改變自己的視角高低（仰視、俯視），將視角拉近拉遠(yuǎn)，并進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退。
對(duì)設(shè)備的名稱和作用認(rèn)知完成后，實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊右側(cè)線路圖按鈕查看電機(jī)線路圖，然后通過視角轉(zhuǎn)換或操作鼠標(biāo)鍵盤來到配電箱前進(jìn)行操作，配電箱左上方是QF空氣開關(guān)，即名空氣斷路器，是斷路器的一種。只要電路中電流超過額定電流就會(huì)自動(dòng)斷開的開關(guān)。還能對(duì)電路或電氣設(shè)備發(fā)生的短路、嚴(yán)重過載及欠電壓等進(jìn)行保護(hù)。配電箱右上方是FU熔斷器，當(dāng)電流超過規(guī)定值一段時(shí)間后，熔斷器會(huì)以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開。配電箱左下方分別是是KM1正轉(zhuǎn)接觸器和KM2反轉(zhuǎn)接觸器，當(dāng)線圈流過電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，就會(huì)使觸頭閉合，以達(dá)到控制負(fù)載。KM1用于控制小車左行，KM2用于控制小車右行，常開觸點(diǎn)用于控制回路自鎖，常閉觸點(diǎn)用于與另一接觸器形成互鎖。配電箱右側(cè)有一列開關(guān)，從上到下依次是SB總開關(guān)、SB正轉(zhuǎn)、SB反轉(zhuǎn)、右限位、左限位。
實(shí)驗(yàn)者點(diǎn)擊右側(cè)的實(shí)驗(yàn)過程按鈕，根據(jù)線路圖進(jìn)行線路連接，先后點(diǎn)擊兩個(gè)連接點(diǎn)，則在兩個(gè)連接點(diǎn)之間連入一根電線。當(dāng)按照線路圖完成連接后，小車即可在軌道上運(yùn)行。
7.焓差法測(cè)定空調(diào)性能虛擬實(shí)驗(yàn)
通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能對(duì)于焓差法空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)裝置的組成、工作原理、儀器儀表配置及性能特點(diǎn)有充分的了解和認(rèn)識(shí)。并通過在實(shí)驗(yàn)中跟隨引導(dǎo)，逐步測(cè)定空調(diào)機(jī)的制冷、制熱能力，掌握空調(diào)器性能計(jì)算方法。并通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加深學(xué)生對(duì)壓焓圖、焓濕圖意義的理解，熟悉對(duì)空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的操作。
本測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為國標(biāo)GB7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》國家標(biāo)準(zhǔn)、ISOD5151-94《不帶風(fēng)道的空調(diào)器和熱泵的試驗(yàn)和測(cè)定》，依照上述標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括兩個(gè)測(cè)試室(室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)室)、被測(cè)空調(diào)器、空氣再處理系統(tǒng)、風(fēng)量測(cè)試裝置以及計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等五部分組成。
進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)者先根據(jù)路標(biāo)指示，進(jìn)入各實(shí)驗(yàn)室查看實(shí)驗(yàn)設(shè)備。鼠標(biāo)懸浮于實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，可查看該設(shè)備的名稱和基本介紹。
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使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)備上的【透明】按鈕，可使該設(shè)備表殼變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，實(shí)驗(yàn)者可對(duì)設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行學(xué)習(xí)，鼠標(biāo)懸浮于個(gè)構(gòu)件上，可查看該構(gòu)件名稱。
點(diǎn)擊界面左側(cè)的工作原理可查看空調(diào)器焓差法測(cè)試涉及的全部裝置原理圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行梳理；實(shí)驗(yàn)者還可以根據(jù)界面左側(cè)的視點(diǎn)選擇快捷到達(dá)目的實(shí)驗(yàn)室。
對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)備認(rèn)知完成后，測(cè)定開始，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)界面下方的引導(dǎo)，逐步對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，需要進(jìn)行操作的區(qū)域系統(tǒng)會(huì)用高亮提示；
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全部操作完成后，實(shí)驗(yàn)者可以打開電腦，查看相關(guān)曲線。
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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)成績和批語。
教師：典型實(shí)驗(yàn)庫維護(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)成績和批語。
教務(wù)管理員：課程計(jì)劃、開課計(jì)劃、選課日期設(shè)置、開課審核、開課查詢。
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：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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