機(jī)械設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
機(jī)械設(shè)計(jì)課程是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干技術(shù)基礎(chǔ)課，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。
該軟件是針對(duì)大學(xué)專(zhuān)科、本科《機(jī)械設(shè)計(jì)》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)，軟件模擬實(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，提供網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程管理功能，包括：典型實(shí)驗(yàn)庫(kù)的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)安排、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)批改、成績(jī)統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)答疑等功能模塊?？蓾M(mǎn)足高等學(xué)校和各類(lèi)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠(yuǎn)程教學(xué)。
軟件的目的意義：
目前，現(xiàn)實(shí)中的機(jī)械設(shè)計(jì)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(wú)法滿(mǎn)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，如二級(jí)減速器拆裝實(shí)驗(yàn)；
隨著招生規(guī)模的逐年擴(kuò)大，教學(xué)改革的不斷深入，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)越來(lái)越重，儀器設(shè)備臺(tái)套數(shù)和實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量相對(duì)不足等問(wèn)題愈加突出。為了以最少的經(jīng)費(fèi)投入解決以上問(wèn)題，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，我們開(kāi)發(fā)了機(jī)械設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。
軟件提供了若干種常用機(jī)械實(shí)驗(yàn)臺(tái)：
1、PJC-B創(chuàng)意組合機(jī)械系統(tǒng)搭接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)
包括控制器、齒輪、電動(dòng)機(jī)等實(shí)驗(yàn)器材
2、功率流式齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)
包括功率流式實(shí)驗(yàn)臺(tái)、實(shí)驗(yàn)儀、砝碼等實(shí)驗(yàn)器材
3、減速器
包括實(shí)驗(yàn)用二級(jí)減速器、游標(biāo)卡尺等實(shí)驗(yàn)器材
4、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)
包括發(fā)電機(jī)、測(cè)力計(jì)、百分表、砝碼等實(shí)驗(yàn)器材
5、螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)
包括CQL-A螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、錐塞、扳手等實(shí)驗(yàn)器材
6.大型風(fēng)電齒輪箱
使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開(kāi)展如下11個(gè)常用機(jī)械虛擬實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練：
• 帶傳動(dòng)
• 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)
• 齒輪傳動(dòng)效率
• 一級(jí)減速器拆裝
• 二級(jí)減速器拆裝
• 螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)
• 組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
• 減速器結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
• 大型風(fēng)電齒輪箱虛擬裝配實(shí)驗(yàn)
• 二級(jí)減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)-HTC版
• 二級(jí)減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)-zSpace版
（1）帶傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供仿真帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)增減砝碼和調(diào)整負(fù)載開(kāi)關(guān)，測(cè)得并記錄10組不同狀況下主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用戶(hù)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，了解帶傳動(dòng)的工作特性。
具體的實(shí)驗(yàn)流程如下：
1、接通電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，添加砝碼，將轉(zhuǎn)速調(diào)至規(guī)定轉(zhuǎn)速；
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2、查看實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格；
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3、多次測(cè)試，完成不同數(shù)據(jù)測(cè)試，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告；
（2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供PJC-B創(chuàng)意組合機(jī)械系統(tǒng)搭接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)臺(tái)桌、支架、配套的機(jī)構(gòu)元件及計(jì)算測(cè)試系統(tǒng)等。用戶(hù)通過(guò)搭建起一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后使用傳感器進(jìn)行機(jī)構(gòu)性能的數(shù)字化分析，并做出仿真曲線(xiàn)進(jìn)行分析比較，達(dá)到學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)目的與培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)性能的數(shù)字化分析能力。
主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：
1、 掌握實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件組成及零件功用；
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2、正確搭建桿組、齒輪、原動(dòng)件至實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；
3、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，觀察曲線(xiàn)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；
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（3）齒輪傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建和連線(xiàn)，熟悉傳動(dòng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)操作提示引導(dǎo)用戶(hù)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟悉齒輪傳動(dòng)效率的測(cè)試原理及方法；通過(guò)逐漸增加負(fù)荷并記錄齒輪傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上8組測(cè)得的相關(guān)參數(shù)，以備后期處理使用。
實(shí)驗(yàn)流程如下：
1、實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建，根據(jù)提示完成設(shè)備操作；
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2、實(shí)驗(yàn)載荷測(cè)試，記錄8組實(shí)驗(yàn)參數(shù)；
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記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
（4）一級(jí)減速器拆裝實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)分為結(jié)構(gòu)展示、手動(dòng)組裝、參數(shù)測(cè)量三個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)三個(gè)環(huán)節(jié)的操作，使用戶(hù)熟悉一級(jí)減速器的結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握減速器的工作原理。
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一級(jí)減速器拆裝
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測(cè)量齒輪參數(shù)
（5）二級(jí)減速器拆裝實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)分為結(jié)構(gòu)展示、手動(dòng)組裝、參數(shù)測(cè)量三個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)三個(gè)環(huán)節(jié)的操作，使用戶(hù)熟悉二級(jí)減速器的結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握減速器的工作原理。
在結(jié)構(gòu)展示環(huán)節(jié)中，軟件支持用戶(hù)對(duì)減速器進(jìn)行自由剖切，即從任意角度、在任意深度選擇剖切面對(duì)減速器進(jìn)行剖切，從而使用戶(hù)更好的觀察減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
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任意剖切減速器
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任意剖切減速器
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測(cè)量軸頸
（6）螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)
螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)分3種模式，每種模式下軟件引導(dǎo)用戶(hù)完成螺栓預(yù)緊、變形值測(cè)量和記錄等操作。
模式1——空心螺栓+彈性墊片+無(wú)錐塞；
模式2——空心螺栓+彈性墊片+錐塞；
模式3——空心螺栓+剛性墊片+錐塞
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螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺(tái)
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螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)千分表讀數(shù)
（7）減速器結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)：
本實(shí)驗(yàn)分四個(gè)部分：減速器概述、箱體結(jié)構(gòu)、附件結(jié)構(gòu)、軸系結(jié)構(gòu)
1、減速器概述通過(guò)對(duì)減速器定義、減速器作用、減速器類(lèi)型的介紹，了解了減速器的初步知識(shí)。
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其中，減速器類(lèi)型介紹了定軸齒輪減速器，行星齒輪減速器、擺陣線(xiàn)輪減速器、諧波齒輪減速器、圓柱齒輪減速機(jī)、單級(jí)減速器、展開(kāi)式齒輪減速器等多種類(lèi)型減速器
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2、箱體介紹通過(guò)對(duì)箱體的3d模擬，學(xué)生可以通過(guò)360全角度扭轉(zhuǎn)，對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體化觀察
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3、軸系結(jié)構(gòu)的視圖
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（8）大型風(fēng)電齒輪箱模擬裝配實(shí)驗(yàn)
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本實(shí)驗(yàn)有三個(gè)環(huán)節(jié)：背景知識(shí)、裝配練習(xí)、在線(xiàn)測(cè)試
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裝配練習(xí)可以對(duì)每一個(gè)零部件進(jìn)行認(rèn)識(shí)、識(shí)別，并且全方位觀察形狀并進(jìn)行安裝操作的模擬觀察。
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在線(xiàn)測(cè)試可以進(jìn)行模擬裝配考核，并對(duì)錯(cuò)誤的裝配方法進(jìn)行提示，給予相應(yīng)分?jǐn)?shù)。
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（9）組合式軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析實(shí)驗(yàn)
本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件提供三種軸系結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)參考，用戶(hù)通過(guò)參考結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并在零件庫(kù)中選擇正確的零部件進(jìn)行組裝，最終組裝得到完整的軸系結(jié)構(gòu)，熟悉并掌握軸系結(jié)構(gòu)的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配關(guān)系等。
具體的實(shí)驗(yàn)流程如下：
1、從軸系結(jié)構(gòu)中選擇要進(jìn)行組裝設(shè)計(jì)的軸系結(jié)構(gòu)
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2、查看并分析零件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系，依次將正確的零部件安裝在軸系中；
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軸系一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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軸系二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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軸系三結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（10）二級(jí)減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)-HTC版
該實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過(guò)穿戴式VR頭盔，操作手柄與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交互，利用VR頭盔查看實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，工作臺(tái)及二級(jí)減速器結(jié)構(gòu)，利用手柄對(duì)二級(jí)減速器進(jìn)行拆裝操作。
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（11）二級(jí)減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)zspace版
本系統(tǒng)是針對(duì)各類(lèi)院校機(jī)械專(zhuān)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。
系統(tǒng)采用獨(dú)有的頭部跟蹤立體顯示仿生技術(shù)，使立體圖像始終保持與體驗(yàn)者真實(shí)視覺(jué)角度保持一致，這就大大增強(qiáng)3D立體沉浸體驗(yàn)感。
用戶(hù)結(jié)合交互式觸筆，操作UI菜單，點(diǎn)選工作原理菜單進(jìn)行互動(dòng)學(xué)習(xí)，觸筆發(fā)射出的射線(xiàn)碰到實(shí)驗(yàn)設(shè)備部件時(shí)能夠高光顯示并能夠顯示其設(shè)備名稱(chēng)，系統(tǒng)以三維動(dòng)畫(huà)配合文字/語(yǔ)音介紹的方式，展現(xiàn)設(shè)備的工作原理，同時(shí)支持用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行360°自由觀察。
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交互式觸筆示意圖
Zspace版二級(jí)減速器實(shí)驗(yàn)包括拆解模式、組裝模式和剖切模式，通過(guò)觸筆發(fā)射射線(xiàn)識(shí)別二級(jí)減速器螺釘、端蓋、墊片、箱蓋和圓錐齒輪完成減速器的拆裝，并通過(guò)調(diào)整觸筆方向可對(duì)二級(jí)減速器進(jìn)行任意剖切。
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二級(jí)減速器軸零件示意圖
系統(tǒng)服務(wù)器端用戶(hù)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(xiàn)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、保存和提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、查詢(xún)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(xún)。
系統(tǒng)管理員：用戶(hù)管理、分組管理、角色管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)維護(hù)等。
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性能指標(biāo)
支持同時(shí)在線(xiàn)用戶(hù)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(hù)數(shù)，完全能滿(mǎn)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(hù)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
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