機械工程三維虛擬實驗教學系統(tǒng)簡介
軟件的目的意義：
目前，現(xiàn)實中的機械工程實驗存在以下局限性：
1、 硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；
2、 儀器設備數(shù)量有限，無法滿足學生獨立進行實驗的需求；
3、 部分實驗具有一定危險性；
在本大類中，包括了以下6個實驗：
1. 機械實驗室安全規(guī)程虛擬實驗
2. 多人協(xié)同飛機前輪拆裝實驗-HTC版
3. 反坦克武器裝備機電系統(tǒng)虛擬綜合實驗
4. 連桿加工生產(chǎn)線虛擬試驗
5. 電機正反轉(zhuǎn)控制虛擬實驗
6. 焓差法測定空調(diào)性能虛擬實驗
機械實驗室安全規(guī)程虛擬實驗
該實驗采用了三維建模模擬出虛擬實驗室場景，該系統(tǒng)具有良好的交互性，使用者可以自由在場景中漫游，切換到不同的視角，不同的距離去觀察該場景中的元素。該實驗中用戶可以查看實驗的具體的要求，認識做機械實驗中的實驗設備，可以開始實驗，根據(jù)實驗步驟的提示完成相對應的實驗，并觀察實驗現(xiàn)象，填寫實驗報告。
該實驗主要解決了傳統(tǒng)實物實驗室中，學生做實驗達不到人手一臺的標準，實際的實驗體驗效果差的問題。
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多人協(xié)同飛機前輪拆裝實驗-HTC版
該系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實（VR）技術開發(fā)而成，它利用電腦模擬構建一個某型飛機外觀及其細部的機輪結構，結合HTCVIVE頭戴式裝備，給學員提供更強烈的視覺體驗和沖擊。
系統(tǒng)采用多人聯(lián)機交互技術，按照機輪拆裝訓練手冊，有學員扮演機械師，有學員扮演機械員，他們分工配合，共同完成對飛機機輪系統(tǒng)的VR拆裝。同時，系統(tǒng)具備對拆裝步驟、質(zhì)量等方面的評估打分，教員可在線監(jiān)控學員的操作，進行故障預設、競賽等功能。
飛機機輪VR拆裝啟動畫面如圖1所示，學員用手柄觸發(fā)即可開始拆裝訓練任務。系統(tǒng)可以實現(xiàn)30名以上學員獨自在網(wǎng)絡終端電腦進行拆裝訓練，也可多學員配合進行。
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飛機機輪VR拆裝效果示意圖
開始任務后，系統(tǒng)自動開始計時。虛擬訓練過程中，學員可以隨時看到自己所花費的時間?；ㄙM的時間越短，對最終的任務評價越有利。
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拆裝過程中任務計時效果示意圖
虛擬訓練過程中，出現(xiàn)拆裝順序錯誤、質(zhì)量問題（如保險絲打反）、作風問題（如工具隨手置于地面）等不影響拆裝進行的問題時，拆裝過程能夠繼續(xù)進行，但記錄錯誤并增加拆裝用時。增加拆裝用時的規(guī)則如下：
1.下列情況每項加120秒：
（1）損壞機件；
（2）漏拆、漏裝、裝反機件；
（3）軸承掉落；
（4）保險絲方向打反。
2.下列情況每項加15秒：
（1）未對拆開慣性傳感器完成防塵保護；
（2）機件掉地；
（3）擋泥板掉落撞擊機件；
（4）保險絲不符合要求（硬拉保險絲、保險絲松）；
（5）工作完成后未清理現(xiàn)場；
（6）工作前、后未清點工具。
3.下列情況每次加10秒：
（1）機件、拆下的保險絲未放到專用托盤內(nèi)；
（2）未檢查機輪安裝質(zhì)量；
（3）工具掉地。
系統(tǒng)對拆裝過程中需要用到的鉗子、套筒、扳手等工具進行三維模擬重構。據(jù)拆裝步驟，對下一步要使用的工具進行輪廓高亮提示，以指導學員操作，學員用交互手柄即可抓取對應工具進行操作。
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拆裝過程中工具提示效果示意圖
學員用手柄觸碰到對應工具后，抓取對應工具轉(zhuǎn)動或移動做“擰、壓、抬”等動作。對于工具的使用，系統(tǒng)進行細節(jié)性指導，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拆裝過程的訓練。
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拆裝過程中互動操作效果示意圖
拆裝完成后，對學員本次任務進行簡單評價，譬如任務用時、違規(guī)次數(shù)等。當然，此處也可以添加更多信息，以便于學員后續(xù)改進操作，養(yǎng)成良好的操作習慣。
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拆裝完畢的任務評價效果示意圖
在拆裝過程中，不同學員可以扮演不同的角色，大家協(xié)同配合完成拆裝，譬如有人扮演機械師，有人扮演機械員，有人扮演教員。就如同在真實環(huán)境中一樣，處于這個空間中的用戶可以互相看到對方，大家可以各司其職配合作業(yè)，多人聯(lián)機VR交互拆裝效果如圖6所示。
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多人聯(lián)機交互拆裝效果示意圖
在虛擬訓練過程中，機械員只允許完成規(guī)定的輔助動作，如果機械員違規(guī)進行其它操作環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會給予提示或由評委發(fā)出指令停止拆裝，系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。
反坦克武器裝備機電系統(tǒng)虛擬綜合實驗
武器學習具有一定的危險性，且武器系統(tǒng)一般十分貴重，反復拆裝會對武器造成損壞，喪失作戰(zhàn)能力，本實驗采用三維建模技術智能制造系統(tǒng)按照實際的尺寸建模重構，注重實驗場景的逼真性，采用聲、光電投影等多種多媒體手段，虛擬仿真一個反坦克武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)動態(tài)場景，模擬反坦克武器系統(tǒng)目標搜索、目標跟蹤武器系統(tǒng)隨動、激光指向、手柄操控、目標打擊和打擊效果評判等一整套虛擬作戰(zhàn)過程，保證學生獲得身臨其境的實驗體驗，避免危險性和損壞武器，使實驗者通過實驗能夠了解整個反坦克武器組成部件的裝配流程和工作原理，。
本實驗中涉及的實驗設備包括：編碼器、分體式電機、光電部件、武器系統(tǒng)、電機驅(qū)動、光電閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗主要包括網(wǎng)絡單元原理實驗及系統(tǒng)模擬綜合實驗兩部分。網(wǎng)絡單元原理實驗以反坦克武器裝備為主線，開展有關典型機械傳動裝置、伺服元件、檢測與控制器件等原理性基礎實驗，有較好的通用性，實驗形式以虛為主，便于網(wǎng)絡平臺推廣學習。系統(tǒng)模擬綜合實驗是以實裝應用技術為背景，構建反坦克武器裝備模擬實驗平臺，開展有關反坦克作戰(zhàn)模擬綜合實驗，實驗采用虛實結合的形式，注重實裝技術的模擬與訓練。
本虛擬實驗為用戶展示了整個反彈坦克武器裝備機電系統(tǒng)的零部件組成，大到模塊分解，小到每個模塊中每一個螺絲的拆裝。除了編碼器、分體式電機、光電部件、武器系統(tǒng)的具體拆解流程，還包括電機驅(qū)動的驅(qū)動組成和驅(qū)動原理中電路的連接，以及光電閉環(huán)控制中P、I、D對波形的變化。
實驗者首先對整個裝備系統(tǒng)外觀主體部分進行觀察，了解外部構造和系統(tǒng)幾個重要組成部分在整個裝備系統(tǒng)中的布局情況。
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然后點擊子模塊進行裝配學習，實驗分為“示教模式”和“學習模式”，學生可循序漸進學習組成部件安裝規(guī)則，依次完成編碼器、分體式點擊、光電部件、武裝系統(tǒng)、電機驅(qū)動、光電閉環(huán)控制進行裝配。
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最后進行光電閉環(huán)控制學習分析，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
本實驗模擬了連桿加工的生產(chǎn)線，對連桿加工涉及的所有機械進行了仿真，實驗者可通過鼠標和鍵盤在場景中漫游360度觀察設備，并按照連桿加工工序進行操作，幫助學生對連桿加工有較為深刻的認識。
進入實驗后，點擊右側設備認知按鈕，實驗者可以在場景中漫游認識設備，生產(chǎn)線中包含大量設備，使用鼠標懸浮，設備上方會出現(xiàn)相應的名稱標簽，包括立式連桿拉床、組合鏜床、半自動雙頭立軸圓臺平面磨床、連桿組合機、連桿擰緊機、金剛鏜床等、連桿螺絲擰松機、圓工作臺銑床、鏜床等，所有設備均采用三維建模技術智能制造系統(tǒng)按照實際的尺寸建模重構。
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點擊右側的加工工序按鈕，右側屏幕會給出連桿加工的工序，實驗者依次點擊右側工序，生產(chǎn)線按照工序開始進行加工，并在左下角給出操作說明，實驗者需要經(jīng)過全部工序，才能加工完成；在查看環(huán)節(jié)，實驗者可以將工件和刀具放在屏幕中央進行翻轉(zhuǎn)進行360度觀察。
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電機正反轉(zhuǎn)控制虛擬實驗
本實驗展示了實驗者通過連接電線線路使小車在軌道上運行的過程，規(guī)避了學生進行電路實驗的危險性。點擊右側設備認知按鈕，實驗者可在場景中漫游，查看實驗器材，鼠標懸浮于設備上，會出現(xiàn)相應的設備名標簽，實驗包括配電箱、軌道、小車等裝備。
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通過右側視點選擇按鈕，實驗者可以快捷切換不同的視角。點擊右側操作幫助按鈕，可以查看鼠標和鍵盤的功能，實驗者可以通過操作鼠標和鍵盤在虛擬場景中漫游，改變自己的視角高低（仰視、俯視），將視角拉近拉遠，并進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、后退。
對設備的名稱和作用認知完成后，實驗者點擊右側線路圖按鈕查看電機線路圖，然后通過視角轉(zhuǎn)換或操作鼠標鍵盤來到配電箱前進行操作，配電箱左上方是QF空氣開關，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自動斷開的開關。還能對電路或電氣設備發(fā)生的短路、嚴重過載及欠電壓等進行保護。配電箱右上方是FU熔斷器，當電流超過規(guī)定值一段時間后，熔斷器會以其自身產(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，當線圈流過電流產(chǎn)生磁場，就會使觸頭閉合，以達到控制負載。KM1用于控制小車左行，KM2用于控制小車右行，常開觸點用于控制回路自鎖，常閉觸點用于與另一接觸器形成互鎖。配電箱右側有一列開關，從上到下依次是SB總開關、SB正轉(zhuǎn)、SB反轉(zhuǎn)、右限位、左限位。
實驗者點擊右側的實驗過程按鈕，根據(jù)線路圖進行線路連接，先后點擊兩個連接點，則在兩個連接點之間連入一根電線。當按照線路圖完成連接后，小車即可在軌道上運行。
7.焓差法測定空調(diào)性能虛擬實驗
通過本虛擬仿真實驗，學生能對于焓差法空調(diào)器性能實驗裝置的組成、工作原理、儀器儀表配置及性能特點有充分的了解和認識。并通過在實驗中跟隨引導，逐步測定空調(diào)機的制冷、制熱能力，掌握空調(diào)器性能計算方法。并通過分析實驗數(shù)據(jù)，加深學生對壓焓圖、焓濕圖意義的理解，熟悉對空調(diào)器性能實驗系統(tǒng)軟件的操作。
本測試平臺的設計主要依據(jù)的標準為國標GB7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》國家標準、ISOD5151-94《不帶風道的空調(diào)器和熱泵的試驗和測定》，依照上述標準，實驗平臺主要包括兩個測試室(室內(nèi)機和室外機室)、被測空調(diào)器、空氣再處理系統(tǒng)、風量測試裝置以及計算機測控系統(tǒng)等五部分組成。
進入實驗后，實驗者先根據(jù)路標指示，進入各實驗室查看實驗設備。鼠標懸浮于實驗設備上，可查看該設備的名稱和基本介紹。
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使用鼠標點擊設備上的【透明】按鈕，可使該設備表殼變?yōu)橥该鳡顟B(tài)，實驗者可對設備內(nèi)部構造進行學習，鼠標懸浮于個構件上，可查看該構件名稱。
點擊界面左側的工作原理可查看空調(diào)器焓差法測試涉及的全部裝置原理圖，對實驗原理進行梳理；實驗者還可以根據(jù)界面左側的視點選擇快捷到達目的實驗室。
對實驗原理和實驗設備認知完成后，測定開始，實驗者根據(jù)界面下方的引導，逐步對設備進行操作，需要進行操作的區(qū)域系統(tǒng)會用高亮提示；
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全部操作完成后，實驗者可以打開電腦，查看相關曲線。
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系統(tǒng)服務器端用戶分為學生、教師、教務管理員和系統(tǒng)管理員四種角色，不同角色擁有不同權限。
學生：選課、選擇實驗、開展實驗、接受實驗指導、在線提交實驗報告、保存和提交實驗結果、查詢實驗成績和批語。
教師：典型實驗庫維護、發(fā)布實驗、安排實驗、批改實驗報告、系統(tǒng)指導、統(tǒng)計并發(fā)布學生的實驗成績和批語。
教務管理員：課程計劃、開課計劃、選課日期設置、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、權限管理、系統(tǒng)維護等。
性能指標
支持同時在線用戶數(shù)1萬人以上，經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不限終端用戶數(shù)，完全能滿足日常教學使用。
服務器運行環(huán)境
操作系統(tǒng)：WindowsServer，Linux/UnixServer
Web服務器：Tomcat6.0，JDK6.0
數(shù)據(jù)庫：MySQL
客戶端運行環(huán)境
操作系統(tǒng)：AllWindows系列
相關信息：
研制單位：北京潤尼爾網(wǎng)絡科技有限公司
通訊地址：北京市海淀區(qū)北三環(huán)中路44號院文教產(chǎn)業(yè)園1號樓郵政編碼：100876
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