機械設計三維虛擬實驗教學系統(tǒng)簡介
機械設計課程是機械類專業(yè)的一門主干技術基礎課，其理論性和實踐性都很強。機械設計實驗教學是機械設計課程教學中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。
該軟件是針對大學專科、本科《機械設計》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展的虛擬實驗，軟件模擬實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，提供網(wǎng)上實驗教學過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統(tǒng)計、實驗答疑等功能模塊。可滿足高等學校和各類培訓機構(gòu)實驗教學環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠程教學。
軟件的目的意義：
目前，現(xiàn)實中的機械設計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，如二級減速器拆裝實驗；
隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學改革的不斷深入，機械設計實驗的教學任務越來越重，儀器設備臺套數(shù)和實驗教師數(shù)量相對不足等問題愈加突出。為了以最少的經(jīng)費投入解決以上問題，并進一步激發(fā)學生的學習興趣、增強實驗效果、提高實驗教學質(zhì)量，我們開發(fā)了機械設計三維虛擬實驗教學系統(tǒng)。
軟件提供了若干種常用機械實驗臺：
1、PJC-B創(chuàng)意組合機械系統(tǒng)搭接綜合實驗臺
包括控制器、齒輪、電動機等實驗器材
2、功率流式齒輪傳動實驗臺
包括功率流式實驗臺、實驗儀、砝碼等實驗器材
3、減速器
包括實驗用二級減速器、游標卡尺等實驗器材
4、帶傳動實驗臺
包括發(fā)電機、測力計、百分表、砝碼等實驗器材
5、螺栓聯(lián)接綜合實驗臺
包括CQL-A螺栓聯(lián)接綜合實驗臺、錐塞、扳手等實驗器材
6.大型風電齒輪箱
使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開展如下11個常用機械虛擬實驗的訓練：
• 帶傳動
• 機械運動方案創(chuàng)新設計
• 齒輪傳動效率
• 一級減速器拆裝
• 二級減速器拆裝
• 螺栓聯(lián)接綜合實驗
• 組合式軸系結(jié)構(gòu)設計與分析
• 減速器結(jié)構(gòu)分析設計實驗
• 大型風電齒輪箱虛擬裝配實驗
• 二級減速器拆裝虛擬實驗-HTC版
• 二級減速器拆裝虛擬實驗-zSpace版
（1）帶傳動虛擬實驗
本虛擬仿真實驗提供仿真帶傳動實驗臺，實驗過程中模擬操作實驗設備，通過增減砝碼和調(diào)整負載開關，測得并記錄10組不同狀況下主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值，之后進行數(shù)據(jù)分析，用戶通過數(shù)據(jù)對比，了解帶傳動的工作特性。
具體的實驗流程如下：
1、接通電源，打開開關，添加砝碼，將轉(zhuǎn)速調(diào)至規(guī)定轉(zhuǎn)速；
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2、查看實驗數(shù)據(jù)，填寫實驗數(shù)據(jù)表格；
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3、多次測試，完成不同數(shù)據(jù)測試，填寫實驗報告；
（2）機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計實驗
本虛擬仿真實驗提供PJC-B創(chuàng)意組合機械系統(tǒng)搭接綜合實驗臺，包括實驗臺臺桌、支架、配套的機構(gòu)元件及計算測試系統(tǒng)等。用戶通過搭建起一套運動機構(gòu)，然后使用傳感器進行機構(gòu)性能的數(shù)字化分析，并做出仿真曲線進行分析比較，達到學生機械創(chuàng)新設計的實訓目的與培養(yǎng)運動性能的數(shù)字化分析能力。
主要實驗內(nèi)容有：
1、 掌握實驗原理，熟悉實驗設備的硬件組成及零件功用；
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2、正確搭建桿組、齒輪、原動件至實驗臺架；
3、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，觀察曲線，完成實驗報告；
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（3）齒輪傳動效率實驗
本虛擬仿真實驗引導用戶進行實驗設備的搭建和連線，熟悉傳動設備的結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)操作提示引導用戶操作實驗設備，熟悉齒輪傳動效率的測試原理及方法；通過逐漸增加負荷并記錄齒輪傳動實驗儀上8組測得的相關參數(shù)，以備后期處理使用。
實驗流程如下：
1、實驗臺搭建，根據(jù)提示完成設備操作；
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2、實驗載荷測試，記錄8組實驗參數(shù)；
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記錄實驗數(shù)據(jù)
（4）一級減速器拆裝實驗
該實驗分為結(jié)構(gòu)展示、手動組裝、參數(shù)測量三個環(huán)節(jié)，通過三個環(huán)節(jié)的操作，使用戶熟悉一級減速器的結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點，掌握減速器的工作原理。
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一級減速器拆裝
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測量齒輪參數(shù)
（5）二級減速器拆裝實驗
該實驗分為結(jié)構(gòu)展示、手動組裝、參數(shù)測量三個環(huán)節(jié)，通過三個環(huán)節(jié)的操作，使用戶熟悉二級減速器的結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)特點，掌握減速器的工作原理。
在結(jié)構(gòu)展示環(huán)節(jié)中，軟件支持用戶對減速器進行自由剖切，即從任意角度、在任意深度選擇剖切面對減速器進行剖切，從而使用戶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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測量軸頸
（6）螺栓聯(lián)接綜合實驗
螺栓聯(lián)接實驗分3種模式，每種模式下軟件引導用戶完成螺栓預緊、變形值測量和記錄等操作。
模式1——空心螺栓+彈性墊片+無錐塞；
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)接實驗臺
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螺栓聯(lián)接實驗千分表讀數(shù)
（7）減速器結(jié)構(gòu)分析實驗：
本實驗分四個部分：減速器概述、箱體結(jié)構(gòu)、附件結(jié)構(gòu)、軸系結(jié)構(gòu)
1、減速器概述通過對減速器定義、減速器作用、減速器類型的介紹，了解了減速器的初步知識。
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其中，減速器類型介紹了定軸齒輪減速器，行星齒輪減速器、擺陣線輪減速器、諧波齒輪減速器、圓柱齒輪減速機、單級減速器、展開式齒輪減速器等多種類型減速器
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2、箱體介紹通過對箱體的3d模擬，學生可以通過360全角度扭轉(zhuǎn)，對箱體結(jié)構(gòu)進行立體化觀察
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3、軸系結(jié)構(gòu)的視圖
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（8）大型風電齒輪箱模擬裝配實驗
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本實驗有三個環(huán)節(jié)：背景知識、裝配練習、在線測試
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裝配練習可以對每一個零部件進行認識、識別，并且全方位觀察形狀并進行安裝操作的模擬觀察。
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在線測試可以進行模擬裝配考核，并對錯誤的裝配方法進行提示，給予相應分數(shù)。
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（9）組合式軸系結(jié)構(gòu)設計與分析實驗
本虛擬仿真實驗軟件提供三種軸系結(jié)構(gòu)作為設計參考，用戶通過參考結(jié)構(gòu)進行分析并在零件庫中選擇正確的零部件進行組裝，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)設計、裝配關系等。
具體的實驗流程如下：
1、從軸系結(jié)構(gòu)中選擇要進行組裝設計的軸系結(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)設計
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軸系二結(jié)構(gòu)設計
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軸系三結(jié)構(gòu)設計
（10）二級減速器拆裝虛擬實驗-HTC版
該實驗中，學生可以通過穿戴式VR頭盔，操作手柄與實驗進行交互，利用VR頭盔查看實驗室場景，工作臺及二級減速器結(jié)構(gòu)，利用手柄對二級減速器進行拆裝操作。
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（11）二級減速器拆裝虛擬實驗zspace版
本系統(tǒng)是針對各類院校機械專業(yè)配套開發(fā)的虛擬實驗軟件，能模擬真實實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境。為保證系統(tǒng)的交互性和擴展性，該系統(tǒng)采用國際領先的Unity3D引擎開發(fā)而成。
系統(tǒng)采用獨有的頭部跟蹤立體顯示仿生技術，使立體圖像始終保持與體驗者真實視覺角度保持一致，這就大大增強3D立體沉浸體驗感。
用戶結(jié)合交互式觸筆，操作UI菜單，點選工作原理菜單進行互動學習，觸筆發(fā)射出的射線碰到實驗設備部件時能夠高光顯示并能夠顯示其設備名稱，系統(tǒng)以三維動畫配合文字/語音介紹的方式，展現(xiàn)設備的工作原理，同時支持用戶對其進行360°自由觀察。
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交互式觸筆示意圖
Zspace版二級減速器實驗包括拆解模式、組裝模式和剖切模式，通過觸筆發(fā)射射線識別二級減速器螺釘、端蓋、墊片、箱蓋和圓錐齒輪完成減速器的拆裝，并通過調(diào)整觸筆方向可對二級減速器進行任意剖切。
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二級減速器軸零件示意圖
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(jié)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。
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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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