机械工程三维虚拟实验教学系统简介

软件的目的意义:

目前,现实中的机械工程实验存在以下局限性:

1、    硬件依存性较强,只能在特定实验室进行;

2、    仪器设备数量有限,无法满足学生独立进行实验的需求;

3、    部分实验具有一定危险性;

在本大类中,包括了以下6个实验:

1.    机械实验室安全规程虚拟实验

2.    多人协同飞机前轮拆装实验-HTC版

3.    反坦克武器装备机电系统虚拟综合实验

4.    连杆加工生产线虚拟试验

5.    电机正反转控制虚拟实验

6.    焓差法测定空调性能虚拟实验

机械实验室安全规程虚拟实验

该实验采用了三维建模模拟出虚拟实验室场景,该系统具有良好的交互性,使用者可以自由在场景中漫游,切换到不同的视角,不同的距离去观察该场景中的元素。该实验中用户可以查看实验的具体的要求,认识做机械实验中的实验设备,可以开始实验,根据实验步骤的提示完成相对应的实验,并观察实验现象,填写实验报告。

该实验主要解决了传统实物实验室中,学生做实验达不到人手一台的标准,实际的实验体验效果差的问题。

多人协同飞机前轮拆装实验-HTC版

该系统采用虚拟现实(VR)技术开发而成,它利用电脑模拟构建一个某型飞机外观及其细部的机轮结构,结合HTCVIVE头戴式装备,给学员提供更强烈的视觉体验和冲击。

系统采用多人联机交互技术,按照机轮拆装训练手册,有学员扮演机械师,有学员扮演机械员,他们分工配合,共同完成对飞机机轮系统的VR拆装。同时,系统具备对拆装步骤、质量等方面的评估打分,教员可在线监控学员的操作,进行故障预设、竞赛等功能。

飞机机轮VR拆装启动画面如图1所示,学员用手柄触发即可开始拆装训练任务。系统可以实现30名以上学员独自在网络终端电脑进行拆装训练,也可多学员配合进行。

飞机机轮VR拆装效果示意图

开始任务后,系统自动开始计时。虚拟训练过程中,学员可以随时看到自己所花费的时间。花费的时间越短,对最终的任务评价越有利。

拆装过程中任务计时效果示意图

虚拟训练过程中,出现拆装顺序错误、质量问题(如保险丝打反)、作风问题(如工具随手置于地面)等不影响拆装进行的问题时,拆装过程能够继续进行,但记录错误并增加拆装用时。增加拆装用时的规则如下:

1.下列情况每项加120秒:

(1)损坏机件;

(2)漏拆、漏装、装反机件;

(3)轴承掉落;

(4)保险丝方向打反。

2.下列情况每项加15秒:

(1)未对拆开惯性传感器完成防尘保护;

(2)机件掉地;

(3)挡泥板掉落撞击机件;

(4)保险丝不符合要求(硬拉保险丝、保险丝松);

(5)工作完成后未清理现场;

(6)工作前、后未清点工具。

3.下列情况每次加10秒:

(1)机件、拆下的保险丝未放到专用托盘内;

(2)未检查机轮安装质量;

(3)工具掉地。

系统对拆装过程中需要用到的钳子、套筒、扳手等工具进行三维模拟重构。据拆装步骤,对下一步要使用的工具进行轮廓高亮提示,以指导学员操作,学员用交互手柄即可抓取对应工具进行操作。

拆装过程中工具提示效果示意图

学员用手柄触碰到对应工具后,抓取对应工具转动或移动做“拧、压、抬”等动作。对于工具的使用,系统进行细节性指导,如用力方向、用力大小(手指力、手腕力、小臂力、大臂力等)选择等。系统交互操作非常简单便捷,所见即所得,通过手柄即可直观完成VR拆装过程的训练。

拆装过程中互动操作效果示意图

拆装完成后,对学员本次任务进行简单评价,譬如任务用时、违规次数等。当然,此处也可以添加更多信息,以便于学员后续改进操作,养成良好的操作习惯。

拆装完毕的任务评价效果示意图

在拆装过程中,不同学员可以扮演不同的角色,大家协同配合完成拆装,譬如有人扮演机械师,有人扮演机械员,有人扮演教员。就如同在真实环境中一样,处于这个空间中的用户可以互相看到对方,大家可以各司其职配合作业,多人联机VR交互拆装效果如图6所示。

多人联机交互拆装效果示意图

在虚拟训练过程中,机械员只允许完成规定的辅助动作,如果机械员违规进行其它操作环节,系统会给予提示或由评委发出指令停止拆装,系统恢复到初始状态。

反坦克武器装备机电系统虚拟综合实验

武器学习具有一定的危险性,且武器系统一般十分贵重,反复拆装会对武器造成损坏,丧失作战能力,本实验采用三维建模技术智能制造系统按照实际的尺寸建模重构,注重实验场景的逼真性,采用声、光电投影等多种多媒体手段,虛拟仿真一个反坦克武器系统的作战动态场景,模拟反坦克武器系统目标搜索、目标跟踪武器系统随动、激光指向、手柄操控、目标打击和打击效果评判等一整套虚拟作战过程,保证学生获得身临其境的实验体验,避免危险性和损坏武器,使实验者通过实验能够了解整个反坦克武器组成部件的装配流程和工作原理,。

本实验中涉及的实验设备包括:编码器、分体式电机、光电部件、武器系统、电机驱动、光电闭环控制系统。实验主要包括网络单元原理实验及系统模拟综合实验两部分。网络单元原理实验以反坦克武器装备为主线,开展有关典型机械传动装置、伺服元件、检测与控制器件等原理性基础实验,有较好的通用性,实验形式以虚为主,便于网络平台推广学习。系统模拟综合实验是以实装应用技术为背景,构建反坦克武器装备模拟实验平台,开展有关反坦克作战模拟综合实验,实验采用虚实结合的形式,注重实装技术的模拟与训练。

本虚拟实验为用户展示了整个反弹坦克武器装备机电系统的零部件组成,大到模块分解,小到每个模块中每一个螺丝的拆装。除了编码器、分体式电机、光电部件、武器系统的具体拆解流程,还包括电机驱动的驱动组成和驱动原理中电路的连接,以及光电闭环控制中P、I、D对波形的变化。

实验者首先对整个装备系统外观主体部分进行观察,了解外部构造和系统几个重要组成部分在整个装备系统中的布局情况。

然后点击子模块进行装配学习,实验分为“示教模式”和“学习模式”,学生可循序渐进学习组成部件安装规则,依次完成编码器、分体式点击、光电部件、武装系统、电机驱动、光电闭环控制进行装配。

最后进行光电闭环控制学习分析,通过调节P、I、D,观察波形变化。

连杆加工生产线虚拟试验

本实验模拟了连杆加工的生产线,对连杆加工涉及的所有机械进行了仿真,实验者可通过鼠标和键盘在场景中漫游360度观察设备,并按照连杆加工工序进行操作,帮助学生对连杆加工有较为深刻的认识。

进入实验后,点击右侧设备认知按钮,实验者可以在场景中漫游认识设备,生产线中包含大量设备,使用鼠标悬浮,设备上方会出现相应的名称标签,包括立式连杆拉床、组合镗床、半自动双头立轴圆台平面磨床、连杆组合机、连杆拧紧机、金刚镗床等、连杆螺丝拧松机、圆工作台铣床、镗床等,所有设备均采用三维建模技术智能制造系统按照实际的尺寸建模重构。

点击右侧的加工工序按钮,右侧屏幕会给出连杆加工的工序,实验者依次点击右侧工序,生产线按照工序开始进行加工,并在左下角给出操作说明,实验者需要经过全部工序,才能加工完成;在查看环节,实验者可以将工件和刀具放在屏幕中央进行翻转进行360度观察。

电机正反转控制虚拟实验

本实验展示了实验者通过连接电线线路使小车在轨道上运行的过程,规避了学生进行电路实验的危险性。点击右侧设备认知按钮,实验者可在场景中漫游,查看实验器材,鼠标悬浮于设备上,会出现相应的设备名标签,实验包括配电箱、轨道、小车等装备。

通过右侧视点选择按钮,实验者可以快捷切换不同的视角。点击右侧操作帮助按钮,可以查看鼠标和键盘的功能,实验者可以通过操作鼠标和键盘在虚拟场景中漫游,改变自己的视角高低(仰视、俯视),将视角拉近拉远,并进行左转、右转、前进、后退。

对设备的名称和作用认知完成后,实验者点击右侧线路图按钮查看电机线路图,然后通过视角转换或操作鼠标键盘来到配电箱前进行操作,配电箱左上方是QF空气开关,即名空气断路器,是断路器的一种。只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护。配电箱右上方是FU熔断器,当电流超过规定值一段时间后,熔断器会以其自身产生的热量使熔体熔化,从而使电路断开。配电箱左下方分别是是KM1正转接触器和KM2反转接触器,当线圈流过电流产生磁场,就会使触头闭合,以达到控制负载。KM1用于控制小车左行,KM2用于控制小车右行,常开触点用于控制回路自锁,常闭触点用于与另一接触器形成互锁。配电箱右侧有一列开关,从上到下依次是SB总开关、SB正转、SB反转、右限位、左限位。

实验者点击右侧的实验过程按钮,根据线路图进行线路连接,先后点击两个连接点,则在两个连接点之间连入一根电线。当按照线路图完成连接后,小车即可在轨道上运行。

7.焓差法测定空调性能虚拟实验

通过本虚拟仿真实验,学生能对于焓差法空调器性能实验装置的组成、工作原理、仪器仪表配置及性能特点有充分的了解和认识。并通过在实验中跟随引导,逐步测定空调机的制冷、制热能力,掌握空调器性能计算方法。并通过分析实验数据,加深学生对压焓图、焓湿图意义的理解,熟悉对空调器性能实验系统软件的操作。

本测试平台的设计主要依据的标准为国标GB7725-2004《房间空气调节器》国家标准、ISOD5151-94《不带风道的空调器和热泵的试验和测定》,依照上述标准,实验平台主要包括两个测试室(室内机和室外机室)、被测空调器、空气再处理系统、风量测试装置以及计算机测控系统等五部分组成。

进入实验后,实验者先根据路标指示,进入各实验室查看实验设备。鼠标悬浮于实验设备上,可查看该设备的名称和基本介绍。

使用鼠标点击设备上的【透明】按钮,可使该设备表壳变为透明状态,实验者可对设备内部构造进行学习,鼠标悬浮于个构件上,可查看该构件名称。

点击界面左侧的工作原理可查看空调器焓差法测试涉及的全部装置原理图,对实验原理进行梳理;实验者还可以根据界面左侧的视点选择快捷到达目的实验室。

对实验原理和实验设备认知完成后,测定开始,实验者根据界面下方的引导,逐步对设备进行操作,需要进行操作的区域系统会用高亮提示;

全部操作完成后,实验者可以打开电脑,查看相关曲线。

系统服务器端用户分为学生、教师、教务管理员和系统管理员四种角色,不同角色拥有不同权限。

学生:选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

教师:典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、系统指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。

教务管理员:课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。

系统管理员:用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

性能指标

支持同时在线用户数1万人以上,经测试,系统运行稳定,不限终端用户数,完全能满足日常教学使用。

服务器运行环境

操作系统:WindowsServer,Linux/UnixServer

Web服务器:Tomcat6.0,JDK6.0

数据库:MySQL

客户端运行环境

操作系统:AllWindows系列

相关信息:

研制单位:北京邮电大学北京润尼尔网络科技有限公司

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