机械设计三维虚拟实验教学系统简介

机械设计课程是机械类专业的一门主干技术基础课,其理论性和实践性都很强。机械设计实验教学是机械设计课程教学中的一个重要实践环节。

该软件是针对大学专科、本科《机械设计》实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验,软件模拟实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境,提供网上实验教学过程管理功能,包括:典型实验库的维护、实验安排、提交实验报告、实验批改、成绩统计、实验答疑等功能模块。可满足高等学校和各类培训机构实验教学环节的需要,尤其适用于远程教学。

软件的目的意义:

目前,现实中的机械设计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,如二级减速器拆装实验;

随着招生规模的逐年扩大,教学改革的不断深入,机械设计实验的教学任务越来越重,仪器设备台套数和实验教师数量相对不足等问题愈加突出。为了以最少的经费投入解决以上问题,并进一步激发学生的学习兴趣、增强实验效果、提高实验教学质量,我们开发了机械设计三维虚拟实验教学系统。

软件提供了若干种常用机械实验台:

1、PJC-B创意组合机械系统搭接综合实验台

包括控制器、齿轮、电动机等实验器材

2、功率流式齿轮传动实验台

包括功率流式实验台、实验仪、砝码等实验器材

3、减速器

包括实验用二级减速器、游标卡尺等实验器材

4、带传动实验台

包括发电机、测力计、百分表、砝码等实验器材

5、螺栓联接综合实验台

包括CQL-A螺栓联接综合实验台、锥塞、扳手等实验器材

6.大型风电齿轮箱

使用现有器材模型,系统可开展如下11个常用机械虚拟实验的训练:

•    带传动

•    机械运动方案创新设计

•    齿轮传动效率

•    一级减速器拆装

•    二级减速器拆装

•    螺栓联接综合实验

•    组合式轴系结构设计与分析

•    减速器结构分析设计实验

•    大型风电齿轮箱虚拟装配实验

•    二级减速器拆装虚拟实验-HTC版

•    二级减速器拆装虚拟实验-zSpace版

(1)带传动虚拟实验

本虚拟仿真实验提供仿真带传动实验台,实验过程中模拟操作实验设备,通过增减砝码和调整负载开关,测得并记录10组不同状况下主动轮和从动轮的转速、转矩值,之后进行数据分析,用户通过数据对比,了解带传动的工作特性。

具体的实验流程如下:

1、接通电源,打开开关,添加砝码,将转速调至规定转速;

2、查看实验数据,填写实验数据表格;

3、多次测试,完成不同数据测试,填写实验报告;

(2)机构运动方案创新设计实验

本虚拟仿真实验提供PJC-B创意组合机械系统搭接综合实验台,包括实验台台桌、支架、配套的机构元件及计算测试系统等。用户通过搭建起一套运动机构,然后使用传感器进行机构性能的数字化分析,并做出仿真曲线进行分析比较,达到学生机械创新设计的实训目的与培养运动性能的数字化分析能力。

主要实验内容有:

1、    掌握实验原理,熟悉实验设备的硬件组成及零件功用;

2、正确搭建杆组、齿轮、原动件至实验台架;

3、调节转速,观察曲线,完成实验报告;

(3)齿轮传动效率实验

本虚拟仿真实验引导用户进行实验设备的搭建和连线,熟悉传动设备的结构;然后根据操作提示引导用户操作实验设备,熟悉齿轮传动效率的测试原理及方法;通过逐渐增加负荷并记录齿轮传动实验仪上8组测得的相关参数,以备后期处理使用。

实验流程如下:

1、实验台搭建,根据提示完成设备操作;

2、实验载荷测试,记录8组实验参数;

记录实验数据

(4)一级减速器拆装实验

该实验分为结构展示、手动组装、参数测量三个环节,通过三个环节的操作,使用户熟悉一级减速器的结构组成和结构特点,掌握减速器的工作原理。

一级减速器拆装

测量齿轮参数

(5)二级减速器拆装实验

该实验分为结构展示、手动组装、参数测量三个环节,通过三个环节的操作,使用户熟悉二级减速器的结构组成和结构特点,掌握减速器的工作原理。

在结构展示环节中,软件支持用户对减速器进行自由剖切,即从任意角度、在任意深度选择剖切面对减速器进行剖切,从而使用户更好的观察减速器的内部结构。

任意剖切减速器

任意剖切减速器

测量轴颈

(6)螺栓联接综合实验

螺栓联接实验分3种模式,每种模式下软件引导用户完成螺栓预紧、变形值测量和记录等操作。

模式1——空心螺栓+弹性垫片+无锥塞;

模式2——空心螺栓+弹性垫片+锥塞;

模式3——空心螺栓+刚性垫片+锥塞

螺栓联接实验台

螺栓联接实验千分表读数

(7)减速器结构分析实验:

本实验分四个部分:减速器概述、箱体结构、附件结构、轴系结构

1、减速器概述通过对减速器定义、减速器作用、减速器类型的介绍,了解了减速器的初步知识。

其中,减速器类型介绍了定轴齿轮减速器,行星齿轮减速器、摆阵线轮减速器、谐波齿轮减速器、圆柱齿轮减速机、单级减速器、展开式齿轮减速器等多种类型减速器

2、箱体介绍通过对箱体的3d模拟,学生可以通过360全角度扭转,对箱体结构进行立体化观察

3、轴系结构的视图

(8)大型风电齿轮箱模拟装配实验

本实验有三个环节:背景知识、装配练习、在线测试

装配练习可以对每一个零部件进行认识、识别,并且全方位观察形状并进行安装操作的模拟观察。

在线测试可以进行模拟装配考核,并对错误的装配方法进行提示,给予相应分数。

(9)组合式轴系结构设计与分析实验

本虚拟仿真实验软件提供三种轴系结构作为设计参考,用户通过参考结构进行分析并在零件库中选择正确的零部件进行组装,最终组装得到完整的轴系结构,熟悉并掌握轴系结构的零件结构设计、装配关系等。

具体的实验流程如下:

1、从轴系结构中选择要进行组装设计的轴系结构

2、查看并分析零件结构、装配关系,依次将正确的零部件安装在轴系中;

轴系一结构设计

轴系二结构设计

轴系三结构设计

(10)二级减速器拆装虚拟实验-HTC版

该实验中,学生可以通过穿戴式VR头盔,操作手柄与实验进行交互,利用VR头盔查看实验室场景,工作台及二级减速器结构,利用手柄对二级减速器进行拆装操作。

(11)二级减速器拆装虚拟实验zspace版

本系统是针对各类院校机械专业配套开发的虚拟实验软件,能模拟真实实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境。为保证系统的交互性和扩展性,该系统采用国际领先的Unity3D引擎开发而成。

系统采用独有的头部跟踪立体显示仿生技术,使立体图像始终保持与体验者真实视觉角度保持一致,这就大大增强3D立体沉浸体验感。

用户结合交互式触笔,操作UI菜单,点选工作原理菜单进行互动学习,触笔发射出的射线碰到实验设备部件时能够高光显示并能够显示其设备名称,系统以三维动画配合文字/语音介绍的方式,展现设备的工作原理,同时支持用户对其进行360°自由观察。

交互式触笔示意图

Zspace版二级减速器实验包括拆解模式、组装模式和剖切模式,通过触笔发射射线识别二级减速器螺钉、端盖、垫片、箱盖和圆锥齿轮完成减速器的拆装,并通过调整触笔方向可对二级减速器进行任意剖切。

二级减速器轴零件示意图

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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