机械设计虚拟实验室的设计与实现

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　　摘要：本文针对机械设计课程中不同实验的特点采用不同的软件进行开发，最后用网页将所有虚拟实验模块整合到一起，着重介绍了利用Cult3d、Virtools和Fla sh软件进行虚拟实验设计的方法，提出了继续研究和探索的方向。
　　关键词：虚拟实验室；实体造型；虚拟设计；网页发布
　　机械设计课程实验是连接基础课与专业课的重要环节，能够使学生通过自己的思考分析独立进行实验设计、实验操作和实验分析，提高学生的学习自主性和主动性，培养学生的动手能力和创新能力。为学生掌握机械设计实验方法提供学习机会和实践体验，促进知识、能力与素质的协同发展。
　　虚拟实验室是近年来信息技术迅速发展的产物，是虚拟现实技术重点应用之一，也是促进教育方式、方法和科学实验进步的重要手段。它具有低成本、扩展性强、高效率、协作性强、安全性高、时间空间限制小等优点。
　　1方案设计
　　1.1功能设计。在机械设计虚拟实验室在功能上能够实现机械零件认知实验、带传动实验、螺栓联接实验、零件装配实验。认知实验的认知类零件主要包括螺栓、键、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮、蜗杆、带、带轮、轴、轴系固定元件和滚动轴承等内容。带传动实验包括传动带的弹性滑动和打滑实验。螺栓联接实验能够表达出螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力和变形情况。验证受轴向工作载荷时预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。零件装配实验能够对零部件模型进行拆装仿真，包括螺栓联接、键联接，轴系结构、联轴器、减速器等装配。
　　1.2 系统设计。机械设计虚拟实验室采用Web浏览器和网络服务器相结合的架构。实验人员只需通过访问机械设计虚拟实验室的网址就可以进行机械设计实验的虚拟操作。
　　虚拟实验室能够通过鼠标和键盘进行人机交互，能够对所有零件进行放缩、旋转、平移、名称显示。实验过程中具有实验操作演示、操作步骤提示、错误提醒、数据分析、相关理论注释等。
　　2 模型设计
　　2.1 实体建模。利用SolidWorks对机械虚拟实验室中的所有机械零件进行实体模型构建。为了保证实体模型的数据准确性，创建前要进行机械零件的测绘，并且所有零件都按统一的单位进行记录数据。这样能够避免模型导入到虚拟开发平台后进行相关操作时出现异常现象。如模型导入到虚拟开发平台后场景中各物体模型的各个部分出现尺寸和比例不一致。
　　2.2场景设计。为了提高虚拟实验室的真实感，需要在3D MAX中设计实验室场景，如实验室的房间，实验操作台、实验工具等。同时还要对所有导入到3D MAX中的机械零件模型进行材质贴图、灯光、渲染烘焙。
　　3 虚拟设计
　　3.1认知实验。认知实验模块采用Cult3D作为开发工具。Cult3D是Cycore公司开发的应用软件，Cult3D的最大特点是展示功能制作简单，与Java技术结合紧密。
　　通过Cult3D虚拟开发平台可以实现模型的平移、放缩、旋转等人机交互功能。首先通过Cult3D Exporter从3ds Max中导入机械零件的实体模型；然后在Cult3D Designer中进行交互设计；最后通过Cult3D Viewer，将制作的认知实验模块发布成网页能够接收的格式。
　　3.2零件装配实验
　　1）基本运动实现。在虚拟装配实验中，装配和拆装是两个关键的步骤。实验时操作者可以按照提示来学习装配实验中各零部件的装配和拆装，然后进行反复练习，提高熟练程度。
　　2）摄像机控制。在Virtools软件中，摄像机能够实现虚拟漫游功能，可分为全景摄像机和跟随摄像机两种，这两者之间可以通过设计脚本进行转换。全景摄像通过透视图来显示机械零件虚拟装配中的整个场景，还能够利用鼠标控件摄像机旋转，达到不同视角观察整个场景的效果；跟随摄像机通过追踪机械零部件的方式进行跟随摄像，摄像机与机械零部件之间始终保持设置的距离值。
　　3）碰撞检测。在现实的机械设计实验过程中，所有的机械零部件都是具有物理属性的实体，相互之间不能够穿越，并且所有的实验操作都是在操作平台进行。而虚拟实现所有的机械零部件均是虚拟的模型，为了避免产生穿越现象，Virtools内嵌了碰撞检测功能。在虚拟实现设计时，对操作平台添加Floor 属性，对机械零部件添加Fixed Obstacle 属性，同时将Prevent collision 行为模块添加到对应的脚本设计中，这样就能够实现碰撞检测功能，达到真实的效果。
　　4 网页整合。通过Dreamweaver软件将Cult3D、Virtool和Flash生成的虚拟实验整合到统一的网页中。Cult3D生成的虚拟实验整合到Dreamweaver制作的网页中需要在Dreamweaver软件添加Cult3D三维模型的插件Cult3D.mxp，然后执行Dreamweaver文件菜单"插入"下的"Cult3D"，在出现的"choose Cult3D file…"对话框中选择需要插入的Cult3D三维模型文件（扩展名.co），然后把文件保存到一个HTML文件中。
　　Virtools生成的虚拟实验整合到Dreamweaver制作的网页中需要在Virtools的File中选择Create Web Page, 在弹出的设置面板Choose Destination选项中选择所要保存文件的路径，在Setting选项中设置Window Size的数值为800、600。点击OK键，创建网页形式执行文件。
　　3总结
　　机械设计虚拟实验室交互性强、访问流畅、界面友好、操作简单，为实验教学模式提供了新的探索。机械设计虚拟实验室还存在很多问题需要继续研究和探索，主要包括以下几个方面：1）对于较复杂的实验配上场景和音效后会使生成的执行文件较大，在现有硬件的基础上，通过网页形式如何保证访问速度和网络流量仍然值得研究。2）对于大型实体模型数据库进行存储和管理是非常值得研究的课题。3)进一步完善机械设计虚拟实现室，实现学、考、评于一体的网络教学课堂。
　　参考文献
　　[1] 李昌国,朱福全，谭良.基于3D和Virtools 技术的虚拟实验开发方法研究[J]
　　[2] 范国琛, 赵立棣, 张建新. 基于Cult3D技术的摩托车虚拟现实展示[J]
　　
　　
　　

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