基于SOLIDWOKES的虛擬實驗室.doc

目錄1引言.22虛擬實驗室.22.1虛擬實驗室的概念.32.2虛擬實驗室的特點.32.3虛擬實驗室主要具有下述主要功能:.32.4虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的要點問題.42.5虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的意義.53關(guān)于SolidWorkers.64虛擬實驗室的建立.64.1螺紋連接和螺紋旋傳動.64.1.1螺紋的簡介.64.1.2螺紋的畫法.74.2鍵、花鍵、無鍵連接和銷連接.94.2.1鍵的簡介.94.2.2鍵的畫法.104.3滑動軸承.124.3.1滑動軸承簡介.124.3.2滑動軸承的畫法.124.4滾動軸承.134.4.1滾動軸承簡介.134.4.2滾動軸承設(shè)計實例.135虛擬實驗室的實現(xiàn)形式.185.1虛擬實驗室的建立.185.2虛擬實驗室的實現(xiàn)形式.196虛擬實驗室的前景展望.197結(jié)束語.20致謝.20參考文獻.201引言許多研究工作表明，使用豐富的教學(xué)方法和教學(xué)手段對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果具有非常重要的意義。利用計算機教學(xué)是當(dāng)今和未來各層次教育發(fā)展的一個重要方面，在高等教育中，應(yīng)用計算機進行教學(xué)還遠沒有發(fā)揮計算機這一現(xiàn)代化高科技設(shè)備的作用。計算機輔助教學(xué)對理工科來說，除利用文字、聲音和圖像等多媒體功能外，還應(yīng)該利用計算機模擬和仿真各種實驗儀器和實驗過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的新的人機接口技術(shù)，它有三個重要的特征高度的沉浸感、可信度和交互性。虛擬現(xiàn)實的目標是讓使用者盡可能地相信自己真的處在計算機所生成的環(huán)境中，而不是一個外部的觀察者。在一個理想的虛擬環(huán)境中，使用者根本無法確定他們面對的計算機所仿真的環(huán)境還是面對的一個真實世界15。所謂虛擬實驗室指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中取得的效果。目前，網(wǎng)絡(luò)時代信息化社會的到來正一步步推動高等學(xué)校教育改革，學(xué)生對教師的依賴性減少，課堂教學(xué)受到挑戰(zhàn)，在網(wǎng)絡(luò)上建立電子教室、電子黑板，學(xué)生在網(wǎng)上虛擬大學(xué)學(xué)習(xí)的新型教育模式已悄然而致。在遠程教學(xué)模式中特別需要建立和應(yīng)用基于飛網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗系統(tǒng)，因為實驗是多數(shù)工程類課程和應(yīng)用類課程的重要一環(huán)，缺少了實驗動手的機會，課程的教學(xué)效果將大打折扣。一個好的虛擬實驗系統(tǒng)尤其是乃刃網(wǎng)上運行的系統(tǒng)則是人們快速、廉價地獲取各種知識和技能的重要場所。從目前國際和國外所建立的虛擬實驗室來看，大部分虛擬實驗室都停留在演示階段，還達不到驗證學(xué)生的設(shè)計思想正確性的效果。而那種成熟的完全可以有高度沉浸感的虛擬實驗室卻是一個必然的趨勢。替代真實實驗室的虛擬實驗室卻幾乎沒有。然而建立虛擬實驗室的條件正在日漸完善。完善的虛擬實驗室的建立指日可待。2虛擬實驗室隨著教育信息化的不斷進步，虛擬實驗室已經(jīng)成為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的好助手。近年來國內(nèi)外許多高等院校及科研機構(gòu)紛紛提出了虛擬實驗室的概念，利用圖形、語音、視頻、動畫等多種技術(shù)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)能夠身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，給用戶一個基于網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)交流、共同研究的平臺。2.1虛擬實驗室的概念所謂的虛擬實驗室就是以計算機網(wǎng)絡(luò)為核心，將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠程操作的一個系統(tǒng)16。而虛擬實驗，就是按照實驗教學(xué)的基本要求，建立虛擬的工程實驗環(huán)境，運用各種虛擬實驗儀器儀表和設(shè)備，對建立起來的實驗?zāi)Ｐ瓦M行實時仿真，構(gòu)成新型的教學(xué)實驗。一些基礎(chǔ)性實驗，如物理實驗、機械基礎(chǔ)實驗、電子技術(shù)實驗、自動控制原理與系統(tǒng)實驗等，都可以采用虛擬的方法進行實驗。虛擬實驗的應(yīng)用和發(fā)展，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的補充和完善。2.2虛擬實驗室的特點虛擬實驗室的特點與現(xiàn)實的實驗室相比，虛擬實驗室具有它的許多優(yōu)勢和特點，歸納起來有下面幾個：1仿真性理想的虛擬實驗室環(huán)境應(yīng)該達到使實驗者難以分辨真假的程度（例如可視場景應(yīng)隨著視點的變化而變化），甚至比真的還“真”（如實現(xiàn)比現(xiàn)實更逼真的照明和音響效果）。2開放性虛擬實驗室內(nèi)涵的開放性，使操作器具更加廣泛、信息的內(nèi)容更加豐富、實驗形式更加多樣，實驗環(huán)境呈立體地與人的多維器官相互作用。虛擬實驗室外延的開放性，使它通過遠程網(wǎng)絡(luò)覆蓋全民化，實驗者不分性別、國別、種族、貧富等差異，實驗操作不分時間、空間、條件、形式、數(shù)量等的限制，人人獲得自由通過虛擬實驗室進行實驗之權(quán)利，人們期望已久的“實驗儀器設(shè)備資源共享”的“全球?qū)嶒炇摇崩硐胗型嬲龑崿F(xiàn)。3超時空性虛擬實驗室具有超時空的特點，它能夠?qū)⑦^去世界、現(xiàn)在世界、未來世界、微觀世界、宏觀世界、客觀世界、主觀世界、幻想世界等擁有的物體和發(fā)生的事件單獨呈現(xiàn)或進行有機組合，并可隨時隨地提供給實驗者進行實驗。4可操作性可操作性是虛擬實驗室可在教育或其它領(lǐng)域?qū)嶋H運用的必備特性，對于教育來說，它使學(xué)生得以在其中學(xué)習(xí)需要實際操作的實驗課程，也使遠程實驗教學(xué)可能真正實現(xiàn)17。2.3虛擬實驗室主要具有下述主要功能:（1）教育功能讓學(xué)生通過使用虛擬或真實儀器、裝置或系統(tǒng)的模擬裝置來熟悉實驗過程，掌握相關(guān)技術(shù)；能滿足不同知識背景學(xué)生的要求，根據(jù)其能力、實驗經(jīng)驗等調(diào)整資源模塊(如設(shè)備、組件、儀器、生成器、數(shù)據(jù)采集板等)，保證學(xué)生在單獨使用模擬環(huán)境時能進行各種實驗操作。（2）輔助設(shè)計功能例如現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計與分析，是運用EDA(ElectronicDesignAutoma2tion)，在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在EDA平臺上進行設(shè)計、下載、綜合、仿真，然后在實際條件下進行測試。EDA模擬軟件將儀器、儀表、模擬器件、數(shù)字器件等直觀地反映在計算機屏幕上，可靈活地改變電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，反復(fù)觀察實驗的結(jié)果，并動態(tài)顯示電路的波形。（3）協(xié)同實驗和研究功能。虛擬實驗室利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)施，使參與試驗的人員在遠程相互合作，進行試驗研究，為分布在世界各地的研究人員提供共同從事一個項目的分布式問題解決環(huán)境。虛擬實驗室的研究可以用于許多方面，例如世界范圍的大的科學(xué)研究課題，大型和復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計和制造等。2.4虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的要點問題（1）網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的軟件系統(tǒng)應(yīng)易于維護并具備擴展性在軟件設(shè)計上要采用跨平臺的組件原則，以便于維護和管理。圖像、聲音、動畫等采用標準格式，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序必須采用跨平臺設(shè)計方案，這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的不斷發(fā)展和完善。（2）網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的系統(tǒng)運行應(yīng)保證安全性與可靠性要求系統(tǒng)全天候安全穩(wěn)定運行。網(wǎng)絡(luò)管理員應(yīng)定期對網(wǎng)絡(luò)進行安全維護，對重數(shù)據(jù)進行備份。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室則可在同一臺微機上虛擬出數(shù)十種儀器來,實驗室建設(shè)時間明顯縮短,空間占用也相對濃縮,而且人機空間占比大幅度地偏向人的一方,將會有更多的學(xué)生能使用實驗室,更重要也更實際地是建設(shè)的資金成本大幅下降。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室還可供多種學(xué)科的實驗教學(xué)共同使用,多室合一提高了使用效率。因此可以說網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室為實驗教學(xué)轉(zhuǎn)型解決了最大的成本難題。（3）虛擬實驗的設(shè)計應(yīng)注重交互性。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室在技術(shù)上為人機間、師生間、學(xué)生間的順暢交互提供了可能。因此為了可以更全面正地評價學(xué)生的綜合實驗技能，虛擬實驗設(shè)計時必須注重在實驗過程中增強交互性。教學(xué)人員需要從根本上利用好虛擬實驗室的實質(zhì)性作用，要培養(yǎng)以學(xué)生為中心的實驗?zāi)Ｊ?，讓學(xué)生通過實驗增強綜合運用知識來分析和解決實際問題的能力。（4）虛擬實驗的設(shè)計應(yīng)注重科學(xué)性。由于第一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與服務(wù)器硬件設(shè)備的制約，在眾多師生做實驗時，大量的視頻文件在網(wǎng)絡(luò)上傳送必然會造成服務(wù)器沉重負擔(dān)，能否通過實驗來驗證科學(xué)規(guī)律的基本原則失去保障，即網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量會直接影響實驗的教學(xué)效果。為了保證虛擬實驗的科學(xué)性，虛擬實驗設(shè)計應(yīng)當(dāng)是經(jīng)過認真論證的。不同類型的實驗對網(wǎng)絡(luò)傳輸水平要求也是不同的。對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量要求高的實驗在設(shè)計時，如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境無法滿足要求，較好的策略是用戶終端將服務(wù)器端的實驗數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，讓實驗在本地計算機完成，對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量要求不高的實驗，學(xué)生的虛擬實驗可以在線進行。（5）軟件開發(fā)應(yīng)成為虛擬實驗室建設(shè)和開發(fā)的重點。往往在實驗室的建設(shè)中，對有形資產(chǎn)的投入容易達成共識，而對無形資產(chǎn)的投入則顯得不足?，F(xiàn)階段，許多高等院校的虛擬實驗室的軟件平臺的核心技術(shù)主要采用國外的產(chǎn)品，這無疑加大了虛擬實驗室的成本投入，因此，需要提高我國在該方面的軟件開發(fā)方面的投入。2.5虛擬實驗技術(shù)在教學(xué)中的意義（1）網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室可大幅降低實驗室改造、建設(shè)與維護的資金、時間和空間成本，提高使用效率年來，由于客觀條件、經(jīng)濟因素、社會環(huán)境等多方面的影響，很多院校的實驗室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后。在學(xué)科理論不斷深入和發(fā)展的同時，實驗教學(xué)儀器設(shè)備的陳舊老化影響著實驗結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，有時還難以闡述理論問題，已明顯不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的基本需求。但在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下，如果更新全套實驗室設(shè)備，不僅價格昂貴不符合目前學(xué)校的實際，而且隨著測試儀器的數(shù)字化、計算機化的發(fā)展趨勢，有些傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。（2）提高學(xué)生接受新事物的能力虛擬實驗技術(shù)是一種先進的學(xué)習(xí)工具，是多學(xué)科技術(shù)發(fā)展的綜合。隨著水平的不斷提高，虛擬實驗技術(shù)將不再是純虛擬環(huán)境，很多軟件都能和互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)遠程實驗，實現(xiàn)軟件對實驗的控制和對實驗數(shù)據(jù)的處理和分析。（3）節(jié)省實驗經(jīng)費，保證試驗安全在實驗教學(xué)中，以往會因為實驗設(shè)備、場地、經(jīng)費等方面的原因，使一些應(yīng)該開設(shè)的實驗無法進行。利用虛擬實驗技術(shù)，可以彌補這些方面的不足，學(xué)生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而豐富感性認識，加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。（4）徹底打破空間和時間的限制利用虛擬實驗技術(shù)，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學(xué)生都可以進入這些物體的內(nèi)部進行觀察，這是電視錄像媒體和實物媒體所無法比擬的。虛擬實驗技術(shù)還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日益完善，網(wǎng)絡(luò)速度和寬帶不再成為制約網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)的瓶勁。計算機軟、硬件的飛速發(fā)展無疑使得虛擬實驗環(huán)境更加逼真、靈活多樣。然而，虛擬實驗在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的誤差能力等方面還不可能取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式。因此，在日常的實驗教學(xué)中，要注意兩種方式的相互結(jié)合，更好地指導(dǎo)學(xué)生實驗。3關(guān)于SolidWorkersCAD/CAM(ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing)技術(shù)是制造工程技術(shù)與計算機技術(shù)相互結(jié)合、相互滲透而發(fā)展起來的一項綜合性應(yīng)用技術(shù)。自20世紀50年代問世以來CAD/CAM技術(shù)走完了近半個世紀的發(fā)展歷程，具有涉及知識門類寬綜合性能強、處理速度快、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點是當(dāng)今制造技術(shù)的重要組成部分。SolidWorks是基于Windows平臺的優(yōu)秀的CAD/CAM集成系統(tǒng)。采用參數(shù)化和特征造型技術(shù)，能方便、快捷地創(chuàng)建任何復(fù)雜形狀的實體。而具有參數(shù)化的實體能夠通過對尺寸的修改來進行編輯，實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動。在產(chǎn)品開發(fā)整過周期中，不斷存在著設(shè)計的變更，參數(shù)化的建模方式大大增強了設(shè)計的靈活性，方便工程師實現(xiàn)設(shè)計意圖。設(shè)計工程師在自己的桌面計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、分析、數(shù)控加工和完成后期的系列產(chǎn)品報告，而有關(guān)的信息能得到有效的交流和管理，這就是基于Windows系統(tǒng)的CAD/CAM/CAE/PDM集成系統(tǒng)的實施宗旨。SolidWorks和Windows實現(xiàn)無縫集成?！盎赪indows的桌面集成系統(tǒng)”是一個單一的設(shè)計工具，而是以SolidWorks為核心的各種應(yīng)用的場合，如結(jié)構(gòu)分析、運動分析、工程數(shù)據(jù)管理和數(shù)控加工等。這些模塊功能通過SolidWorks插件的形式出現(xiàn)。由于使用了WindowsOLE技術(shù)，直觀式設(shè)計技術(shù)，先進的Parasolid內(nèi)核以及與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorkes的發(fā)展勢頭迅猛成為流行的三維設(shè)計軟件。4虛擬實驗室的建立基于SolidWorkes的虛擬實驗室就是在以SolidWorkes作為設(shè)計軟件，設(shè)計出各種機械零件，組成虛擬的機械運動裝置，模擬機械運動，搜集運動參數(shù)，以達到實驗的效果。在本論文中我們重點解決零件的設(shè)計及其使用特性的演示。4.1螺紋連接和螺紋旋傳動4.1.1螺紋的簡介螺紋連接和螺旋傳動都是利用螺紋零件工作的，但兩者的工作性質(zhì)不同，在技術(shù)要求上有差別。前者為緊固作用，要求保證連接強度，有時還要求緊密性。后者作為傳動件用，要求保證螺旋副的傳動精度、效率和磨損壽命等。4.1.2螺紋的畫法在SolidWorkes中螺紋的畫法是個很重要的部分。我們以六角螺母為例演示螺紋，螺母及螺栓和螺釘?shù)漠嫹ā＠航⒘锹菽傅哪Ｐ停毫锹菽窯B/T41-2000M12。由數(shù)據(jù)庫得到數(shù)據(jù)：D=M12，dw(min)16.5，e(min)19.85，m(max)12.2，s(max)18.（1）建立新文件。單擊標準工具欄的“新建”圖標按鈕“零件”“確定”。（2）繪制“草圖1”。從特征管理器中選擇，進入草圖繪制界面。用“矩形”工具繪制出一個矩形。用“中心線”工具繪制出一條豎線和一條水平線豎線起點與原點重合，終點于矩形水平邊作“中點”約束。用“直線”工具在矩形的兩個角劃出兩條斜線，如圖1所示。用“添加幾何關(guān)系