装备认知虚拟实验系统的开发

吴纬纬 范建蓓 蔡娥 单岩

【摘要】针对装备结构认知教学的特点,利用PowerBuilder、VC++工具,以及SQL server数据库技术,基于UG NX5.0设计开发了一套机械装备认知学习的虚拟实验系统。该虚拟实验室采用可交互的三维动画形式,真实地反映装备的拆装和机构运动过程,并以三维模型和知识点相结合的方式,直观生动地展示装备结构设计知识,大大提高了教学效率和效果。

【关键词】虚拟实验室;装备认知;交互拆装

引言

实物拆装实验在高校机械类课程教学中扮演着非常重要的角色[1]。随着现代教育技术的不断发展,高校教学手段的不断提高,传统实物拆装实验的缺陷日益突出:1)实验模型制作成本高;2)实验内容和教学功能局限性大;3)教学效果受时间、场地、设备数量等的限制;4)品种有限,更新困难;5)教学管理成本高;6)实验安全隐患大等。计算机技术的进步为虚拟实验室的发展提供了有力的条件,目前国内外许多研究机构对虚拟实验室技术做了大量的工作,但是面向机械装备设计方面的虚拟实验室研究尚少[2] [4] 。

针对上述问题,我们设计开发了“装备结构认知虚拟实验系统”(以下简称“虚拟实验系统”),不仅弥补了上述不足,而且学生在实验的同时可以自主查阅相关理论知识,克服了传统实验教学与理论知识脱节的弊端。该系统已成功应用于模具拆装实验教学中。

一 虚拟实验室概述

虚拟实验系统综合压缩机、减速器、模具等机械装备设计的教学思路,利用三维造型、机构运动分析、可视化仿真、人机交互等计算机应用技术,开发了装备基本结构、装备典型结构、装备实例等虚拟实验室,每个实验室都包含装备结构认知、拆装实验、运动仿真三大实验模块。同时,系统开发了一套完整的知识库管理平台,有效地虚拟实验系统中的所有数据进行管理和维护,保证虚拟实验的顺利进行。

二 系统总体结构及相关技术

1 虚拟实验室总体结构

按照使用层次不同,本文开发了面向教师的管理级系统和面向学生的用户级系统。

面向教师的管理级系统主要用于实验装备数据、知识等的维护和管理。主要功能包括新实验的扩充和知识管理两大部分。教师可以利用系统提供的工具,不断增加虚拟实验室的实验内容,比如实例扩充;可以在知识库管理平台上管理和维护所有实验相关的三维数模和理论知识,建立数模与知识的逻辑对应关系;

面向学生的终端用户级系统,即虚拟实验室系统,运行于3D设计软件UG NX 5.0环境下。在此系统中,学生可以全方位、多角度查看装备的结构、查询相关理论知识;可以观看装备的自动拆装过程,也可以进行自主拆装实验;还可查看装备的运动仿真情况。系统使用时的情况如图 1所示。

图 1

2系统开发平台

教师管理级系统以SQL Server为数据库平台,用PowerBuilder软件开发。学生端用户系统基于UG API二次开发技术,采用VC++语言开发[5]。

三 系统设计与实现

1 知识库管理系统的设计与实现

教师管理级系统实现对装备结构知识、3D模型数据的维护管理,以保证虚拟实验室的正常运转。教师端管理系统主要由装备结构管理、装备实例管理两大功能模块组成,如图 2所示。

图 2

装备结构管理模块,又包含了三大功能:装备分类管理、零件模型管理和装备知识管理。

(1)“装备分类管理”提供了设计装备分类和装备结构的工具。即教师可以根据所需教学的装备特点自主设计装备的结构信息,对装备的知识结构框架进行搭建。

(2)“装备知识管理”是对装备设计需用零部件的基本知识的管理。根据“装备分类管理”中得到的装备的知识框架,利用该工具,录入装备本身、其组成部分,以及其单个零部件的名称、定义、示意图和设计原则等信息。

(3)“零件模型管理”是对组成装备的零部件模型的管理。同样根据已构建的装备知识组成框架,利用该工具,在装备本身、其组成部分,以及对应的零部件处录入相应的3D模型。

装备实例管理模块的三大部分功能是:基本装备管理、典型装备管理和装备实例管理。该模块的功能是对各具体装备模型进行管理。用户可以根据定义好的装备框架对具体的零部件归类,并指定零部件所属的标准框架,以供学生用户方便的调出相关零部件的相关知识。

以模具实验数据管理为例,“装备结构管理”可以定义模具知识的框架,由模具类型(如注塑模、吹塑模等)、标准组成部分(如浇注系统、冷却系统、顶出系统等),以及各部分的组成零部件(如定位圈、浇口套、冷却水管、喉塞、顶杆等)以“树”的形式构建。同时,可以在“树”的节点处录入对应零部件知识要点,并放入零部件的三维模型路径,以支持学生在知识认知中更直观的学习。

“装备实例管理”主要是对具体模具3D模型的管理,允许用户放入基本模具、典型模具和模具实例的多副数模,并对数模中的零部件与标准框架中的零部件进行逻辑关联,以保证学生可以对“模具实例”中的任意零件进行知识索引操作。

2 虚拟实验室的设计与实现

虚拟实验室系统主要针对终端学生用户,依据装备设计教学思路,以基本结构、典型结构和装备实例为教学入口,由具体的装备3D模型开展教学,进入该系统的核心——三个实验室:结构知识实验室、装配实验室、仿真实验室。实现后终端用户的操作流程如图3所示。

(1) 结构知识实验室的设计与实现

该实验室主要解决学生对装备认知的问题。学生用户通过UG NX进入实验室,打开基本结构、典型结构或装备实例中的任意一套装备数模。可以在数模窗口中查看任意零部件的名称;并且,对于任意选定的零部件,通过点击知识点功能可以索引出选中部件的名称、定义、设计原则等知识。

同时,在知识点窗口中可以查看该装备的整体结构框架,及各个组成部分零部件知识。学生用户亦可以通过知识窗口的功能键,打开相应标准零部件的单个三维数模。不管是对整幅装备模型,还是对单个零部件模型,学生用户都可以方便的使用旋转、剖切、透明设置多方位等方式更深入清晰的查看装备及其零部件结构,以达到最大的学习效果。

图 3

(2) 装配实验室的实现

装配实验室的核心包括两大模块:1)查看装备零部件自动拆卸和组装的过程;2)用户自主交互拆卸和组装。

学生用户通过本系统打开需要进行拆装实验的3D装备模型,进入装配实验室,利用查看演示装配功能,查看装备零部件自动拆卸和组装的过程。

自主交互装配功能,提供了完成自主交互拆装的工具。在此过程中,用户依次选择拆卸对象,系统根据管理端预设的拆卸次序,自动判断用户的拆卸顺序是否正确,若拆卸次序出现错误,出现错误提醒对话框,并提供查询正确次序零件的工具,实现交互拆卸的顺利进行。同样,在自主交互组装过程中,用户可以选择组装部件,还是组装整个装备,组装过程中,如果出现安装顺序错误,系统亦会出现错误提示引导用户安装。

该实验室功能实现的难点在于,自主拆装中的零件的次序问题。为了能最真实的反应现实情况下最真实的拆装过程,本系统通过对模型装配树进行特殊处理,结合一些编程技巧得以成功实现。

(3) 仿真实验室的设计与实现

仿真实验室的核心是观看工况下装备运动的情况。

学生用户进入运动仿真模块,可以在仿真过程中通过旋转、放大、缩小、剖切、和设置透明度等方式查看装备工况下内部机构、外部和局部零部件的运动情况;并可介入仿真过程,对其进行暂停、选择播放位置、停止等操作。

四 应用实例

1 知识管理平台实例

本系统现在已经成功应用于模具认知虚拟实验室,教师管理级用户首先通过本系统开发的工具搭建模具组成的结构框架。

系统会根据用户定义的结构框架自动在窗口左侧以“树”的形式显示,如图 4所示。

图 4

管理级用户仅需在知识窗口部分放入知识文档,在窗口上方利用功能键指定对应零部件的3D模型路径即可。

具体整副模具实例的管理,用户可以录入该副模具的基本信息,录入后的模具会在窗口左侧分栏处自动显示,用户可双击查看目标对象的信息。

基本信息已录入完成的模具在如图 5所示窗口的左侧自动显示,同时,在该窗口中对整副模具的各个零部件进行管理,指定零部件的名称、数量、与所属的基本框架类型进行关联,以及其3D模型路径等信息。

图 5

2 虚拟实验系统应用实例

学生用户通过本系统,在UG NX软件环境下打开某副模具的三维模型,如图 6所示。用户将鼠标移到任意零部件处,窗口信息栏中都会显示相应零部件的中文名;单击“结构知识实验室”功能键,选择任意零部件,即可调出所选零部件的知识窗口,如图 7所示。

图 6

图 7

利用“装配实验室”功能键,进入装配实验室,如图 8所示。可以观看模具自动拆装的过程,也可以对模具进行自主装配。

图 8

同样,利用“运动仿真实验室”功能键进入运动仿真实验室,如图 9所示。可以查看模具开、合模,及顶出过程。

图 9

五 结束语

本文针对目前高校机械设备拆装实验课程中存在的问题,以专业3D设计软件为基础,利用二次开发技术实现了装备认知的虚拟实验系统,并将该系统应用于多所高等院校的模具教学中。实践表明,该方案可很好地满足机械设备结构认知教学的需要,并有效地提高教学效率和效果。

参考文献

[1] Steidley Carl, Bachnak Rafic. Developing a Prototype Virtual Laboratory for Distance Science and Engineering Education [Z]. Information Technology Based Higher Education and Training 6th International Conference, July 2005, Juan Dolio, Dominican Republic.

[2] M. Karweit, Enhanced learning through virtual laboratory[Z]. Proceedings of the 2002 ASEE Annual Conference and Exposition, June 2002, Montreal, CA.

[3] 欧阳星明, 姚小龙, 谢欣荣. 网络虚拟实验室的设计与实现[J]. 计算机工程, 2004, 30(2): 185-186

[4] 张刚, 李火生, 侯强. 基于VRML-Java的虚拟装配系统开发[J]. 计算机工程, 2008, 34(13): 264-266

[5] 蔡娥, 许跃敏, 钟崴, 童水光. 面向对象的大型企业设备管理软件的研究[J]. 计算机工程与应用, 2000, 1, 167-170

Developing a Virtual Experiment System for Recognizing an Equipment

WU Wei-wei 1,FAN Jian-bei2,CAI E 1,SHAN Yan1

(1.Institute of Chemical Machinery Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China2. Mechatronics Vocational Technical College of Zhejiang Province 310053, China)

Abstract: A virtual interactive system is presented to carry out the disassembly experiment in teaching machinery and equipment. The system is developed based on UG NX5.0, using PowerBuilder, VC + + tools, as well as the SQL server database technology. Besides the powerful interactive disassembly tools, the 3D animation technique is used to illustrate the disassembly process. The working principle is revealed by motion simulation and the related knowledge can be searched out from database. Compared with the traditional methods, the virtual system can largely improve the teaching efficiency.

Keywords: Virtual Lab, Machinery and Equipment Learning, Interactive Disassembly