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摘要： 本文对机械基础实验进行了分析，提出了运用虚拟样机技术，依靠网络传输，建立机械基础实验的网络实验教学平台。虚拟实验采用solidworks对零件进行建模，用CULT3D和JAVA结合技术对实体模型进行多视角处理，以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）对动画中的实体模型进行轨迹控制，利用B/S模式，建立网络虚拟实验教学平台。
关键词： 机械基础 网络虚拟实验 教学平台
1.引言
机械基础课程是近机械类专业的一门重要专业基础课，具有理论与实际紧密联系的特征。其中实验教学是本门课程的重要组成部分，通过实验强化理论联系实际的能力。随着高校的不断扩招，学生人数众多，原有实验场地、仪器、实验教师均不能满足实验要求，影响了教学效果，因此实验改革势在必行。
2.机械基础实验的特点
根据教学大纲，机械基础实验包括：常用机构认知实验、机构运动简图的测绘实验、齿轮范成实验和带传动实验。常用机构认知实验主要是展示常用结构的形式，分析其工作原理，包括连杆机构、凸轮机构、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮、蜗杆、齿轮系和间歇运动机构等内容。机构运动简图的测绘实验，为学生展示较为复杂的机构，像多杆机构、齿轮连杆组合机构、凸轮与连杆组合机构等。让学生动手对这些机构进行测绘，绘制出机构运动简图，进行机构的结构分析，计算机构的自由度。该实验可提高学生的绘图能力，使其对机械结构分析有更深刻的认识，形成对现有机构进行分析的能力。齿轮范成实验是演示范成法加工渐开线齿轮的基本原理及渐开线齿轮齿廓曲线的形成过程，通过齿轮范成仪进行模拟齿轮切削过程，学生了解齿轮加工方法，掌握齿轮加工时产生的根切现象，学会正确加工齿轮的方法。带传动实验主要通过实验验证欧拉公式的正确性，使学生掌握摩擦传动的特性。
3.实验的虚拟实现
针对各实验，教师先利用三维建模软件如Solidworks、UG等进行机构的实体建模。然后利用三维建模软件中的运动仿真模块进行机构的运动仿真。在运动仿真中，可跟踪零件的运动轨迹，分析各构件的运动情况。将各个视角的运动图转化成视频文件，实验时点击相应视角，即可观察机构运动情况。学生可以选择机构运动的一个具体位置，用尺子测量机构的结构尺寸，用机构运动简图表述出机构，依据所画机构运动简图进行自由度计算，进行结构分析。范成实验进行演示，观察根切产生的原因，熟悉产生根切现象齿轮的形状，为实际工作中杜绝根切现象打下基础。带传动实验，调整带轮包角，对带施加初拉力，在临界打滑的状态，记录刻度盘上的刻度紧边拉力，验证欧拉公式。最后完成实验报告，上传到教师邮箱。
虚拟实验过程中最关键的是如何在网络的框架下，完成建模零件的虚拟装配，并且进行运动学仿真，检查各零件的干涉现象。为实现以上目的，首先要进行各零件进行建模，利用三维有限元软件如SolidWorks或UG进行各零件建模，如各种形状的杆件、不同类型的齿轮、凸轮及间歇运动机构。然后进行装配，利用软件自带功能，生成爆炸视图效果，转化成视频文件，供学生从不同角度观察复杂机构。更进一步，可以采用SolidWorks和3DMAX对机械组件进行实体建模；用CULT3D和JAVA结合对实体模型进行多视角处理，完成模型的平移、放缩、旋转等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）对动画中的实体模型进行轨迹控制；最后用网页技术将各种资源进行整合。利用SolidWorks运动仿真模块进行机构的运动仿真，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力，建立各种复杂的实际系统仿真模型。为了设计的动画和材质能够形象地演示出零件的基本结构和工作过程。在3D Studio MAX动画中，为模拟自然界中各种物体表现出来的千差万别的材料质感，应从三个方面定义模型的色彩特征，即色彩、纹理模型及属性。除定义几何物体的色彩外，还需定义光的色彩及类型。而运动轨迹的设定，则是在系统机械零部件动态过程虚拟设计中，采用关键帧法来设计运动轨迹。首先在某些帧（称为关键帧）预先设定好物体的位置及属性，然后在这些关键帧之间进行样条或线性插值来完成运动轨迹的设定。
采用Solidworks建立模型，完成了动态过程的设计后，要利用Cult3D对模型进行交互性设计，主要步骤：
（1）用3DMAX软件建立三维场景，然后将其通过相应的Cult3D export plug-in转换为Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型经过3DMAX软件进行转化，导出模型到Cult 3D Designer作为交互设计的对象。
（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打开，添加交互动作，并进行编辑。
（3）把制作好的文件保存为网页格式文件，Project文件制作完成后进行压缩就可以制作网页接收文件（*.co），最后将*.co文件嵌入HTML网页。
4.网络平台的搭建
虚拟实验教学平台面向教师、学生和实验管理员三大类对象，他们分布在网络终端，可以在任何使用TCP/IP连接网络的地方使用这个系统。该系统采用Client/Server两层结构，由本地虚拟实验管理服务器和远程客户组成，平台的网络传输使它们通过局域网或者INTERNET连接成一个有机的整体。实验的虚拟操作在学生本地机器上进行，而实验的管理配置，教师对学生的实验的教学交互则通过网络来实现，相对于很多把实验过程放在服务器上进行的平台来说，本平台减轻了服务器处理数据的压力，同时在当今网络带宽没有达到可能的时候，减少了系统内部之间信息的传输量，对网络速度的限制减少，因此更适合广大的大专院校使用，整个平台的构成如下图所示。
5.结语
机械基础网路实验系统不仅提供了良好的人机交互功能，而且提供了实验教学的新思路，大大降低机械学科的教育成本，改善相关实验的实训环境，优化教学过程，解决实验教学活动中普遍存在的实验设备不足、型号落后难以更新换代跟上科技发展的困难。实践表明，虚拟实验能节省教学资源，优化教学过程，激发学生的学习兴趣，有效提高教学质量。
参考文献：
[1]高江红.机械基础课程虚拟实验子系统的研发[J].南京工程学院学报（自然科学版），2003，1（1）：52.
[2]于英华，徐兴强.基于Pro/ENGINEER2001的减速器虚拟装配与运动仿真[J].机械设计与制造，2006（1）：103.
[3]江洪，陆利锋，魏峥等.Solidworks动画演示与运动分析实例[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]王国权.虚拟试验技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
项目支持：黑龙江省高等教育教学改革项目，构建具有商业机械特色的机械基础实验网络教学平台。
关键词： 机械基础 网络虚拟实验 教学平台
1.引言
机械基础课程是近机械类专业的一门重要专业基础课，具有理论与实际紧密联系的特征。其中实验教学是本门课程的重要组成部分，通过实验强化理论联系实际的能力。随着高校的不断扩招，学生人数众多，原有实验场地、仪器、实验教师均不能满足实验要求，影响了教学效果，因此实验改革势在必行。
2.机械基础实验的特点
根据教学大纲，机械基础实验包括：常用机构认知实验、机构运动简图的测绘实验、齿轮范成实验和带传动实验。常用机构认知实验主要是展示常用结构的形式，分析其工作原理，包括连杆机构、凸轮机构、圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮、蜗杆、齿轮系和间歇运动机构等内容。机构运动简图的测绘实验，为学生展示较为复杂的机构，像多杆机构、齿轮连杆组合机构、凸轮与连杆组合机构等。让学生动手对这些机构进行测绘，绘制出机构运动简图，进行机构的结构分析，计算机构的自由度。该实验可提高学生的绘图能力，使其对机械结构分析有更深刻的认识，形成对现有机构进行分析的能力。齿轮范成实验是演示范成法加工渐开线齿轮的基本原理及渐开线齿轮齿廓曲线的形成过程，通过齿轮范成仪进行模拟齿轮切削过程，学生了解齿轮加工方法，掌握齿轮加工时产生的根切现象，学会正确加工齿轮的方法。带传动实验主要通过实验验证欧拉公式的正确性，使学生掌握摩擦传动的特性。
3.实验的虚拟实现
针对各实验，教师先利用三维建模软件如Solidworks、UG等进行机构的实体建模。然后利用三维建模软件中的运动仿真模块进行机构的运动仿真。在运动仿真中，可跟踪零件的运动轨迹，分析各构件的运动情况。将各个视角的运动图转化成视频文件，实验时点击相应视角，即可观察机构运动情况。学生可以选择机构运动的一个具体位置，用尺子测量机构的结构尺寸，用机构运动简图表述出机构，依据所画机构运动简图进行自由度计算，进行结构分析。范成实验进行演示，观察根切产生的原因，熟悉产生根切现象齿轮的形状，为实际工作中杜绝根切现象打下基础。带传动实验，调整带轮包角，对带施加初拉力，在临界打滑的状态，记录刻度盘上的刻度紧边拉力，验证欧拉公式。最后完成实验报告，上传到教师邮箱。
虚拟实验过程中最关键的是如何在网络的框架下，完成建模零件的虚拟装配，并且进行运动学仿真，检查各零件的干涉现象。为实现以上目的，首先要进行各零件进行建模，利用三维有限元软件如SolidWorks或UG进行各零件建模，如各种形状的杆件、不同类型的齿轮、凸轮及间歇运动机构。然后进行装配，利用软件自带功能，生成爆炸视图效果，转化成视频文件，供学生从不同角度观察复杂机构。更进一步，可以采用SolidWorks和3DMAX对机械组件进行实体建模；用CULT3D和JAVA结合对实体模型进行多视角处理，完成模型的平移、放缩、旋转等功能；以VirTools和VSL（Virtools scripting Language）对动画中的实体模型进行轨迹控制；最后用网页技术将各种资源进行整合。利用SolidWorks运动仿真模块进行机构的运动仿真，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力，建立各种复杂的实际系统仿真模型。为了设计的动画和材质能够形象地演示出零件的基本结构和工作过程。在3D Studio MAX动画中，为模拟自然界中各种物体表现出来的千差万别的材料质感，应从三个方面定义模型的色彩特征，即色彩、纹理模型及属性。除定义几何物体的色彩外，还需定义光的色彩及类型。而运动轨迹的设定，则是在系统机械零部件动态过程虚拟设计中，采用关键帧法来设计运动轨迹。首先在某些帧（称为关键帧）预先设定好物体的位置及属性，然后在这些关键帧之间进行样条或线性插值来完成运动轨迹的设定。
采用Solidworks建立模型，完成了动态过程的设计后，要利用Cult3D对模型进行交互性设计，主要步骤：
（1）用3DMAX软件建立三维场景，然后将其通过相应的Cult3D export plug-in转换为Cult 3D（*.c3d）文件格式。模型经过3DMAX软件进行转化，导出模型到Cult 3D Designer作为交互设计的对象。
（2）用Cult 3D Designer把*.c3d打开，添加交互动作，并进行编辑。
（3）把制作好的文件保存为网页格式文件，Project文件制作完成后进行压缩就可以制作网页接收文件（*.co），最后将*.co文件嵌入HTML网页。
4.网络平台的搭建
虚拟实验教学平台面向教师、学生和实验管理员三大类对象，他们分布在网络终端，可以在任何使用TCP/IP连接网络的地方使用这个系统。该系统采用Client/Server两层结构，由本地虚拟实验管理服务器和远程客户组成，平台的网络传输使它们通过局域网或者INTERNET连接成一个有机的整体。实验的虚拟操作在学生本地机器上进行，而实验的管理配置，教师对学生的实验的教学交互则通过网络来实现，相对于很多把实验过程放在服务器上进行的平台来说，本平台减轻了服务器处理数据的压力，同时在当今网络带宽没有达到可能的时候，减少了系统内部之间信息的传输量，对网络速度的限制减少，因此更适合广大的大专院校使用，整个平台的构成如下图所示。
5.结语
机械基础网路实验系统不仅提供了良好的人机交互功能，而且提供了实验教学的新思路，大大降低机械学科的教育成本，改善相关实验的实训环境，优化教学过程，解决实验教学活动中普遍存在的实验设备不足、型号落后难以更新换代跟上科技发展的困难。实践表明，虚拟实验能节省教学资源，优化教学过程，激发学生的学习兴趣，有效提高教学质量。
参考文献：
[1]高江红.机械基础课程虚拟实验子系统的研发[J].南京工程学院学报（自然科学版），2003，1（1）：52.
[2]于英华，徐兴强.基于Pro/ENGINEER2001的减速器虚拟装配与运动仿真[J].机械设计与制造，2006（1）：103.
[3]江洪，陆利锋，魏峥等.Solidworks动画演示与运动分析实例[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]王国权.虚拟试验技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
项目支持：黑龙江省高等教育教学改革项目，构建具有商业机械特色的机械基础实验网络教学平台。