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虛擬實驗技術在教學中的要點問題.42.5虛擬實驗技術在教學中的意義.53關于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滾動軸承設計實例.135虛擬實驗室的實現形式.185.1虛擬實驗室的建立.185.2虛擬實驗室的實現形式.196虛擬實驗室的前景展望.197結束語.20致謝.20參考文獻.201引言許多研究工作表明，使用豐富的教學方法和教學手段對提高學生的學習效果具有非常重要的意義。利用計算機教學是當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，應用計算機進行教學還遠沒有發(fā)揮計算機這一現代化高科技設備的作用。計算機輔助教學對理工科來說，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。虛擬現實技術是近年來迅速發(fā)展的新的人機接口技術，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)中采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓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，網絡時代信息化社會的到來正一步步推動高等學校教育改革，學生對教師的依賴性減少，課堂教學受到挑戰(zhàn)，在網絡上建立電子教室、電子黑板，學生在網上虛擬大學學習的新型教育模式已悄然而致。在遠程教學模式中特別需要建立和應用基于飛網絡的虛擬實驗系統(tǒng)，因為實驗是多數工程類課程和應用類課程的重要一環(huán)，缺少了實驗動手的機會，課程的教學效果將大打折扣。一個好的虛擬實驗系統(tǒng)尤其是乃刃網上運行的系統(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，還達不到驗證學生的設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，虛擬實驗室已經成為教師教學和學生學習的好助手。近年來國內外許多高等院校及科研機構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，用戶可以通過網絡能夠身臨其境地觀察實驗現象，給用戶一個基于網絡的技術交流、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絡為核心，將虛擬儀器通過網絡連接起來，以實現數據采集、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備，對建立起來的實驗模型進行實時仿真，構成新型的教學實驗。一些基礎性實驗，如物理實驗、機械基礎實驗、電子技術實驗、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。虛擬實驗的應用和發(fā)展，是對傳統(tǒng)實驗教學模式的補充和完善。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)境應該達到使實驗者難以分辨真假的程度（例如可視場景應隨著視點的變化而變化），甚至比真的還“真”（如實現比現實更逼真的照明和音響效果）。2開放性虛擬實驗室內涵的開放性，使操作器具更加廣泛、信息的內容更加豐富、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，使它通過遠程網絡覆蓋全民化，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、數量等的限制，人人獲得自由通過虛擬實驗室進行實驗之權利，人們期望已久的“實驗儀器設備資源共享”的“全球實驗室”理想有望真正實現。3超時空性虛擬實驗室具有超時空的特點，它能夠將過去世界、現在世界、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域實際運用的必備特性，對于教育來說，它使學生得以在其中學習需要實際操作的實驗課程，也使遠程實驗教學可能真正實現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，掌握相關技術；能滿足不同知識背景學生的要求，根據其能力、實驗經驗等調整資源模塊(如設備、組件、儀器、生成器、數據采集板等)，保證學生在單獨使用模擬環(huán)境時能進行各種實驗操作。（2）輔助設計功能例如現代電子系統(tǒng)的設計與分析，是運用EDA(ElectronicDesignAutoma2tion)，在分布式網絡環(huán)境下，在EDA平臺上進行設計、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構和參數，反復觀察實驗的結果，并動態(tài)顯示電路的波形。（3）協(xié)同實驗和研究功能。虛擬實驗室利用當前網絡技術和設施，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研究課題，大型和復雜產品的設計和制造等。2.4虛擬實驗技術在教學中的要點問題（1）網絡虛擬實驗室的軟件系統(tǒng)應易于維護并具備擴展性在軟件設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，網絡應用程序必須采用跨平臺設計方案，這樣才能保證網絡虛擬實驗室的不斷發(fā)展和完善。（2）網絡虛擬實驗室的系統(tǒng)運行應保證安全性與可靠性要求系統(tǒng)全天候安全穩(wěn)定運行。網絡管理員應定期對網絡進行安全維護，對重數據進行備份。建設網絡虛擬實驗室則可在同一臺微機上虛擬出數十種儀器來,實驗室建設時間明顯縮短,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,將會有更多的學生能使用實驗室,更重要也更實際地是建設的資金成本大幅下降。網絡虛擬實驗室還可供多種學科的實驗教學共同使用,多室合一提高了使用效率。因此可以說網絡虛擬實驗室為實驗教學轉型解決了最大的成本難題。（3）虛擬實驗的設計應注重交互性。網絡虛擬實驗室在技術上為人機間、師生間、學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生的綜合實驗技能，虛擬實驗設計時必須注重在實驗過程中增強交互性。教學人員需要從根本上利用好虛擬實驗室的實質性作用，要培養(yǎng)以學生為中心的實驗模式，讓學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）虛擬實驗的設計應注重科學性。由于第一代互聯網技術與服務器硬件設備的制約，在眾多師生做實驗時，大量的視頻文件在網絡上傳送必然會造成服務器沉重負擔，能否通過實驗來驗證科學規(guī)律的基本原則失去保障，即網絡傳輸質量會直接影響實驗的教學效果。為了保證虛擬實驗的科學性，虛擬實驗設計應當是經過認真論證的。不同類型的實驗對網絡傳輸水平要求也是不同的。對網絡傳輸質量要求高的實驗在設計時，如果網絡環(huán)境無法滿足要求，較好的策略是用戶終端將服務器端的實驗數據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，對網絡傳輸質量要求不高的實驗，學生的虛擬實驗可以在線進行。（5）軟件開發(fā)應成為虛擬實驗室建設和開發(fā)的重點。往往在實驗室的建設中，對有形資產的投入容易達成共識，而對無形資產的投入則顯得不足?，F階段，許多高等院校的虛擬實驗室的軟件平臺的核心技術主要采用國外的產品，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虛擬實驗技術在教學中的意義（1）網絡虛擬實驗室可大幅降低實驗室改造、建設與維護的資金、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)設備有的已經老化，有的技術上有些落后。在學科理論不斷深入和發(fā)展的同時，實驗教學儀器設備的陳舊老化影響著實驗結果的可靠性和穩(wěn)定性，有時還難以闡述理論問題，已明顯不能滿足學生學習的基本需求。但在當前學校經費較少的情況下，如果更新全套實驗室設備，不僅價格昂貴不符合目前學校的實際，而且隨著測試儀器的數字化、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）提高學生接受新事物的能力虛擬實驗技術是一種先進的學習工具，是多學科技術發(fā)展的綜合。隨著水平的不斷提高，虛擬實驗技術將不再是純虛擬環(huán)境，很多軟件都能和互聯網連接，實現遠程實驗，實現軟件對實驗的控制和對實驗數據的處理和分析。（3）節(jié)省實驗經費，保證試驗安全在實驗教學中，以往會因為實驗設備、場地、經費等方面的原因，使一些應該開設的實驗無法進行。利用虛擬實驗技術，可以彌補這些方面的不足，學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，加深對教學內容的理解。（4）徹底打破空間和時間的限制利用虛擬實驗技術，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小至原子粒子，學生都可以進入這些物體的內部進行觀察，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，通過虛擬現實技術，可以在很短的時間內呈現給學生。隨著網絡建設日益完善，網絡速度和寬帶不再成為制約網絡虛擬實驗教學的瓶勁。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)學生的動手能力、培養(yǎng)學生的誤差能力等方面還不可能取代傳統(tǒng)的實驗教學方式。因此，在日常的實驗教學中，要注意兩種方式的相互結合，更好地指導學生實驗。3關于SolidWorkersCAD/CAM(ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing)技術是制造工程技術與計算機技術相互結合、相互滲透而發(fā)展起來的一項綜合性應用技術。自20世紀50年代問世以來CAD/CAM技術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、經濟效益高等優(yōu)點是當今制造技術的重要組成部分。SolidWorks是基于Windows平臺的優(yōu)秀的CAD/CAM集成系統(tǒng)。采用參數化和特征造型技術，能方便、快捷地創(chuàng)建任何復雜形狀的實體。而具有參數化的實體能夠通過對尺寸的修改來進行編輯，實現參數驅動。在產品開發(fā)整過周期中，不斷存在著設計的變更，參數化的建模方式大大增強了設計的靈活性，方便工程師實現設計意圖。設計工程師在自己的桌面計算機上實現產品的設計、分析、數控加工和完成后期的系列產品報告，而有關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實現無縫集成。“基于Windows的桌面集成系統(tǒng)”是一個單一的設計工具，而是以SolidWorks為核心的各種應用的場合，如結構分析、運動分析、工程數據管理和數控加工等。這些模塊功能通過SolidWorks插件的形式出現。由于使用了WindowsOLE技術，直觀式設計技術，先進的Parasolid內核以及與第三方軟件的集成技術，SolidWorkes的發(fā)展勢頭迅猛成為流行的三維設計軟件。4虛擬實驗室的建立基于SolidWorkes的虛擬實驗室就是在以SolidWorkes作為設計軟件，設計出各種機械零件，組成虛擬的機械運動裝置，模擬機械運動，搜集運動參數，以達到實驗的效果。在本論文中我們重點解決零件的設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，但兩者的工作性質不同，在技術要求上有差別。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，螺母及螺栓和螺釘的畫法。例：建立六角螺母的模型：六角螺母GB/T41-2000M12。由數據庫得到數據：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“添加幾何關系