机电专业虚拟仿真实验平台建设

    周伟彬 汪枫 唐文辉 张琳 任磊

    

    

    

    摘?要：针对机电专业传统实验教学模式存在的问题，空军预警学院深入开展虚拟仿真实验教学研究，构建机电专业虚拟仿真实验平台，实现了多媒体技术、虚拟仿真技术的深度融合。实践效果表明，该虚拟仿真实验平台能够充分调动学生的积极性，提高教学实训效率。

    关键词：虚拟仿真;实验平台;机电专业

    中图分类号：G647?文献标识码：A

    近些年我国经济快速发展，制造业规模已成为全球第一，逐步建立起种类齐全、相对完整的制造业体系，但与发达国家相比仍有较大差距，尤其是自主创新能力弱、核心技术与尖端装备对外依赖程度高。要成为制造业强国，就需要一大批高技能的机电一体化复合型人才，如何培养出满足社会要求的人才是高校建设过程中很重要的问题。人才培养的核心是课程体系建设，其中实验教学是重要的一环[1-2]。

    实验教学作为学生实践能力和创新能力培养的重要载体，需要有相应的实验教学平台作为支撑[3]。传统实验教学以实体设备为对象，采用实物展示或动手操作的形式，具有直观、真实、简捷的优点，但存在着操作空间受限、运行成本过高、开放共享困难等不足。虚拟仿真实验教学能够减少场地对实验结果的影响、降低实验成本、避免实验危险，丰富实体教学的体验，拓展学生视野;同时极大地调动学生对实验课程的积极性，引导学生主动思考、主动探索，有利于学生掌握和理解相关知识重点[4-7]。

    虚拟仿真实验毕竟不是真实实验，其本身存在局限性，模拟实验软件的功能也可能不尽如人意，导致学生对结果真实性持怀疑态度[8]。因此，本文的研究采取实际教学与虚拟教学相互补充的策略，大力开发完善虚拟仿真软件，增强软件的操作性和趣味性，培养学生科研兴趣，提高学生的自主探究能力。本文讨论了虚拟仿真实验建设的思路，分析了平台建设的具体措施，为其他平台的建设提供借鉴与参考。

    1 平台建设基本要求

    1.1 建设内容

    机电类专业信息化教学需要构建软件模型库，本文采用三维软件开发电机关键部件，具备实现电机工作原理、典型电机拆装与维护的虚拟演示等功能。其中电机三维模型库是平台建设的基础，主要包括电机的三维立体模型及动画。考虑到实际教学需要，电机上明显的细小部件、管线、螺母均进行建模，电机模型与实际电机相似度90%以上。针对教学实际应用场景进行分析，制作灯光渲染和烘焙材质光影，更高层次地体现虚拟场景美观度和真实性。

    结合机械实验教学的特点，按照实验教学虚实互补的原则，构建“三平台、八模块”的机电专业虚拟仿真实验教学体系，如图1所示。三平台为基础性实验虚拟仿真平台、工程型实验仿真平台和创新性实验虚拟仿真平台，包含了原理类实验模块、认知类实验模块、设计类实验模块、制造类实验模块、专业实习模块、工程训练模块、综合创新类实验模块、竞赛创新类实验模块等8个模块的虚拟仿真实验教学内容。该体系涵盖空军预警学院机电工程学科的所有实验教学，可满足士官、本科及研究生等不同阶段的人才培养需求。

    1.2 研发标准

    系统平台采用Microsoft Windows 7及以上版本操作系统，系统应具备较强的扩展能力且向下兼容，支持未来的发展和升级，并且能够有效防止因系统资源消耗过多而导致系统异常崩溃。所有的软硬件设计开发符合国家标准及技术规范。充分利用现有硬件设备，以减少不必要的资源浪费。任何一个模块维护更新不应影响其他模块，在升级过程中不影响系统的性能与正常运行，保证系统可以稳定、平滑过渡。系统应具有良好的操作界面、详细的帮助信息。具备安全管理机制，保证信息存储安全和处理安全，保证系统能够正常运行，不被非授权访问，不被攻击破坏。

    2 平台总体设计

    2.1 技術架构

    该平台利用计算机仿真各种物理工程技术，构造一种以训练和教学为目的仿真培训系统，在某种程度上再现一个真实行为。本文的设计思路是通过对电机关键设备装配工艺流程、设备结构原理等内容进行深入分析，搭建一套电机关键部件仿真平台，可将设备模型系统载入并实现虚拟交互功能，可精确演示电机设备机构及特性，提供交互组成结构教学、虚拟拆装、使用维护、工作原理教学。系统功能框架如图2所示。

    其中，框架图中的各层描述如下：

    （1）应用层：包含业务处理的逻辑，包括用户认证、登录、授权、组成结构、设备组装、设备拆卸、设备维护、工作原理仿真教学等基本功能;

    （2）支撑层：包括整个系统的网络协议、软件技术及模型支撑，可以保证大数据量的吞吐;

    （3）数据层：用于存储和管理各种数据，包括设备、工器具精确模型、场景数据库、规范、标准资料数据、学院信息数据及考试数据等。

    2.2 仿真机理

    本系统平台具有真实物理属性的仿真能力，在精确模型载入后，系统平台应可以针对模型物理特性进行正确呈现，包括：

    （1）能够支撑大数据量模型的展现，能够同时对环境、产品、现场设备、操作人员等真实产品及环境情况进行展示。

    （2）在物体遇到干涉情况时，能够根据操作施力方向，使物体沿着干涉表面形成划动或被挤压的运动过程，使零部件能够真实反映在物体接触条件下的运动状态。

    （3）在动态干涉检测过程中，能够根据操作方向及加速度，给予明确的碰撞提示。

    （4）具备装配位置自动捕获的功能，当通过交互设备拖拽零部件接近最终装配位置时，可根据周围零部件位置及形状自动提前判断是否能够装配成功，并且通过不同颜色的预装配区域进行提示。

    （5）在对运动进行描述的同时，该虚拟仿真系统能够对机构的复杂运动进行仿真，通过定义运动机构的物理约束，模拟机构发生的形状及位置变化[9-10]。

    2.3 仿真与建模实现

    模拟与场景设计主要应用3Dmax、Photoshop和zbrush等软件。3Dmax主要解决3D模型的设计制作问题，Photoshop主要解决图片处理问题，zbrush主要解决人物模型贴图的处理问题。

    几何数据采集内容主要包括电机设备的高度、长度、基地形状及尺寸、立面形状及尺寸、顶面形状及尺寸、断面形状及尺寸、断面尺寸等实物的几何外观框架尺寸以及内部部件的尺寸数据。几何数据采集的方式包括从图纸资料中提取、近景拍摄测量、三维激光扫描、全站仪测量。

    纹理数据采集内容主要包括电力设备设施的外立面或表面的完整影响信息、局部影响信息、材质视觉颜色信息等。纹理数据采集的方式包括摄影和计算机模拟制作，摄影所获取的图像、视频资料是其主要采集方式，也是最真实有效的方式，简单的模型纹理可通过计算机模拟制作来获取。

    属性数据采集信息内容主要包括电力设备设施建模所需的固有内容采集，如电力设备的设备编号、名称、电压等级、型号及材质。属性数据采集通过电力设备出厂资料、图纸资料、生产管理信息、实地调查等方式来获取。

    2.4 平台集成

    将仿真教学设计到的静态模型和动画过程沉入虚拟仿真支撑平台，包括：模型开发、组合装配、模型优化、模型轻量化处理、场景渲染、设备渲染、设备逻辑流程组合等。为了实现基于虚拟仿真教学的场景化应用，将3D精确模型进行技术处理和转化，作为虚拟仿真教学的场景模型数据，实现模型的逼真呈现。

    3 平台的教学实践

    机电专业虚拟仿真实验教学中心于2018年正式组建，自建立以来，开设线上线下教学模式改革课程7门、实验项目27个、实验涉及9部教材。各实验课程教学秩序良好，平台运行平稳。教师通过虚拟仿真系统指导近百名学员完成课程设计，指导二十余名学员参加院校学科竞赛并获奖。该综合实验平台使用后的统计（如下表所示）表明，士官及本科学员应用平台开展基础性和工程性实验较多，研究生学员应用平台开展创新性实验较多，体现了该平台对不同层次学员、不同课程具有很好适应性。

    经过一年多的建设实践，我院机电实验室虚拟仿真实验教学中心已经初具规模，师生反映良好，其在促进学生工程实践能力培养中的角色得到了广泛认同，学生工程实践能力提升效果明显。在后续建设中，虚拟仿真中心会覆盖更多实验项目，并实现与兄弟院校的开放共享。

    4 结语

    虚拟仿真实验教学中心建设工作顺应了高等教育的发展趋势，是高等院校实验教学信息化的最新举措，必将对我国高等教育的质量提高产生积极而重要的作用[11-12]。目前，我院的模拟系统仍处于起步阶段，未来需要根据教学过程出现的问题做适当完善。主要从以下两方面进行完善：一方面以学生发展为中心，立足学生创新精神、综合素质与实践能力的协调发展，促进其自主学习与个性化学习;另一方面，以解决问题为中心，结合实际问题中的相关项目案例，构建虚拟实体互补的新型教学模式。

    参考文献：

    [1]程春雨，周晓丹，王开宇，等.基于教育信息化的模拟电路虚拟仿真实验建设[J].实验技术与管理，2018，35（7）：152-158.

    [2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

    [3]刘军，施晓秋，金可仲.面向地方院校工程教育类专业的虚拟仿真实验教学中心建设[J].中国大学教学，2017（1）：74-78.

    [4]高晓新，金耀，马江权，等.互联网虚拟仿真教学培训系统建设探讨[J].实验技术与管理，2017，34（1）：140-142.

    [5]宋正河，陈度，董向前，等.机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J].实验技术与管理，2017，34（1）：5-9.

    [6]王朕，秦亮，肖支才.测控技术与虚拟仪器综合实验平台的设计[J].实验技术与管理，2018，35（6）：113-117.

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    [8]周爱保，高学德.论发展中大学实验室建设的策略[J].西北师范大学学报（自然科学版），2005（5）：90-92.

    [9]冯清秀，邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2013：5-17.

    [10]郑文纬，吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社，1997：9-25.

    [11]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设，提高高校实验教学信息化水平[J].实验技术与管理，2013，32（11）：5-8.

    [12]苏珉，于明灏.军校虚拟仿真实验室的建设[J].实验技术与管理，2017，34（增刊1）：155-157.

    基金项目：湖北省自然科学基金项目（2019CFB263）

    作者简介：周伟彬（1991—?），男，山东烟台人，硕士，讲师，主要从事机电传动控制方面的教学科研工作。