簡(jiǎn)析基于web 的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)論文
實(shí)驗(yàn)是機(jī)械課程中必不可少的一部分，學(xué)生可以通過(guò)機(jī)械實(shí)驗(yàn)操作更好的更深入理解所學(xué)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與機(jī)械理論，但當(dāng)前受成本及空間的限制，很多高校的機(jī)械實(shí)驗(yàn)體系并不是特別完善，且當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑嗤Ａ粼趯?shí)體模型操作階段，其實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，受空間及成本約束較大。而虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則不同，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不受空間時(shí)間的限制，且其機(jī)械模型不需要維護(hù)與定期更換，大大降低了成本。因此，基于當(dāng)前機(jī)械實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀提出了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案。
1 國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀與分析
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建還是比較成功的，例如英國(guó)開(kāi)放的大學(xué)開(kāi)發(fā)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室已基本能夠在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的所有功能，學(xué)生可以從網(wǎng)站上下載虛擬模擬儀器軟件進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，也可以借助遙控儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，但也有不少成功的案例，例如北京航空航天大學(xué)的機(jī)械與控制工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、吉林大學(xué)的機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、華中科技大學(xué)的機(jī)械學(xué)科虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等等。總之，當(dāng)前虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)雖然取得了一定的成果，但自身的實(shí)驗(yàn)環(huán)境受一定時(shí)間和空間的限制，不能時(shí)時(shí)的提供給學(xué)生一個(gè)自主設(shè)計(jì)和分析的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)研究路線(xiàn)
2.1.1 以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為開(kāi)發(fā)對(duì)象，分析其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及過(guò)程，采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程分析，完成需求分析報(bào)告。
2.1.2 根據(jù)需求分析報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)(數(shù)據(jù)層)、業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)(各種被封裝的Web 實(shí)例) 和物理設(shè)計(jì)(功能設(shè)計(jì))，進(jìn)而完成三層分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)。
2.1.3 確定使用Visual Studio2015 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)Web 程序，利用SQL Server2008 完成數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)，選定Pro/Engineer、3D MAX、Unity3D等軟件進(jìn)行3D 模型的構(gòu)建。
2.1.4 完成平臺(tái)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，包括虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及平臺(tái)管理三大模塊。進(jìn)行開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)。
2.1.5 進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)3D 模型的構(gòu)建，利用Pro/Engineer、3D MAX、Unity3D 建立起所需要各部分機(jī)械零件模型。
2.1.6 完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各功能模塊的集成與測(cè)試，將Web 程序和3D 建模相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能。
2.1.7 完善并優(yōu)化開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，網(wǎng)上試運(yùn)行。
2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)
基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Web 技術(shù)開(kāi)發(fā)一套功能完備、通用性強(qiáng)的適合Web 環(huán)境的開(kāi)放式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，主要包括在線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理及平臺(tái)管理維護(hù)三大功能，平臺(tái)的具體功能為在線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)、在線(xiàn)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的智能批改、在線(xiàn)交流討論和成績(jī)管理等，其中在線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了減速器拆裝實(shí)驗(yàn)、常用機(jī)構(gòu)和通用件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)等。
3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的開(kāi)發(fā)工具為Microsoft Visual Studio2015 和SQL Server 2008, 同時(shí)利用ASP.NET 技術(shù)和C#.NET 網(wǎng)頁(yè)編程語(yǔ)言，并結(jié)合ADO.NET 數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)完成了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)包含三個(gè)角色管理員、教師和學(xué)生，他們分別具有不同的操作權(quán)限。當(dāng)?shù)卿洷鞠到y(tǒng)后，管理員具有最高權(quán)限，可在其界面添加、修改、刪除用戶(hù);教師可通過(guò)在線(xiàn)頁(yè)面查詢(xún)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放情況，并可以根據(jù)自己的課程情況開(kāi)放或關(guān)閉實(shí)驗(yàn);學(xué)生可通過(guò)在線(xiàn)系統(tǒng)預(yù)約、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且可以在查詢(xún)界面查詢(xún)自己的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。現(xiàn)已完全實(shí)現(xiàn)零件認(rèn)知虛擬實(shí)驗(yàn)和減速器拆裝虛擬實(shí)驗(yàn)，零件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)界面。減速器拆裝實(shí)驗(yàn)界面，本平臺(tái)的減速器為一級(jí)減速器，其主要構(gòu)件為箱蓋、箱座、齒輪軸、齒輪、軸承等零件和螺栓。學(xué)生可通過(guò)拖動(dòng)左側(cè)零件庫(kù)中的零件進(jìn)行減速器的安裝，在裝配完成后，可進(jìn)行減速器的拆除實(shí)驗(yàn)。同時(shí)學(xué)生可通過(guò)工具欄進(jìn)行減速器零件參數(shù)的`測(cè)繪。
對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)，采用的開(kāi)發(fā)工具為CREO3.0 與Unity3D，其中，各種機(jī)械零件的建模均采用CREO3.0 軟件進(jìn)行建模，同時(shí)減速器的組裝也是使用CREO3.0 進(jìn)行裝配，利用CREO3.0 導(dǎo)出obj 文件，直接使用obj 文件將模型導(dǎo)入U(xiǎn)niyt3D 中，其虛擬實(shí)驗(yàn)操作界面等部分均是采用Unity3d 技，對(duì)于模型按鈕的控制以及旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，則使用的是Unity3D 中的腳本功能。
4結(jié)束語(yǔ)
基于web 的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)，不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成本，并且節(jié)約了時(shí)間、空間和材料。同時(shí)使學(xué)生可以不受時(shí)間空間的限制，隨時(shí)隨地的進(jìn)行機(jī)械實(shí)驗(yàn)，吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)該平臺(tái)也是教師得力的教學(xué)工具。
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