基于SOLIDWOKES的虚拟实验室.doc

目录1引言.22虚拟实验室.22.1虚拟实验室的概念.32.2虚拟实验室的特点.32.3虚拟实验室主要具有下述主要功能:.32.4虚拟实验技术在教学中的要点问题.42.5虚拟实验技术在教学中的意义.53关于SolidWorkers.64虚拟实验室的建立.64.1螺纹连接和螺纹旋传动.64.1.1螺纹的简介.64.1.2螺纹的画法.74.2键、花键、无键连接和销连接.94.2.1键的简介.94.2.2键的画法.104.3滑动轴承.124.3.1滑动轴承简介.124.3.2滑动轴承的画法.124.4滚动轴承.134.4.1滚动轴承简介.134.4.2滚动轴承设计实例.135虚拟实验室的实现形式.185.1虚拟实验室的建立.185.2虚拟实验室的实现形式.196虚拟实验室的前景展望.197结束语.20致谢.20参考文献.201引言许多研究工作表明，使用丰富的教学方法和教学手段对提高学生的学习效果具有非常重要的意义。利用计算机教学是当今和未来各层次教育发展的一个重要方面，在高等教育中，应用计算机进行教学还远没有发挥计算机这一现代化高科技设备的作用。计算机辅助教学对理工科来说，除利用文字、声音和图像等多媒体功能外，还应该利用计算机模拟和仿真各种实验仪器和实验过程。虚拟现实技术是近年来迅速发展的新的人机接口技术，它有三个重要的特征高度的沉浸感、可信度和交互性。虚拟现实的目标是让使用者尽可能地相信自己真的处在计算机所生成的环境中，而不是一个外部的观察者。在一个理想的虚拟环境中，使用者根本无法确定他们面对的计算机所仿真的环境还是面对的一个真实世界15。所谓虚拟实验室指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中取得的效果。目前，网络时代信息化社会的到来正一步步推动高等学校教育改革，学生对教师的依赖性减少，课堂教学受到挑战，在网络上建立电子教室、电子黑板，学生在网上虚拟大学学习的新型教育模式已悄然而致。在远程教学模式中特别需要建立和应用基于飞网络的虚拟实验系统，因为实验是多数工程类课程和应用类课程的重要一环，缺少了实验动手的机会，课程的教学效果将大打折扣。一个好的虚拟实验系统尤其是乃刃网上运行的系统则是人们快速、廉价地获取各种知识和技能的重要场所。从目前国际和国外所建立的虚拟实验室来看，大部分虚拟实验室都停留在演示阶段，还达不到验证学生的设计思想正确性的效果。而那种成熟的完全可以有高度沉浸感的虚拟实验室却是一个必然的趋势。替代真实实验室的虚拟实验室却几乎没有。然而建立虚拟实验室的条件正在日渐完善。完善的虚拟实验室的建立指日可待。2虚拟实验室随着教育信息化的不断进步，虚拟实验室已经成为教师教学和学生学习的好助手。近年来国内外许多高等院校及科研机构纷纷提出了虚拟实验室的概念，利用图形、语音、视频、动画等多种技术，用户可以通过网络能够身临其境地观察实验现象，给用户一个基于网络的技术交流、共同研究的平台。2.1虚拟实验室的概念所谓的虚拟实验室就是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析，远程操作的一个系统16。而虚拟实验，就是按照实验教学的基本要求，建立虚拟的工程实验环境，运用各种虚拟实验仪器仪表和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的教学实验。一些基础性实验，如物理实验、机械基础实验、电子技术实验、自动控制原理与系统实验等，都可以采用虚拟的方法进行实验。虚拟实验的应用和发展，是对传统实验教学模式的补充和完善。2.2虚拟实验室的特点虚拟实验室的特点与现实的实验室相比，虚拟实验室具有它的许多优势和特点，归纳起来有下面几个：1仿真性理想的虚拟实验室环境应该达到使实验者难以分辨真假的程度（例如可视场景应随着视点的变化而变化），甚至比真的还“真”（如实现比现实更逼真的照明和音响效果）。2开放性虚拟实验室内涵的开放性，使操作器具更加广泛、信息的内容更加丰富、实验形式更加多样，实验环境呈立体地与人的多维器官相互作用。虚拟实验室外延的开放性，使它通过远程网络覆盖全民化，实验者不分性别、国别、种族、贫富等差异，实验操作不分时间、空间、条件、形式、数量等的限制，人人获得自由通过虚拟实验室进行实验之权利，人们期望已久的“实验仪器设备资源共享”的“全球实验室”理想有望真正实现。3超时空性虚拟实验室具有超时空的特点，它能够将过去世界、现在世界、未来世界、微观世界、宏观世界、客观世界、主观世界、幻想世界等拥有的物体和发生的事件单独呈现或进行有机组合，并可随时随地提供给实验者进行实验。4可操作性可操作性是虚拟实验室可在教育或其它领域实际运用的必备特性，对于教育来说，它使学生得以在其中学习需要实际操作的实验课程，也使远程实验教学可能真正实现17。2.3虚拟实验室主要具有下述主要功能:（1）教育功能让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置来熟悉实验过程，掌握相关技术；能满足不同知识背景学生的要求，根据其能力、实验经验等调整资源模块(如设备、组件、仪器、生成器、数据采集板等)，保证学生在单独使用模拟环境时能进行各种实验操作。（2）辅助设计功能例如现代电子系统的设计与分析，是运用EDA(ElectronicDesignAutoma2tion)，在分布式网络环境下，在EDA平台上进行设计、下载、综合、仿真，然后在实际条件下进行测试。EDA模拟软件将仪器、仪表、模拟器件、数字器件等直观地反映在计算机屏幕上，可灵活地改变电路结构和参数，反复观察实验的结果，并动态显示电路的波形。（3）协同实验和研究功能。虚拟实验室利用当前网络技术和设施，使参与试验的人员在远程相互合作，进行试验研究，为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的分布式问题解决环境。虚拟实验室的研究可以用于许多方面，例如世界范围的大的科学研究课题，大型和复杂产品的设计和制造等。2.4虚拟实验技术在教学中的要点问题（1）网络虚拟实验室的软件系统应易于维护并具备扩展性在软件设计上要采用跨平台的组件原则，以便于维护和管理。图像、声音、动画等采用标准格式，网络应用程序必须采用跨平台设计方案，这样才能保证网络虚拟实验室的不断发展和完善。（2）网络虚拟实验室的系统运行应保证安全性与可靠性要求系统全天候安全稳定运行。网络管理员应定期对网络进行安全维护，对重数据进行备份。建设网络虚拟实验室则可在同一台微机上虚拟出数十种仪器来,实验室建设时间明显缩短,空间占用也相对浓缩,而且人机空间占比大幅度地偏向人的一方,将会有更多的学生能使用实验室,更重要也更实际地是建设的资金成本大幅下降。网络虚拟实验室还可供多种学科的实验教学共同使用,多室合一提高了使用效率。因此可以说网络虚拟实验室为实验教学转型解决了最大的成本难题。（3）虚拟实验的设计应注重交互性。网络虚拟实验室在技术上为人机间、师生间、学生间的顺畅交互提供了可能。因此为了可以更全面正地评价学生的综合实验技能，虚拟实验设计时必须注重在实验过程中增强交互性。教学人员需要从根本上利用好虚拟实验室的实质性作用，要培养以学生为中心的实验模式，让学生通过实验增强综合运用知识来分析和解决实际问题的能力。（4）虚拟实验的设计应注重科学性。由于第一代互联网技术与服务器硬件设备的制约，在众多师生做实验时，大量的视频文件在网络上传送必然会造成服务器沉重负担，能否通过实验来验证科学规律的基本原则失去保障，即网络传输质量会直接影响实验的教学效果。为了保证虚拟实验的科学性，虚拟实验设计应当是经过认真论证的。不同类型的实验对网络传输水平要求也是不同的。对网络传输质量要求高的实验在设计时，如果网络环境无法满足要求，较好的策略是用户终端将服务器端的实验数据下载到本地终端来分析、计算、显示以及存储，让实验在本地计算机完成，对网络传输质量要求不高的实验，学生的虚拟实验可以在线进行。（5）软件开发应成为虚拟实验室建设和开发的重点。往往在实验室的建设中，对有形资产的投入容易达成共识，而对无形资产的投入则显得不足。现阶段，许多高等院校的虚拟实验室的软件平台的核心技术主要采用国外的产品，这无疑加大了虚拟实验室的成本投入，因此，需要提高我国在该方面的软件开发方面的投入。2.5虚拟实验技术在教学中的意义（1）网络虚拟实验室可大幅降低实验室改造、建设与维护的资金、时间和空间成本，提高使用效率年来，由于客观条件、经济因素、社会环境等多方面的影响，很多院校的实验室常规设备有的已经老化，有的技术上有些落后。在学科理论不断深入和发展的同时，实验教学仪器设备的陈旧老化影响着实验结果的可靠性和稳定性，有时还难以阐述理论问题，已明显不能满足学生学习的基本需求。但在当前学校经费较少的情况下，如果更新全套实验室设备，不仅价格昂贵不符合目前学校的实际，而且随着测试仪器的数字化、计算机化的发展趋势，有些传统测试仪器渐渐有被取代的趋势。（2）提高学生接受新事物的能力虚拟实验技术是一种先进的学习工具，是多学科技术发展的综合。随着水平的不断提高，虚拟实验技术将不再是纯虚拟环境，很多软件都能和互联网连接，实现远程实验，实现软件对实验的控制和对实验数据的处理和分析。（3）节省实验经费，保证试验安全在实验教学中，以往会因为实验设备、场地、经费等方面的原因，使一些应该开设的实验无法进行。利用虚拟实验技术，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。（4）彻底打破空间和时间的限制利用虚拟实验技术，可以彻底打破空间的限制。大到宇宙天体，小至原子粒子，学生都可以进入这些物体的内部进行观察，这是电视录像媒体和实物媒体所无法比拟的。虚拟实验技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察到的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生。随着网络建设日益完善，网络速度和宽带不再成为制约网络虚拟实验教学的瓶劲。计算机软、硬件的飞速发展无疑使得虚拟实验环境更加逼真、灵活多样。然而，虚拟实验在培养学生的动手能力、培养学生的误差能力等方面还不可能取代传统的实验教学方式。因此，在日常的实验教学中，要注意两种方式的相互结合，更好地指导学生实验。3关于SolidWorkersCAD/CAM(ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing)技术是制造工程技术与计算机技术相互结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术。自20世纪50年代问世以来CAD/CAM技术走完了近半个世纪的发展历程，具有涉及知识门类宽综合性能强、处理速度快、经济效益高等优点是当今制造技术的重要组成部分。SolidWorks是基于Windows平台的优秀的CAD/CAM集成系统。采用参数化和特征造型技术，能方便、快捷地创建任何复杂形状的实体。而具有参数化的实体能够通过对尺寸的修改来进行编辑，实现参数驱动。在产品开发整过周期中，不断存在着设计的变更，参数化的建模方式大大增强了设计的灵活性，方便工程师实现设计意图。设计工程师在自己的桌面计算机上实现产品的设计、分析、数控加工和完成后期的系列产品报告，而有关的信息能得到有效的交流和管理，这就是基于Windows系统的CAD/CAM/CAE/PDM集成系统的实施宗旨。SolidWorks和Windows实现无缝集成。“基于Windows的桌面集成系统”是一个单一的设计工具，而是以SolidWorks为核心的各种应用的场合，如结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等。这些模块功能通过SolidWorks插件的形式出现。由于使用了WindowsOLE技术，直观式设计技术，先进的Parasolid内核以及与第三方软件的集成技术，SolidWorkes的发展势头迅猛成为流行的三维设计软件。4虚拟实验室的建立基于SolidWorkes的虚拟实验室就是在以SolidWorkes作为设计软件，设计出各种机械零件，组成虚拟的机械运动装置，模拟机械运动，搜集运动参数，以达到实验的效果。在本论文中我们重点解决零件的设计及其使用特性的演示。4.1螺纹连接和螺纹旋传动4.1.1螺纹的简介螺纹连接和螺旋传动都是利用螺纹零件工作的，但两者的工作性质不同，在技术要求上有差别。前者为紧固作用，要求保证连接强度，有时还要求紧密性。后者作为传动件用，要求保证螺旋副的传动精度、效率和磨损寿命等。4.1.2螺纹的画法在SolidWorkes中螺纹的画法是个很重要的部分。我们以六角螺母为例演示螺纹，螺母及螺栓和螺钉的画法。例：建立六角螺母的模型：六角螺母GB/T41-2000M12。由数据库得到数据：D=M12，dw(min)16.5，e(min)19.85，m(max)12.2，s(max)18.（1）建立新文件。单击标准工具栏的“新建”图标按钮“零件”“确定”。（2）绘制“草图1”。从特征管理器中选择，进入草图绘制界面。用“矩形”工具绘制出一个矩形。用“中心线”工具绘制出一条竖线和一条水平线竖线起点与原点重合，终点于矩形水平边作“中点”约束。用“直线”工具在矩形的两个角划出两条斜线，如图1所示。用“添加几何关系