（机械电子工程专业论文）教学实验仿真技术与应用研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文首先分析了当前高校实验教学的现状，针对目前实验课程特别是机械类传统 课程的教学投入、仪器设备条件严重不足、学生学习效果不佳的问题，提出了建立实 验教学仿真系统的解决方案。本文论述了教学仿真系统和普通仿真系统的不同点，介 绍了系统可能使用的各种计算机技术。并且详细地分析了机械专业的三个重要实验， 提出了对这三个实验进行仿真教学的一些看法。以其中的加工精度的统计分析实验为 例，运用建模技术、多媒体仿真技术、网络技术以及数据库管理技术进行了实验教学 仿真系统的设计和实现。最后对本文所中的研究工作进行了总结，并对其中的不足之 处和进一步的研究提出了一些自己的设想。 关键字：实验教学仿真系统加工精度实验仿真技术 u m l管理信息技术 塾堂塞堕笪基垫查量堕旦婴窒 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rf i r s t l ya n a l y z e st h es i t u a t i o no ft h ee x p e r i m e n t t e a c h i n gi ns o m e u n i v e r s i t i e s ，a n dp o i n t so u ts o m ep r o b l e m s ：s e r i o u s l y l a c k i n go fe d u c a t i o n a li n v e s t m e n t , r u n n i n g s h o r to f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n d s t u d e n t s l o s i n gi n t e r e s ti nt h ee x p e r i m e n t s t h e n t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ed i f f e r e n c e so f t e a c h i n gs i m u l a t i o ns y s t e ma n d t h ec o m m o ns i m u l a t i o n s y s t e m ，a n di n t r o d u c e ss e v e r a lk i n d so f i n f o r m a t i o nt e c h n i q u ew h i c hm a y b eu s e di nt h e s y s t e m ， a n dt h e nt h ea u t h o rg i v e se x p l a n a t i o no f t h r e ei m p o r t a n tm e c h a n i c a le x p e r i m e n t s ，f o l l o w e db y s o m ea d v i s e st o i m p r o v i n gt h e s et e a c h i n g s i m u l a t i o n s y s t e m s n e x t ，b ym e a n so ft h e d e v e l o p i n gl a n g u a g e “a s p ，t h et e a c h i n gs y s t e m “m a c h i n i n gp r e c i s i o n “h a sb e e nd e s i g n e d ， w h e r es u c ht e c h n i q u e sa sm o d e l i n g 、m a n a g e m e n t 、w e b 、m u l t i m e d i ae t e a r ca p p l i e d f i n a l l y t h es u m m a r yo ft h i st h e s i si sg i v e na n ds o m en e w h y p o t h e s e sa r er a i s e df o rt h ed e e p - g o i n go f t e a c h i n g s i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d ：t e a c h i n gs i m u l a t i o ns y s t e m ；m a c h i n i n gp r e c i s i o ne x p e r i m e n t ；s i m u l a t i o nt e c h n i q u e ； u m l ；m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n t e c h n i q u e i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 在人类社会进入二十一世纪之际，新世纪的主导经济知识经济已初见端倪。 而知识经济的生命和源泉在于创新。作为推动知识经济社会进步的高等学校，创新的 关键在于培养掌握现代科学技术知识的创新型人才，这样才能在知识经济时代左右逢 源，立于不败之地。而对于高校教育三大支柱之一的实验来说，它担负的重任更是可 想而知。培养学生实践能力和创新能力，理论教学固然不可缺少，实验教学却更为重 要。然而当前的高校实验教学现状却是不容乐观的。 1 1 实验教学现状 实验教学与课堂教学脱节现象严重 实验教学作为课程教学的一个重要的组成部分，在计划实施与安排时既要考虑与 课堂教学的相关性和从属性，还必须突出其体系本身的独立性。若实验教学与理论教 学内容出现脱节，既不利于理论教学内容的吸收和消化，也不利于充分利用理论课上 学到的知识来指导实验。从目前收集的高校实验教学的情况来看，实验教学和课堂教 学脱节现象比较的严重，其原因为：第一，实验仪器台套数少( 尤其是专业实验，一 般只有1 2 套) ，每个实验的周期很长，导致实验内容难以与课堂教学内容同步；第 二，对实验教学的重视不够，随意更改教学实施计划现象比较严重。 实验教学手段落后，仪器设备配套不足 尽管各高校主渠道投资建设实验室的经费在逐年增加，但远远跟不上学校的发展 规模，使得实验室的状况不容乐观。很多实验室的仪器设备都是七十年代的产品，无 论是技术性能指标，还是实验示值精度都达不到要求，而且实验过程中经常出现问 题，导致实验不得不中断，严重的影响了实验教学质量。有的实验仪器设备数量不 足，不能满足学生人数规模的要求，造成实验周期长，教师的重复工作量大。 传统的实验教学内容与方法陈旧 当前学生使用的实验教学手腮，很多都是七八十年代编写的，实验教学内容几十 年不变。大多数实验室仍然延用着传统的实验教学方法，实验教材或指导书中把实验 内容和实验步骤编写得很详细，学生只需按部就班的按照实验步骤操作，这样不利于 启发与引导学生的思维，激发学生学习的主动性和积极性，反而养成了学生的依赖性 和惰性。3 】 实验分组过大，学生参与性差 现在很多实验室的仪器设备台套数不足，而学生人数众多，实验资金不足，在开 展些耗材型实验课时，学生往往被分成几大组，每一组学生往往只有一两个同学有 教学实验仿真技术与应用研究 机会进行实验操作，而其他的同学只能在一旁观摩，且同一组同学得到的是完全相同 的实验数据，这使得在填写实验报告时，抄袭现象较为严重。 i 2 技术解决途径 然而近年来科学技术的不断发展，特别是计算机技术的发展为现代化教学手段的 实施提供了有力的媒介。为此高校应加快实验教学手段更新的步伐，运用先进的计算 机技术对现有的实验教学进行必要的改革。 1 2 1 仿真技术 仿真技术在军事、航天、航空的应用具有悠久的历史，是设计的基本手段。随着 科学技术的进步，尤其是计算机虚拟现实技术的发展，仿真技术的应用领域和范围得 到了迅速扩大，涵盖了社会的方方面面。迅速崛起的现代教育技术把仿真技术引入到 了实验教学中，称为仿真实验。仿真实验的应用改变了传统的教育模式，使得教与学 方式发生了革命性的变化。i s l 目前，用于实验教学的计算机仿真软件非常丰富，如机 械、力学、建筑学、电工电子学等。加上高校计算机及网络资源，为仿真实验的开设 提供了必要的基础条件。正确认识仿真实验在2 l 世纪实验教学中的地位和作用，立 足高校自身特点，科学地制定与实际实验的关系，是仿真技术在实验教学中应用的关 键。 1 2 2 多媒体技术 多媒体技术是一种数字技术，是将文本、图形、视频图像、动画和声音等运载信 息的媒体结合起来，通过计算机综合处理和控制，将多媒体的各个要素进行有机组 合，产生一系列随机性交互式操作的信息技术，它具有集成性、控制性、交互性的特 点，既把文本、图形、图像、动画和声音等多种媒体信息集成，也把计算机同音响、 视频设备等结合在一起，以计算机为中心，综合处理和控制多媒体信息与设备。【4 l 多媒体技术向学生提供了丰富多彩的集图、文、声、像于一体且同时作用于学生 各个感官的教学信息，为学生提供直观、友好的人机交互方式，变被动学习为主动学 习，能显著改善教学效果，因此多媒体技术是一种较理想的教学手段，它将从根本上 改变人们教与学的方式，这也是当前教育技术发展的新趋势。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 3 网络技术 随着信息高速公路的迅速兴起和i n t e m e t 的广泛使用，人们把各种教学资源和现 有的通信工具相结合，并应用于教学，给教育带来了巨大的影响。旧的知识传播途径 已满足不了当前的需要，传统的教育模式也逐步发生着变化，而其中最活跃、最具前 途的就是网络教育。网络教学是当前教学模式的一个非常重要的发展方向，它与传统 的教学相比有着无可比拟的优越性： 6 1 不断提供新的学习内容：信息时代知识不再是一成不变的。新理论、新技术层出 不穷。传统教育存在相对稳定的特点，不仅有固定的授课时间表和地点，教学内 容更新往往也较慢。有些课程的教材几年才会修订一次。而网上教学则具有灵活 易变的特点，能够在较短的周期内对现有的教学内容进行更新，还可以随时把世 界上最新的成果或观点引入到教学中。 提供灵活的选择：网上教学为学习者提供了不受时间、地理范围限制的灵活的学 习方式，学习者可以在全球范围内众多的网上课程和培训中选择需要和感兴趣的 问题进行学习。对于教育相对落后的地区来说，利用这样的机会培养高起点的学 生，无疑会得到良好的社会效益和经济效益。 提供交互式的教学：一般将网上远程教学中的交互分为学习者和学习材料的交 互，以及两个或更多学习者关于学习材料的交互两种。前者可以通过选择、控制 学习过程中的交互来适应学习者的需要和风格。后者则培养学习者之间交流的能 力，以及与从未谋面、散布在世界各地的同学合作的能力。交互性帮助学生增加 对信息的注意力和理解力，延长信息保留时间。学生在学习过程中成为积极的参 与者。 提供个性化的教学：个性化是按学生的个人特点进行因材施教。传统的教学方式 中教师考虑一部分学生需要的同时，也在牺牲另外一些学生的利益。比如考虑一 些接受能力较差的学生的需要，反复重复一些概念，举出大量例子，那些已经理 解了的学生注意力就可能分散，消极地等待着教师讲授新概念。而个性化则往往 使课程显得更有趣、更相关和更有效。通过做出对学习的深度、内容范围、学习 时间的选择，学生可以使学习过程适合自己的特殊需要和兴趣。学习者控制越 多，回报越多。通过做出教学选择，学习者更可能感到内在的动力，更可能从学 习经历中得到满足，其最终结果是提高学习效果。 1 3 实验教学仿真的国内外发展情况 国内外对仿真技术在教学培训方面的应用研究都很重视，仿真技术已应用于如飞 行员、汽车驾驶员、机车设备操作等方面的操作培训。借助虚拟技术完成教学课程中 教学实验仿真技术与应用研究 的相关实验，具有实验效率高、设备费用低、实验内容丰富、使用方便、界面友好、 集成性强、与计算机技术同步发展等明显的优势。因此，各类课程的实验教学纷纷采 用仿真技术。中学的教学仿真实验系统研究与应用较多。如中学的物理教学实验、化 学教学实验都有大量的仿真实验系统可以支持。相比较而言，大学在这方面反而较为 落后，但近两年高等院校在这方面的研究与应用有显著增长的趋势。天津中德职业技 术学校虚拟仪器在设备故障诊断技术实验教学中的应用，北京东方仿真控制技术有限 公司的化工基本过程单元仿真教学系统s t s 都是很好的范例。教学仿真实验较多的集 中在计算机制图、c a d c a m 、数控等较为新兴的领域，在机械制造相关的传统课程 的实验教学方面研究较少。 1 4 课题的来源 本课题来源于南京航空航天大学“新世纪本科教育教学改革计划”项目。项目的 总体目标是在机械制造工艺学教学大纲的指导下，以网络技术、多媒体技术、仿 真技术为支撑，开发出适合我校本科生教学的机械制造工艺学教学实验仿真系 统，在计算机网络环境下实现加工误差统计分布实验。为机械制造工艺学的教学 实验提供一种新的途径，恢复原有的教学实验，让学生更好地掌握所学内容，提高实 验效率、达到实验目的，降低实验成本，减轻教师的负担，提交教学与管理水平。 1 5 论文结构 本文共分六章。 第一章：绪论。主要论述了当前高校实验教学的现状，技术解决途径及本课题的 来源； 第二章：机制类教学实验的需求分析。本章主要详细地介绍了机械专业的三个重 要实验及其仿真分析。为将来进行相关实验的仿真作了准备工作： 第三章：关键技术研究。对课题所涉及的关键技术进行了论述，为第四、第五章 的仿真实验系统的设计和实现的提供技术支持： 第四章：机械工艺学实验仿真系统的设计。对第二章论述的三个实验中的加工精 度实验系统的开发进行了较为详细的分析设计： 笫五章：机械工艺学实验仿真系统的实现。详细描述了加工精度实验仿真系统的 开发； 第六章：总结与展望。总结了课题的工作和现实意义，并对以后的发展和完善作 了展望和设想。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章机制类教学实验的需求分析 机械制造工艺学和金属切削原理与刀具设计是机械制造专业两门非常重 要的课程，是应用性、实践性很强的课程。课程的学习对学生的生产实践的要求较 高，如何通过实验教学增加学生的感性认识，解决好理论联系实际的问题是搞好这两 门课程教学的关键所在。然而目前的学生大都没有经过生产实践的锻炼，生产实习的 效果差强人意，且由于教学经费、资源的限制，原有的课程内教学实验也已停开多 年，严重影响了这些课程的教学效果。本课题通过仿真技术、w e b 技术实现教学实验 将使得这一问题得到有效的解决，不仅可以恢复原有的课程内的教学实验，而且可以 节约教学经费、实验材料。本章将详细介绍机械制造工艺学中的加工精度统计分 析实验，会属切削原理与刀具设计的车削力的测定实验及车削温度的测定实验。 并就如何对这三个实验进行仿真提出一些看法。 2 1 加工精度的统计分析实验 加工精度的统计分析实验是机械制造工艺学中的一个非常重要的实验，这个 实验因为各种原因在我校已经停开了多年，严重影响了教学的效果，而利用先进的计 算机技术进行实验的仿真，让学生在这些实验教学仿真系统上进行实验，已成为目前 这一问题的解决之道。 在进行教学实验仿真系统的设计前，我们必须知道系统中包含的内容是什么，也 就是学生需要通过这个系统学习什么知识，因此在本节将从实验的目的和要求着手来 进行加工精度实验的说明和仿真系统的需求分析。 2 1 1 实验目的与要求 1 了解实验路线和实验使用的有关加工和测量仪器： 了解实验的仪器设备是进行实验最基本的步骤，也是实验仿真的基础。加工 精度实验所要使用的仪器主要包括：自动车床、测量台架、千分尺等，而试件是 圆棒形试件或是长条形试件。这些是我们需要通过仿真技术让学生了解的内容， 仿真系统可能通过虚拟现实技术、动画技术或者视频技术等让学生能够非常详细 地了解到设备的使用方法、操作过程和零件的加工全过程由于虚拟现实技术、 动画技术很难让学生了解到操作者的操作要领，而对于本实验，实验的操作是较 为重要的，因此可以考虑利用视频技术让学生通过仿真系统清晰地看到老师的每 一步操作和每一个细小的动作，甚至可以在视频中加入一些讲解，这会更有利于 学生的学习。在下一章的关键技术中将详细地介绍几种常用的仿真技术。 5 一 塾兰塞壁笪塞垫查量皇旦堑墅 2 通过本实验使学生掌握加工精度统计分析的基本原理和方法；运用此方法综合分 析零件尺寸的变化规律： 目前进行加工精度统计分析的方法主要是分布曲线法。在机械加工中，用调 整法加工一批零件，其尺寸误差是有很多相互独立的随机误差综合作用的结果， 如果其中没有一个是起决定作用的随机误差，则加工后零件的尺寸将近似于正态 分布。理论正态分布曲线是连续的、对称的曲线，如图2 - i 所示，它的方程式如 下： y = 去唧旧等) 2 1 协， 垆而麒p 卜l 彳ji 心。 圈2 - 】理论正态分布曲线 式( 2 - i ) 称为正态分布密度函数方程( 简称密度函数方程) 。其中，x 是自变 量，它是属于某一组随机变数x 的集合：y 是相对应的概率密度；为随机变数 总体的均值；仃为随机变数总体的标准差。i 删p q 上述知识是学生们需要学习本实 验的理论关键，也是我们需要重点介绍给他们的。在仿真系统中，还需要利用这 些理论生成仿真实验的虚拟实验数据。但是这些理论知识却是简单的仿真技术不 能介绍清楚的，这就需要仿真系统拥有详细的实验相关理论的介绍，这可能会放 在实验手册或是实验介绍的相关部分里。同时这也是实验教学仿真系统与般的 仿真系统的一个不同点，教学仿真系统的重点还是在教学上，仿真只是个手 段，因此在仿真系统中需要有较多的教学的内容。 3 进行测量与运算，计算出u ( 均值) 和仃( 标准差) 并绘制实验分布曲线图： 盯和u 的计算分别如下： 6 壹塞塾至堕丕盔堂堡主堂垡堡塞 n t =兰_(2-2) 。 ( 2 3 ) 随机变数x 为正态分布，可记为n ( ，盯2 ) 。盯和是学生需要掌握的一个 重点，不但要掌握其理论知识而且要熟知其计算方法，所以在实验仿真系统中， 需要学生利用虚拟实验数据对盯和进行计算。而这些虚拟实验数据是符合正态 分布的，所以可以在系统中通过一定的算法得到这些我们需要的虚拟实验数据。 而这些虚拟数据同样可以让学生画出实验分布曲线图。实验分布曲线是根据 批零件的加工尺寸绘制出来的。通常一批零件数量在5 0 件以上，越多则越能 反映出它的分布规律。作图时，令横坐标表示加工尺寸分组间隔，纵坐标表示对 应于某加工尺寸间隔内尺寸误差出现的概率( 它接近于该尺寸误差出现的概 率) 。有时为简便起见，令纵坐标直接表示某加工尺寸间隔内尺寸误差实际出现 的次数，称为频数。 实验分布曲线图又称为频率( 或频数) 直方图，它与理论分布曲线不同之 点在于：它不是平滑曲线而是折线( 图2 2 ) 。 e 万 j f 乃。 对 引 7 9 9 77 9 9 98 0 0 18 0 0 3 x i 7 9 9 8 8 0 0 08 0 0 2 图2 - 2 实验分布曲线 理论的正态分布曲线有两个特征参数盯和。根据实验数据所计算出来的x 和彦 只是他们的近似值，称为正态分布的统计特征值。实验分布曲线法或频率( 或频 数) 直方图法是分析数据常用的一种方法。0 a l i a l i 4 确定本工序的精度系数c p ，并分析本工序a n t 稳定性： 厚 筋 加 塔 m ， 教学实验仿真技术与应用研究 工艺过程的精度评价，就是对现行的工艺过程或待实施的工艺过程进行工艺 验证，看它能否合理的满足工艺要求，即零件经过工序加工后，能否达到工序间 的加工尺寸和给定的工序公差。工序的精度系数。是用来作为精度评价的指标， 它表明工艺过程的稳定程度和加工工序的加工能力。c 。的表达式为： c p = 砉( 2 - 4 ) 式中 6 一一待加工工件的工序公差 盯一一样本的标准差，根据实验数据处理得出。 一般情况，工序的精度系数应大于1 。c 。值越大，表明工序的加工能力越 强，产品合格率就越高，但生产费用必然相应的增加。若c 。值为1 或小于1 ，表 明工序加工能力较弱，产品的次品率就可能上升，这时必须采取相应措施，来改 善工艺过程。1 3 0 l l a ” 利用分布曲线可以比较方便的研究加工精度，可以分辨出工序的随机误差的 大小以及是否存在着系统误差，但不能把规律性变化的系统误差从随即误差中区 分出来。采取分布曲线法控制加工精度时，必须检查所有加工的零件，只有将一 批零件加工完毕后方能绘制出分布曲线图。 5 确定加工误差的类型： 误差类型也是需要学生进行了解的重要概念。在已调整好的机床上加工一批 工件，由各种工艺因素所产生的加工误差，可分为两大类，即系统误差和随机误 差。系统误差包括因调整等因素引起的常值系统误差和因刀具磨损、机床热变形 等引起的有规律变化趋势的变值系统误差。随机误差则是由尺寸分散造成的。l a o l 2 1 2 实验的步骤及模块图 从上面一节我们已经对加工精度的统计分析实验的实验目的和实验原理有了一个 大概的了解，现在我们将进一步了解实验操作的全过程。 我们将要加工一批零件( 1 0 0 2 0 0 个) 到一个固定尺寸( 比如5 0 _ + 0 0 3 r a m ) ： 调整好机床开始加工，学生在这个过程中主要了解加工设备、其使用情况和加工 过程： 加工完成后进行零件的尺寸测量，并且记录零件的尺寸信息，这些零件的尺寸信 息将是进行计算和绘制直方图的主要依据； 接下来完成的工作就是根据这些数据计算出均值、标准差仃、精度系数c 。、零 件不合格率和零件废品率等值，并且划出直方图，这个阶段，学生将要学习到本 实验的实验原理，均值、标准差、精度系数、不合格率、废品率等值的含义，及 8 旦塑堕窒堕盔查堂堡主堂焦笙塞 其在精度加工中的作用，并且可以根据直方图了解到加工的随机误差和系统误 差，根据精度系数知道工序的加工能力： 最后的工作是填写实验报告。 根据上面的实验步骤，我们可以得出应用系统的运行模式图，如下所示： 2 2 车削力测定实验 图；2 - 3 加工精度实验仿真系统模块图 车削力的测定实验是金属切削原理与刀具设计中的一个重要实验，由于目前 学生对这些传统性学科的重视程度严重不足，对这些实验课的兴趣也日益低下，因此 如果能够将这些传统实验与一些先进的计算机仿真技术联系起来，不但能够增强学生 的学习兴趣而且减轻了教师的工作压力，降低了教学成本，更有利于传统型课程实验 的教学和推广。 同样，在进行仿真分析时，我们必须从学生的学习角度来进行这个实验教学仿真 系统的设计。我们将从车削力实验的实验目的与要求入手进行分析。 2 2 1 实验目的与要求 1 了解车削测力仪的工作原理及测力方法。 在车削力的测定实验中，学生需要重点掌握的是测量车削力的工具。测量切削力 的主要工具之一是测力仪。测力仪的种类很多，有机械式测力仪、油压式测力仪和电 测力仪。目前使用较多的是电测力仪。电测力仪又有电阻应变式、电感式、电容式和 压电式等。其中以电阻应变式及压电式使用的较多。 电阻应变式测力仪尽管种类繁多，结构各异，但其工作原理是一样的，即在测力 仪弹性元件的适当位置粘贴着具有一定电阻值r 的电阻应变片，并将其联成电桥。切 削时，弹性元件受力变形，于是紧贴在其上的电阻应变片也随之变形，电阻值r 发生 9 教学实验仿真技术与应用研究 了变化。兰应变片受拉伸变形时，电阻丝直径变细，电阻增大，当应变片受压缩变形 时，电阻丝直径变粗，电阻减小，从而电桥有电压( 或电流) 输出。但由于电阻应变 片的电阻变化很小，所以一般还必须经过电阻应变仪放大，然后由纪录仪器纪录，再 根据标定曲线的换算，就能求得切削力的数值。1 2 s 1 1 2 9 1 电阻应变式测力仪的原理和使用是本实验学生需要掌握的重点，同样也应该是实 验教学仿真系统的重点。同时，在进行实验当中，除了使用电阻应变仪之外，还有其 他的一些记录仪器，这些仪器的使用也是学生需要掌握的。 图2 - 4 切削力的测量系统框图 因此在进行仿真的过程中，车削力( 刀具的运动) 、测力仪、变形( 电阻应变片 的变形) 、应变仪、记录仪都必须考虑到。在进行车削力的仿真时，我们可以运用虚 拟现实技术、多媒体视频技术或是多媒体动画技术进行实现，多媒体视频技术将更真 实地反映车削的过程、而且实现相对容易，虚拟现实技术和动画技术可以用更夸张的 手法来重点描述其中的某一部分( 如利用鲜艳的色彩) ，以增强对学生感官的刺激； 测力仪的仿真主要是用来介绍测力仪的使用原理和使用方法，这可能涉及测力仪的内 部结构和组成，因此可以通过虚拟现实技术，对整个仪器的内部结构进行进一步的剖 析，让学生能够得到全面地了解：电桥中电阻应变片的变形可以利用虚拟现实或多媒 体技术显示给学生，在实验室的实验操作中，由于变形非常小，学生很难有一个非常 直观的认识，但是在仿真系统中，可以进行适度的放大，以让学生能够更加直观地了 解变形情况：应变仪和记录仪的仿真主要是为了让学生了解仪器的使用情况，因此在 仿真时可以适度的简单化，以减少工作量，降低开发和使用成本。 2 掌握切削深度口。、进给量f 等对车削力的影响规律。 目前，在生产实际中计算切削力的经验公式主要有两类，一类是指数公式；一类 是按单位切削力进行计算。 用指数公式计算切削力，在金属切削中得到广泛的应用。常用的指数公式的形式 如下： 2 s 1 1 2 9 1 f z = c f ：n ? n 1 v f ，= c 。，n ? f ，v f x = c f ：d ? f v ( 2 5 ) 这个公式是本实验的一个重要的计算公式，也是学生需要掌握的理论重点，这些 知识在这里将不进行详细的介绍，在实验仿真系统中我们可以将这些知识放在实验手 册或是在仿真操作的过程中穿插的进行详细的介绍。 1 0 、l，j k 足 足 m m m 南京航空航天大学硕士学位论文 3 通过实验数据的处理，建立主车削力f 的经验公式。 建立计算切削力的指数公式的方法很多，有单因素实验法和多因素实验法等。实 验数据的处理方法也很多，如图解法、回归分析法和用计算机进行数据采集、处理和 预报等。在实验当中，我们最常用到的是较简单的单因素实验法和基础的图解法。 图解法：将实验所得的数据点画在双对数坐标纸上，并用直线连接之，从而可得 出f ：a p 及f ：一f 线图，如下图所示： 3 0 0 0 2 0 0 0 l o o o f z ( n ) 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 2 0 0 v 石 a ， ， h i 234571 0 a 口( m m ) 3 0 0 0 2 0 0 0 y 彳 l i 8 口 i ，1 h l- 234 571 f ( m m r ) 图2 - 5f z - a o 及f z - f 线图 将这两条直线得出的方程综合可求得如下的切削力的经验公式： 只= c ，a t 厂协 ( 2 6 ) 其中x f 并吵f 分别是f z - a p 及b f 线的斜率。1 2 8 1 1 2 9 在仿真系统中，可以通过一个随机数发生器产生一组符合实验要求的实验数据， 并且给出上图所示的线图，学生可以根据线图和修正系数来得到所要求的经验公式。 2 3 切削温度测定实验 车削温度的测定实验也是金属切削原理中的一个重要实验，同样，我们将对 它进行详细的介绍和仿真分析。在进行仿真分析时，我们同样从车削温度实验的实验 目的与要求入手进行分析。 一实验的目的与要求 1 了解用自然热电偶原理测量切削区平均温度的方法； 1 8 6 5 4 2 萋； 教学实验仿真技术与应用研究 测量切削温度的方法很多如热电偶法，热量计法，红外温度法，光电池法等。 但目前用的较多的是热电偶法。由于所测定的温度对象不同，所采用的测温方法也不 相同。测量刀具内的温度，可用埋入热电偶法：测量刀具前刀面上及工件加工表层的 温度分布，可用单丝半人工热电偶法。应用最广泛的研究切削温度的测温方法是刀 具工件自然热电偶法，此法所测量的温度是切削工件刀具接触界面上的 平均温度，学生将重点了解自然热电偶测量切削区平均温度的原理及方法。 自然热电偶法测量车削温度是利用刀具和工件材料的化学成分不同作为热电偶两 极构成回路。切削时刀具与工件接触处温度升高形成热电偶的热端，而在工件的引出 端和刀具的尾端保持室温形成热电偶的冷端，在刀具工件回路中就有温差电动势 产生，利用测量仪器将其电势值记录下来，然后经过刀具工件材料热电特性标 定，将热电势值换算成相对应温度值。 在仿真系统中，需要仿真切削过程和热电偶的使用，切削过程的仿真较为复杂， 因为切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度，所以要求在仿真时不仅仿真 出走刀，还要仿真出金属的变形和切屑。所以我们可以适当的利用视频技术将这过 程利用影像展示给学生，让学生了解全过程。对于热电偶测量的仿真，则可以利用一 些多媒体技术、虚拟现实技术让同学了解如何使用热电偶。如果可能，可以让同学互 动的使用热电偶，并且在使用的同时予以提示、讲解以达到教学的效果。 2 掌握切削用量对车削温度的影响； 实验得出的切削温度经验公式如下： 0 = g v 。厂h 口 ( 2 7 ) 式中o 实验撤出的前刀面接触区平均温度， 0 为o c ： c 。切削温度系数； v 一切削速度( m r a i n ) ； f 一进给量( m m r ) ； a o 一背吃刀量( m m ) ； 如，y o ，相应的指数。 分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传 出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增 高：某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。 通过切削用量对车削温度的影响的分析，学生需要重点掌握的是切削用量三要素 对切削温度的影响。切削用量中v 对0 的影响最显著，f 对0 的影响次之，a p 对0 的影 响最小。因此，为了有效的控制切削温度以提高刀具耐用度，在机床允许的条件下， 选用较大的背吃7 9 量a 。和进给量f ，比选用大的切削速度v 更为有利。叫例在仿真系统 中，可以通过单因素实验方法，依次变化v ，f 和a p 的值，然后仿真测量仪显示不同 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 的变化值，甚至还可以在系统中利用测出的数据画出变化曲线图，这样更利于学生形 象的学习记忆。 3 用实验方法建立车削温度的经验公式： 0 = q v 。厂”口? ( 2 7 ) 建立上述经验公式是本实验的主要目的之一，其实验方法也是利用单因素实验方法。 ”8 1 1 2 9 1 在仿真系统中，需要利用些仿真算法来得到这些数据。利用单因素方法，首先 预先确定经验公式( 根据经验数据) ，在固定其他因素，只改变一个因素的条件下， 测出切削力。例如：固定v 、f 等( v 取1 0 0 州m i n 左右，f 取0 2 0 3 m m r 左右) ，依 次改变a p ( 在0 5 - 4 m m 范围去5 个数值) ，进行切削，并记下每改变一个a p 时的读 数。由于已经预先知道了经验公式，所以在改变a 0 时系统就可以得出切削力的值。其 它因素的测量也利用此方法取得。学生可以根据这些数据建立车削温度的经验公式。 2 4 对各实验分析的总结 通过对上面三个实验的分析，发现这些实验都有一些共性的东西，如果针对这些 实验进行教学仿真系统的开发，我们将会运用到很多类似的计算机技术。首先作为一 种仿真系统会用到一些仿真技术，每一种实验对仿真技术的要求也不尽相同，有的要 求有沉浸性、交互性：有的侧重于多媒体动画、视频技术，要求能够较好的展示整个 实验过程。其次任一实验教学仿真系统都会有教学管理的需求，因此这样的系统都会 运用到管理信息技术。再次在设计这样的仿真系统时，都会使用些建模技术。在下 一章我们将重点论述设计、开发实验教学仿真系统所要设计的一些关键技术。 塾兰窒墅堕塞垫查皇窒旦堑窒 第三章关键技术研究 实验教学仿真系统不同于一般的仿真系统和教学系统，而是仿真系统和教学系统 的有机组合，在仿真系统中，我们可能需要了解各种仿真技术和仿真方法；而在教学 系统中，我们又有进行学生管理、实验报告批改、成绩管理等方面的需求。所以在开 发这样的系统时我们将用到多种技术，其中包括建模技术、仿真技术和管理信息技术 等。下面将对这三种关键技术进行进一步的论述。 o l 仿真技术 3 0 1 1 仿真技术的发展 仿真就是在模拟环境下实现和预测产品在真实环境下的性能和特征( 动态的和静 态的) ，它包含了一系列步骤，从建模、施加负载和约束到预测在真实状况下的响 应。 仿真技术综合集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件 工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识，已经发展成为一门新兴的高科技 技术。 仿真技术的发展经历了几个时期，根据仿真模型类型及实现方式的不同，仿真技 术经历了物理仿真、模拟仿真、混合仿真、数字仿真和基于图形工作站的三维可视交 互仿真等从实物到计算机仿真5 个阶段。 5 0 _ 6 0 年代6 0 - 7 0 年代7 0 - 8 0 年代8 0 年代以后 图3 0 ! 计算机仿真发展的5 个阶段 仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基 础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行 动态实验研究的一门多学科的综合性技术。川 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 2 仿真技术当前的研究热点 现阶段计算机仿真技术是以计算机为依托引入包括网络、多媒体等在内的外部设 备，通过友好的人机界面构造完整的计算机仿真系统，并提供了强有力的具有丰富功 能的软硬件仿真环境。在此基础上应用而发展起来的仿真新技术如虚拟技术、多媒体 仿真、视频技术等一在受到普遍的关注。 虚拟技术i r t u a l r e a l i t y v r ) 随着计算机技术的飞速发展，人们对于客观事物的表示已经转向“景物真实、动 作真实、感觉真实”的多维信息系统。8 0 年代初“v i r t u a lr e a l i t y ”即虚拟现实一词出 现，虚拟技术也应运而生。虚拟技术有的称为临( 灵) 境技术或虚拟环境，是指由计算 机全部或部分生成逼真的模型世界，对人产生视、听、触觉的感官刺激，是真实世界 的仿真。同时，人能以自然方式利用手势、触摸、语言等直接操纵该模型世界。虚拟 技术是客观世界的客观事物在计算机上的本质实现，其核心是建模与仿真。即通过建 立数学模型对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现。 虚拟技术主要有3 个特征：沉浸f i m m e r s i o n ) 、交互( i n t e r a c t i o n ) 、构想 ( i m a g i n a t i o n ) 。它以仿真方式给用户创造一个实时反应实体对象变化与相互作用的三维 图形世界、通过沉浸感一交互作用( 人与虚拟环境卜一构想和创意( 人) ，使用户直接 参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化。【l l l 多媒体仿真( m u l t i m e d i as i m u l a t i o n - m s ) 八十年代末到九十年代初，多媒体技术的涌现和发展使计算机具备了集成处理多 种媒体信息的能力，给计算机仿真技术在可视仿真基础上的进一步发展带来了契机。 在计算机仿真技术与多媒体技术相结合的基础上，m s 的概念就应运而生了。 多媒体仿真是对传统意义上数字仿真概念内涵的扩展，它利用系统分析的原理和 信息技术，以更加接近自然的多媒体形式建立描述系统内存变化规律的模型，并在计 算机上以多媒体的形式再现系统的动态演变过程。广义地说，多媒体仿真系统是一种 桌面型、低价位的虚拟仿真系统，是虚拟仿真系统在低档次计算机平台上的一种实 现。多媒体仿真属于感受计算的一种，试图遥过将仿真所产生的信息和数据转变成为 可被感受的场景、图示和过程( 历史的和未来的) ，以辅助人们进行决策。因为人与 客观世界之间信息交换的7 0 要靠视觉，m s 充分利用文本、图形、图片、二维三维 动画、影像和声音等多媒体手段，将可视化、临场感、交互、引导结合到一起来产生 一种沉浸感，使仿真中的人机交互方式向自然更靠近了一步。与现有的可视仿真相 比，多媒体仿真技术充分地利用了视觉和听觉媒体的处理和合成技术，更强调头脑、 视觉和听觉的体验，仿真中人与计算机的交互手段也因之而丰富。虽然多媒体仿真要 用到多媒体技术，但它不是仿真技术与多媒体技术的简单结合，多媒体仿真是一个自 成体系的研究领域，其特点是： 教学实验仿真技术与应用研究 ( 1 ) 对象模型属性的多媒体化。建模者在对实体对象的量化属性( 参数和状 念) 进行定义和描述时，还要对其多媒体属性进行定义和描述。 ( 2 ) 仿真模型的二重性。多媒体仿真模型具有系统模型和表现模型的二重性， 仿真运行对它将分别生成由实体的状态、事件、活动、进程组成的抽象空间和由文 本、图形、影像、声音组成的多媒体形象空间。 ( 3 ) 抽象时空与形象时空的一致性。多媒体仿真中的抽象时空和形象时空具有 一一对应的映射关系，也就是说，参与仿真的人员不必对抽象的数学逻辑模型有太多 的了解，即可从形象、生动的仿真演示中得到对仿真结果的充分认识，并可对仿真模 型的某些方面进行干预。 ( 4 ) 人的感官和思维活动进入仿真回路中。用户可在形象时空中获得生动的感 观体验。i s h l 0 1 多媒体视频技术( m s - v i d e o f r e q u e n c yt e e h n i q u e ) 多媒体不仅能以文字和声音的形式告诉用户某件事情，而且能用普通课堂上难以 使用的动态影像展现某一文字语言教学。视频画面可以是摄像机拍摄的活动图像，是 真实世界的纪录，在多媒体教材中有重要作用。 首先，由于其画面真实可信，运动连续使人有身临其境的感觉，用于多媒体教材 中，有利于突出教学内容重点，有利于表现事物的相互关系，有利于展现宏观世界的 现象和微观世界的结构，改变了多媒体界面静多动少的结构。 其次，视频图像忠实地表现客观事物，增强了教学内容的客观性、科学性。有利 于表现人们通常情况下不易看到的事物，在多媒体教材中能起到画龙点睛的作用。适 合于表现关键技术的操作，演示静止图片和虚拟动画难以达到效果的内容。 再次，对于一些技术型实验中，教师很难用语言表达技术要领，例如：焊接技 术、电动机的绕组重嵌技术等，教师示范又不容易让大多数同学看清楚，重复示范又 浪费时间和耗材。我们就可以通过视频技术，将教师的示范动作和讲解录制成数码影 像，效果将非常逼真。 3 2软件开发建模技术u m l 软件开发方法的分类是根据软件开发所采用技术的总体特点来划分的，而每一种 开发方法还包括很多具体方法论。所谓软件开发方法论，是指软件开发过程中所采用 的具体策略、步骤、规划和方式。就像同样开车从南京到上海，可以走很多条不同的 路线一样，它们的目的都是一样的，开发的总体思想也是相同的，只是具体的执行时 的做法、路线或时机等不同。 自从1 9 8 6 年b o o c h 率先提出面向对象方法论以来，至今可以归入面向对象的方 法论的至少在5 0 种以上。常见的有r u m b a u g h 的对象模型技术o m t 、y o u r d o n 的面向 对象分析与设计o o a o o d 、j a c o b s o n 的面向对象软件工程o o s e 、m a r t i n o d e l l 的面 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 向对象分析与设计o o a d 、s h l a e rm e l l o r 的面向对象系统分析o o s a 、b r o c k 的责任导 向设计r d d 等。这些方法论都各具特色，它们采用的技术和实现的目的大体是一致 的，但在具体的实现策略、步骤、方式上有区别，并且每一种方法都有各自的一套标 记法、规则、过程阶段级工具化a s e t 0 0 1 ) 。 3 2 1 统一建模语言 u m l 是在已有的三大面向对象方法论的基础上，抽象出的模型语言，同时它汲取 了其它面向对象开发方法论和近三十年软件工程的经验和结果，是一种用于描述、可 视化和构建软件系统以及商业建模的语言。融合了当今技术发展的成果以及未来的发 展趋势，例如组件技术、分布式计算等，代表了面向对象技术的最新发展。 u m l 提供了三类基本的标准模型建筑快：事物、联系和图形。事物是一个模型 的一级抽象成员，即构成模型的元素。u m l 规定四种事物的表示法：结构性事物、 行为性事物、成组性事物和注释性事物。其中结构性事物指模型的静态部分，如对象 类、用例、接口、组件等：行为性事物指模型的动态部分，如交互，状态等：成组性 事物指模型的组织部分，如包；注释性事物指模型的解释说明部分，如注释。 u m l 提供的模型建筑块之间的基本联系有4 种：依赖、关联、泛化、实现。依赖 是指模型建筑块之间的一种语义联系，其中一个( 独立事物) 发生改变将影响另一个 ( 依赖事物) 的语义：关联是指模型建筑块之间的结构联系，两者存在结构性的连 接；聚合是一种特殊的光亮，表示结构的整体与部分关系：泛化是模型建筑块之间的 一般与特殊的联系；实现是指模块建筑块之间的一种语义联系，其中个规定了一组 约定( 协议) ，另一个负责实现它们。例如接口和实现接口功能的类或组件之间的联 系就是实现联系，模块建筑块与联系相结合，可以构造出良好的系统模型。 u m l 图形式模型元素集合的可视化表示。u m l 主要就是通过提供不同形式的图 形来表达从软件分析开始的软件开发全过程的描述，即通过利用不同的图形原来表示 系统的各种因素和方面，从多个视图角度来描述系统。以下就是u m l 的5 种视图。 1 3 1 f - 一 组件视图 ，7 一、 布局视图 f 翌，、 l f 7 弋) 逻辑视图 用例视图 图3 - 2 u m l 的5 种视图 r 1 、h 一，。 并发视田 教学实验仿真技术与应用研究 用例视图( u s ec a s ev i e w ) 从外部动作者的角度说明系统功能，即系统应交付 的功能。面向顾客、设计者、开发者及测试者。 逻辑视图( l o g i