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硝＿Ｅ ＿啊—＿Ｅ一 栏目王持：崔溢恩 投稿信 簦紫 ｉ ０孽毒 广东职业技术师范学院丰玉 一、引言 实验得到验证后进行实际加工，可 台要求，保险系数更太。因此，它具 ｛４）学生可自主操作，实时交互、 随着信息技术的飞速发展，电子化、数字化、 造、教学等技术越来越得到广泛的应用。早期的虚拟 自动化成为当今世界的热点。计算机辅助设计、制 性、实用性、安全性和台理性。 仿真一般是用于军事、航空、航天等领域，我国早 能实现以学生为中心的教学效果，ｉ 在２０世纪５０年代就开始研究，如三轴模拟转台的自 能力的培养目的。 动飞行控制系统用于飞机、导弹的研制，飞行模拟 （５）一套设备系统可做多项实验， 器、舰艇模拟器、红外制导导弹半实物仿真、歼击 验项目，减少购置大量昂贵实验设 机和驱逐舰等半实物仿真系统等。Ｎ９ｏ年代末．由单 （６）若引入Ｉｎｔｅｍｅｔ后，虚拟实验、 个武器平台性能仿真到多武器平台在作战环境下的 更可达到资源的共享性，实现远程实 对抗仿真，从海湾战争验证ＥＡＤＳＩＭ９，￣￣估作战方案， 为此，广东省在广东职业技术 到之后的ＥＡＤＴＢ仿真系统，在科索沃战争中将各种 电气工程虚拟演练重点实验室。重点 现代武器装备联结成一个有机整体无不显示仿真技 有电子线路工作开发平台ＥＷＢ，三绑 术的重要作用。虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ．简称ｖＲ）技 ＵＧＳ公司的Ｓｏｌｉｄ Ｅｄｇｅ及Ｌ＇Ｇ系列软 术诞生于２Ｏ世纪９Ｏ年代初期，它是以计算机技术为 模仿真ＭＴＳ的ＣＮＣ数控机床仿真署 核心，综合运用声、光、电技术．模仿自然界的事ｄＶ／ＭｏｅｋＵｐ和ｆｉｓｃｈｅｒ的Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｌ： 物，给人的视、听、触觉再现现实三维空阈中各种 业机器人及控制系统，ＬＥＹＢＯＬＤ 复杂的自然现象的技术。随着各种相关技术，尤其是 子器件仿真系统等。目前．在此基础ｊ 多媒体技术的不断发展，许多情况下虚拟出的景象 源中心，开通了部分电子教案和课件 已逼真到难分真假的程度。在人员培训方面，我国也 逐步开发和增加虚拟教学、实验项Ｅ 取得很多成果，如航天、航空人员的培训系统，火 发展的教学要求。 电机组培训仿真系统等。仿真包括完全数字仿真和半 实物仿真。把虚拟现实技术大规模引学的教学 二、教学信息流程 不管是用什么方法，教学过程 培训，直该是传统教学方法的一场。它的好处是 与实践相结合的过程， 学生最终掣 不言而喻的，归纳起来有 下几点｛ 所学知识为最终目标．因此，课堂 （１）具有先进的现代教学意识和教学手段，具有 为中心教学效果才会好。当然，教师自 多感知性（Ｍｕｔｉ—Ｓｅｎｓａｔｉｏｎ）。 视的，就具体教学过程而言，面授 （２）利用多媒体技术和声、光、电技术的配台， ，我带 伸 ，竖士休堂止威４ 雨ａ呈 ！『 节 提出教学目的，分析学生的学习 扭掘Ⅱ 『 ｎ而ｒ等 蛐 ，士白洁 牡 可使虚拟环境变得更加“真实”，使人有身临其境的 计划，进行教学活动和完成教学结果 §‘ 行，而不必担心机件被损坏；对于…些实际不可见的 若 机件结构工作原理可虚拟出可见情景，比实物实验 ｉ 看得清楚、更易于理解ｔ对于易出危险的工作环境的 虚拟实验使之更安全可靠；对于有些精密设备的装 Ｊ 卸，实际上不允许装卸，而在计算机上虚拟装配则 ｌ 无妨；而对于机械、电子的设计与加工来说，经虚拟 １８ 虚拟教学虽然基本目的和方法与面授有很多相 维普资讯 http://www.cqvip.com
＿＿＿ｌ目＿甄・＿暖目 同之处，但也确实有许多不同的地方。面授一般是教 师为主导，师生之间的交流要看教师的教学方法和 ｉ Ｊ■ ■■Ｉ 一≯ 课堂把握能力，尤其是大班上课，学生的能力各不 ｝ ］一 ～ ～； ． 相同，对问题的理解水平自然不同。有时受课时、条 件等很难做到以学生为中心，不可能满足所有 ｔ ｒ』～ Ｕ 『｝ ㈠ 学生的要求。虚拟教学则不同，在虚拟教室课堂上， Ｉ ｒ— ～ 一—＾ 学生可以自己操作计算机，对所学课程及实验内容 自主学习和实验。由于虚拟实验室的特殊环境效果， 睦 ０ ； 一一 Ｌ 使教学、实验更逼真、更吸引人，教师则从中指 ｌ Ｉ 导，不担心发生意外，使课堂变成真正的以学生为 里 一 囤１晶体昔穗压电路 中心，教学效果会更好。 如果将教学内容放人教学资源中心，还可实现 ３）仿真实训 远程教学，学生在网上在线学习，教师在线授课（或 【）按图ｌ所示连接电路，并将电压表接好，输出 课件），由每个学生自己掌握学习进度，那么，就更 上５０Ｑ～ｌＯＯＯ￣负载，将电路保存并接通电源， 可以真正做到以学生为中心了。一方面，学生可以与 俞出电压情况。 教师交互 另一方面，学生还可以与学生交互，相互 ！）调节电位器，观察输出电压值是否变化及渡 间在线进行讨论和交流。基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的虚拟实验更 七情况。 是前景广阔，函授学生、网大的学生、在校的学生 １）去掉滤波电容ｃ．，用示渡器观察、记录电路 都可通过网络做实验、送交实验报告，不知要节省 变形的变化，电压值是否有变化 多少人力物力。 ）若各参数不匹配或短路，电路可能发生故障 当然，教师还是要具备全面的专业知识和综合应 等显示。 变能力，【 更与学生交互和回答学生的自由提问，同 ４）完善电路 时，要求教师还要对计算机的软硬件及网络相关技术 ）完善电路的保护措施（短路、过流、欠压等）； 有一定了解，若自行制作电子教案或课件还要有更多 ）提高电路的输出电压到６０Ｖ以上（输入电压不 的计算机知识。这一点对教师的要求不是降低了而是 出功率不变）。 提高了。下面是笔者在这方面的一些教学探索。 计数译码显示电路 三、基于ＥＷＢ的教学案例 １）实训目的 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ电子工作平台简称为 ）掌握集成电路７４ＬＳ９０的功能及使用。 ＥＷＢ，它是一种电子技术实训开发平台，包括数字 ）学习使ｆｆ］７４ＬＳ４７ ＢＣＤ——七段译码器／驱 （ＥＷＢＤ）、模拟（ＥＷＢＡ）￣路两大部分。ＥＷＢ电子器 口共阳极七段显示器。 件库中的虚拟电子元件较多，采用数学建模方式， ）掌握用上述组件设计制作计数器及译码显示 支挣际准的ＳＰＩＣＥ模型，还有检测仿真设备（各种仪 器）。其面向对象的编程技术，只需在屏上 抓”过来 ！）实训内容计数器是利用二进制代码进行工 即可搭接出需要的仿真电路，结台我们自行开发的 字设备基本部件，其应用范围非常广泛。然 一些应用软件，运行时计算机可模拟其实际的工作 ：许多场合，常常需要把计数、运算、测量或 过程，并在虚拟测试仪器上仿真出测试点的波形和 ｆ结果直接用十进制形式显示出来。要达到这个 数据。事实上，可以在本平台上完成电路分析、模拟 则必须由译码电路将计数器的二进制信息 翻 电路、数字电路、电子线路课程设计等课程的实验。 进制信息，再由数码管显示电路显示出来， ｊ．晶体管稳压器 如图２所示。 （１）实训目的 ～ １）连接好电路，了解电路原理，测试输出电压值 ２）调整电路，使输出电压值在９Ｖ～２８Ｖ间可调； ３）掌握电路中元件参数的计算 一（２）实训电路晶体管稳压电路如图ｌ所示。 ［ ！ ｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com
（３）电路与仿真设计 设计一个二位步进｝ 设计和虚拟加工的仿真系统，并能实现真实的加工 器，要求如下： 过程，以消除设计与制造间可能存在的错误。所构造 １）按按扭Ａ为步进计数器递增计数，按按扭】 的敏捷制造系统如图４所示。 步进计数器递减计数； ２）电路要有自动和手动复位功能； ＩＬ———— 数 点 —Ｊ３）当步进计数器递增到９９或递减到０时锁存 ｆ 霎 —Ｊ 嚣Ｌ————一 ４）要组成０～９９９三位数字计数显示电路。 图４￣Ｘ，－ｉｔ￣ｉ，Ｊ造晕统 设计电路如图３所示。 为了实现计算机辅助设计，自行开发了一些常用 机械零件的理论设计程序，以便对昕设计零件的强度 一一．～ 和刚度进行设计或校核。采用ＵＧ公司的Ｓｏｌｉｄ Ｅｄｇｅ三 ．＝．Ｉ ｌ Ｊ— ｌ＝｝ ： 手 。＝二 ｌ｝ｌ 维ＣＡＤ系统作为开发平台，在此平台上可 设计三 ｝Ｌ： 霪嚣睦鎏 维立体机件图，并可以设计和装配机械零件成为部件 或系统，而且能根据不同模板定制工程图，完成全部 的机械图设计工作，有所见即所得的感觉。 设计完成后要进行虚拟制造加工，要求虚拟加 —；；＿ ＝： ：哥一’一 ： 瞬ｆ ；Ｉ 南；．一 工的工作轴、机台结构进行立体仿真与配置，实现 对不同加工方法、不同刀具系统、不同夹具系统、 精密加工、碰撞测试及工件的立体仿真，并可对任 ’ 一 何不同机床进行真实加工控制。该系统采用三维实体 囤５设计电路 建模方式，选取ＭＴＳ的ＣＮＣ做为加工平台，自由设 对照电路讲课可改善理论教学与实验相脱离 定多个对立窗口，通过２Ｄ、３Ｄ，测量，工作步骤分 现象，使教学更流畅，更利于学生融会贯通。学生 析．变焦等方式进行仿真的平台。通过编程实现加工 己动手组成电路．通过电路仿真，在检测点加＿上 工艺流程，包括从毛坯到成品零件的过程中的尺寸 种仪器后，检测点的电流、电压、波形等参数 链设计、粗精加工方式等。然后对流程中的车、铣、 了然，形象生动，电路有错误可立即发现，进一±｝ 刨，磨等加工进行仿真，可对多种加工工艺方案进 养学生的综合分析问题和解决问题的能力，进而 行比较，寻求最佳方案。若发现机件设计不合理，返 发创新能力。 回重新设计，最后确定设计与加工的最优方案 对经 四 基于敏捷制造的教学模型 编程获得仿真加工后的成功程序可存储，以便阻后 传统的机械设计与机械加工技术是分开遗 进行真实机床加工。 的，机械设计往往不管加工过程，根据机械设纠 计算机与机床接口采用ＲＳ２３２标准接口，配套 标设计机械系统和机械零件，设计者对零件加工 了机加中心（如ｓＡＮＹＩＮＧ数控教学机床等）。这样， 提设计要求，具体怎样加工则很少去想。而机械力ｆ 我们就构造了自己的敏捷制造系统 由于设计与加工 是工艺设计人员的事，他们根据设计要求结合生 采用的是不同的软件系统，各系统间的建模方法和 设备编制加工工艺流程，设计加工工程图，很少 代码的生成还不能统一。目前，我们的教学还处于分 为什么这样设计或设计的是否合理。而现阶段的许 开阶段教学状态，我们计划经过吸收和借鉴，准备 计算机辅助系统也是分成ＣＡＤ和ＣＡＭ两部分，遗 开发出自己的配套的从机械设计到加工制造的仿真 系统，那时教学效果将会更好。 五、基于ｆｉｓｃｈｅｒｔｅｃｈｎｉｋ的教学模型 德国ｆｉｓｃｈｅｒｔｅｃｈｎｉｋ公司是一个专门生产教学教 § 已开始进行设计制造的统一管理，加上市场信息管 具 创意组台模型”的公司，它的主导思想是：用机械 § 理形成敏捷制造（Ａｇｉｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）系统。一方面可 构件，电气构件，气动构件等组成各种教学、工业 ｌ以满足消费者个性化消费需求，另一方面实现设计 模型系统，用电脑或ＰＬＣ控制器对系统进行控制。模 ｆ 与制造的统一协调。我们试图构造一套可计算机辅助 拟工业环境和工业过程，使学生通过训练掌握各种 维普资讯 http://www.cqvip.com
＿＿＿暖＿＿圈腿日 机械构件的设计、联接和配合，各机械手的活动方 向和自由度控制，动力系统的传动、调速和测试， ■一王 控制系统的电机安装、接口设计、计算机的软硬件 设计及高级语言编程、ＰＬＣ控制器的使用和编程， 以及各系统之间的统一协调等。这样的系统包含多学 科、多课程知识的融合，通过各种实际训练不仅使 学生掌握所学的各科知识，而且能煅练学生的动手 能力、系统观念及机电一体化设计模式，更为重要 、 的是可以培养学生的创新思维和创造能力。 多用途三自由度机械手实验 圈５三自由度机械手 （１）实训方法从系统工程角度设计机械手，教 （４）系统的软件设计本系统可用ＰＬＣ控制，也 师提出设计目标，学生分组进行设计，完成设计后 可用微型计算机控制，本文用计算机控制。在面向对 再进行拼接和组装。材料是慧鱼组件包，其中有电 象的编程软件ＬＬＷｉｎ平台上设计控制软件，设计时 机、接口电路板、光电传感器、限位开关、传动部 直注意，通过实验先搞清楚以下问题： 件、结构部件及相关零件等。软件是ＬＬｌｗｉｎ专用设计 １）各电机的接口地址及名称，电机正反转与程 软件。学生完成装配调试好的机械手后，利用所给软 亭中的０、ｌ对应关系； 件平台，根据控制目的设计控制程序，经反复调试 ２）各传感器的名称，接口地址和输入量的０、ｌ 后达到设计目标才算完成设计工作。 对应关系 （２）实训内容和设计目标 ３）计算机的输出量与每台电机的转角或位移量 １）机械结构，运动副及各种机件的工作原理、 琦对应关系，以便控制精确定位。 机械传动及组合； 开始设计软件要根据控制要求，确定各电机的 ２）机电系统安装与配合； 工作次序，是串行还是并行，把握输入输出量的精 ３）电机与电器控制系统及接１２１与计算机的控制 指定位及延时的时间等。晟好要画出程序框图（若用 过程、软件设计 ＬＣ，￣ＩＪ要画出梯形图），以便编制控制程序。机械手 ４）要求设计出的系统能进行三自由度运动，而 空制的编程软件界面如图６所示。 且要满足安全保护、限位等工程规范 （３）结构设计与安装由于要求三自由度运动， 嚣霞霞蕊蚴鹦 鍪 鍪麓羹誊釜 因此应有二台电机进行控制，实现Ｘ、Ｙ、ｚ三个方 Ｒ曲ｄ 壤 舅皇鞲潼彝篓蠢 …一 Ｉ ｛ ， 向的移动，另外还要有一台电机控制机械手的闭合。 ……… ２ ｉ鬣 ＝￡ ～。｛’＾ … ……Ｉ～Ｉ …・……… ＂¨ …一 １ ☆ 冀 ８ 羹■ § 黔： 蔫鞫雕 ｆ１１●Ｐ—Ｊ 一 ｛ 而机架和机械臂则要用机构组合而成，具体采用什 ＝ 《 譬 ¨＿Ｉ ～ ～ ；Ｉ＿ 么机构和形式可能因人而异，可以发挥每个人的想 ．－点一 置 ！ 象和创意，但机构问的尺寸、传动形式、控制方 壁 。《 ， 专 －一ｔ 式、电机功率及稳定性等都要先按机械系统设计方 法设计好。 鬯—鼙盈雌 鞠鼬耐 豳匦圈匮圈：。 。一一… 誊＿…一＿ｉ 在用慧鱼构件包构造机架和机械臂时一定要注 ． 意各部件问的尺寸和配合，运动件问的联接，电机 ■ 藕 瑚 辎麟 誊篓囊臻 黛鞠醅鞲ｉ‰ 及传动系统的配合是否灵活有效以及传感器位置是 围Ｂ三自由度机械手的控制程序界面 否合理等。当然，构造这样一个系统要经过一定的相 奎 尊妻 ．由于我们的虚拟实验 关课程学习和实物观摩后，加上自己的创意与多次 室刚建立，各种教学研究 §反复的实践甚至失败才能成功。在初步安装完毕后， 和开发工作处于初级阶段，但已经取得了很好的效 还要进行调试，检查机械系统是否正确无误，电器 果，相信不久的将来会有更多的成果出现。 ／ ；系统的接市线是否合理和有效，之后才能进行联机 试验。实验的模型可参见图５。 １ 导 ２１ 』 镕
