基于VRML的带传动虚拟试验机的设计

　　目前,在高校的理工科专业实验教学中,大量的实验仍采用传统方式,即基于实验设备的方式进行。而机械制造业的实验设备价格昂贵,学校难以及时购进足够数量先进的实验设备,随着虚拟技术的不断发展,借助虚拟试验机进行实验教学的想法成为可能。VRML (VirtualRealityModeling Language)的虚拟现实(VR)技术,为构建基于VRML的机械虚拟试验机[1]提供了一种很好的解决方案。与传统实验室相比,虚拟试验机有诸多优点[2]: (1)能充分利用现有软硬件资源,节约开支; (2)容易实现技术更新;(3)自动化、智能化程度高; (4)功能齐全,使用方便; (5)实验精度高,可以避免传统实验中因仪器设备引起的误差; (6)实验效率高; (7)实验时间灵活且不受地点限制。

　　虚拟试验机的研究和应用得到许多研究机构及软件供应商的重视,并取得了许多成果[3]。JohnsHop-kins大学建立了基于WWW (WorldW ideWeb)面向教育的工程/科学实验环境,可完成逻辑电路、两节机器手控制、热传递过程、声波传播过程、桥梁设计等多种实验。德国Ruhr大学建立了网络虚拟实验室,它是一个有父控制工程的学习系统,通过直观的三维实验场景视觉效果,依赖各虚拟实验设备的仿真特性,实现对虚拟实验的交互式操作。北京大学计算机系设计了基于WWW的网上虚拟实验室3WNVLAB[4],它是一种支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。该系统已经初步实现了CACHE设计与流水线设计两个实验。北京师范大学现代教育技术研究所研制的Evlab系统[5],是一个基于虚拟空间的三维电子线路实验环境。通过该系统,学生可以掌握电子线路实验中常见的仪器操作方法,并对基本实验电路有更加深入的理解。中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室研制出我国第一套虚拟现实教学软件几何光学实验设计平台[6]。该软件将计算机技术、虚拟现实技术与物理实验教学有机结合,使物理实验教学进入一个全新领域。华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室[7],实现了测试技术课程网上仿真实验,学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验。海军航空工程学院青岛分院研制的“微机接口网上虚拟实验室”[8]系统,使学生可以做微机接口电路的各种实验。

　　本文作者以PJD-4型带传动试验机操作过程为例,探讨基于VRML实现面向WEB的虚拟现实环境下带传动的弹性滑动和打滑现象仿真的关键技术。

　　1　带传动实验简介

　　带传动是靠带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的。由于传递转矩时传动带的紧边和松边受到的拉力不同而引起弹性滑动。这种弹性滑动在带传动中是不可避免的,其结果是使从动带轮的圆周速度低于主动轮的圆周速度,使传动比不准确,并引起带传动效率的降低以及带本身的磨损。当滑动率超过某极限值时产生打滑[9]。