0 引 言
虚拟实验室是一种基于 Web 技术、虚拟现实(Virtual Reality)技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。随着虚拟现实技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作,在实验教学方面也具有利用率高、易维护等诸多优点。近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求研究开发了一批虚拟实验室。例如，韩琴等将 3R(Reduction，rep
lacement，Refinement)原则和虚拟实验室引入到预防医学实验课程体系中，进行从思维到技术的改革，开辟新的教学途径；王根平等探讨了网络虚拟实验室中多个用户协同进行同一实验的架构模式，提出应用 TCP/IP 底层通信协议，实现客户端和服务器实时通信，使学生可以通过网络进行直流电机调速系统在线实验；包俊成等利用 Authorware 软件，构建了基于局域网的金属材料热处理虚拟实验室，以改善材料科学与工程专业的实验教学；董增文等应用 VC++和 Proteus 等软件研发了单片虚拟实验室，以直流电机转速监控系统为例，阐述了单片机虚拟实验室的实现方法。这些虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。在虚拟实验室中，学生既可以在虚拟实验台上动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。在虚拟实验室中，学生更易获得相关的知识，科学的指导和敏捷的反馈。
本文试图利用 VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言，探索实现机械零件虚拟加工的若干关键技术，建立一个虚拟的场景漫游系统，具备机械零件三维虚拟展示、典型工装和产品虚拟装配、夹具设计以及加工仿真等功能的虚拟机械加工实验室(以下简称虚拟实验室)。从而提高学生课堂学习兴趣，增强培训效果，对机械产品的设计、加工、装配和教学有着重要的实际意义。
1 总体方案
虚拟实验室是 2009 年筹划建立，其目的是建立一个虚拟的场景和桌面系统，实现机械零件三维展示、典型工装和产品虚拟装配、夹具设计以及加工仿真等功能。学生通过虚拟实验室，可以开展工艺四大模块(零件、刀具、设备、夹具)的项目课程学习。虚拟实验室通过可视化和互动的方式，使得工艺课程教学更加方便和接近实际工厂车间的加工，学生可以更好的掌握机械制造工艺方面的知识和技能。
虚拟实验室的框架结构分为四层。(1) 数据层用于存储支撑虚拟实验室运行的各种数据，如零件库、刀具库、夹具库和设备库等。数据层为虚拟实验室管理和应用提供数据支持。在虚拟实验室中，提供数据库访问功能。通过这些应用程序接口，上层系统可以访问到虚拟实验室的各种数据。(2) 业务逻辑层是虚拟实验室的核心，所有与 Web 信息相关的业务逻辑都在这一层实现。业务逻辑层是由一系列功能执行部件组成的，涵盖了虚拟实验室所设计的夹具设计、加工仿真、产品装配、用户管理、实验室管理等主要业务功能。 (3)Web 层由 Web 服务器和 Web 容器组成，Web 容器包含 VRML、HTML、Applet 等功能组件。这些功能组件主要用于描述客户端浏览器的内容显示方式。Web 层负责接受用户的信息服务请求，转递给业务逻辑层，并将虚拟实验室响应的结果返回给用户，即通过 Web 浏览器向用户显示结果。(4) 用户层负责与用户的交互。它的功能是提交用户请求，并显示服务器的处理结果。在具体应用中，可以根据具体的应用环境提供相应的交互方式：一种是通过浏览器；另一种是通过应用程序，跨越 Web 层，与业务逻辑层直接交互。
2 关键技术
虚拟实验室首先需要解决的是数据交互问题。VRML 虽然为三维虚拟环境系统的设计提供了极大方便，但仍有其不足之处。单单使用 VRML 所设计出来的场景无法和用户进行有效的互动。其次要解决碰撞检测问题。碰撞检测是构造虚拟环境系统不可缺少的一个重要部分，它可以使用户以更自然的方式与三维场景中的对象进行交互。如果没有碰撞检测，当一个对象碰到另一个对象时，往往会穿透而过，而不会产生碰撞的效果，这在现实中是不存在的。因此，构造虚拟环境系统时，必须能够实时、精确地判断场景中物体之间是否发生碰撞。
2.1 Java 程序和 VRML 场景的通信
VRML 不是一种面向对象的编程语言，它对 CAD 数据的描述能力也非常有限，VRML97 中支持简单的行为，可以用 JavaScript 来完成一些基本的数学功能和 http 文件调用功能，但对于一些较为复杂的行为如场景交互等则支持有限。鉴于虚拟实验室的跨平台性和适于网络传输的特性，本文选择 Java 作为与 VRML 场景通信的编程语言，通过SAI(Script Authoring Interface)和 EAI (External Authoring Interface)使 Java 与 VRML 相结合，SAI 应用 VRML 中的 Script 节点从 VRML 场景内部提供了与 Java 的连接，通过 Java Script结合 VRML 中的脚本和路由节点实现 VRML 场景中物体的控制；EAI 则定义了与 HTML页面中与 Applet 通信的接口，通过 Java Applet 直接和用户交互从而控制 VRML 场景中的各个节点。
2.2 接触检测器设计
接触检测器(touchSensor)是在场景交互设计中最常用的检测器之一，可以感知用户的移动、点击和拖动。当用户按下鼠标时，touchSensor 节点输出一个TURE事件；当用户松开鼠标时，touchsensor 节点则输出一个FALSE事件，并且利用 touchTime 输出当前的绝对时间。
3 系统应用
虚拟实验室的功能包括实验室管理、零件三维展示、夹具设计、加工仿真以及产品虚拟装配等。下面以钻床夹具为例，阐述虚拟实验室的实际应用。
(1)钻套
该钻套为可换钻套，装在衬套中，衬套压装在钻模板上。在钻套上特别设计了一个圆弧型缺口，由螺钉将钻套压紧，以防止钻套转动和退刀时脱出。钻套磨损后，将螺钉松开可迅速更换。
(2)钻模板
该钻套为铰链式钻模板，通过圆柱销、铰链及连接件与夹具体相连。参考国家标准，圆柱销与钻模板的销孔一般采用 G7/h6 配合，圆柱销与连接件的销孔一般采用 N7/h6 配合，钻模板与连接件的凹槽一般采用 H8/g7 配合。钻削加工时，钻模板用内六角螺钉压紧。
(3)定位元件
定位元件包括两个定位销和夹具体的上表面。在钻模板上事先加工好两个定位孔，采用一面两孔的方式定位。钻模板上两个定位孔孔距公差一般取被加工零件相应公差的 1/2 至 1/3。
(4)夹紧装置
钻模板用四个内六角螺钉压紧，铰链与连接件则利用手柄的内螺纹和铰链的外螺纹连接压紧。
4 结束语
VRML 作为一种面向对象的三维建模语言，不仅支持数据和过程的三维表示，而且通过Java 能够访问VRML 场景、接受和发送事件、从页面上得到VRML 对象，实现与VRML场景的通信和交互，给用户带来沉浸式的新的感受和体验。本文从提高学生课堂学习兴趣，增强培训效果出发，探讨了虚拟机械加工实验室的框架结构和逻辑流程，对数据交互和碰撞检测等关键技术问题进行了研究，以钻床夹具为例，阐述了虚拟机械加工实验室的应用功能。目前，虚拟机械加工实验室在台州职业技术学院网络教学平台中已经公开发布，系统运行正常。希望在不久的将来，虚拟现实技术能够在更多的高校、更多的学科中得到更为广泛的应用和推广。