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机械原理虚拟实验教学系统

 对机械原理课程教学的难点、实验课程的现状进行分析,提出在机械原理实验教学中采用虚拟仿真技术的意义及实现方法.利用虚拟仿真技术形象直观地表达机构的结构组成,分析机构的运动学和动力学特性,能够有效的促进机械原理的教学,同时能够培养学生的科学研究能力和创新能力,节省实验设备开支,因而具有重要的教学意义和经济意义.

 

为了满足机械基础实验教学信息化建设的需要,结合机械原理实验的特点,对Cult3D Designer虚拟现实交互事件设计和交互动作结果在VB编程软件中发布等技术进行研究后,利用Pro/Engineer、3D Max、Cult3DDesigner和VB 6.0完成了机械原理虚拟实验系统的开发。实验表明,本机械原理虚拟实验系统可提高学生实验的兴趣,可解决实验室设备不足的问题,有利于学生预习实验、完成实验和进行实验交流。

机械原理课程是机械类专业的一门主干技术基础课,其理论性和实践性都很强,它的实验教学是机械原理课程教学中的一个重要实践环节。目前,机械原理实验存在以下局限性:1不能展示机构尺寸与性能的动态关系;o硬件依存性较强,需要数量较大的仪器设备;?部分实验费时、费力、效率低。如机构运动简图测绘实验需要大量的实物与机构模型;齿轮的范成实验不但需要足够多套数的范成仪,而且实验过程繁琐、枯燥。随着招生规模的逐年扩大,教学改革的不断深入,机械原理实验的教学任务越来越重,仪器设备台套数和实验教师数量相对不足等问题愈加突出。为了以最少的经费投入解决以上问题,并进一步激发学生的学习兴趣、增强实验效果、提高实验教学质量,我们开发了机械原理虚拟实验系统。该系统由四个虚拟实验组成,各虚拟实验又自成体系,不仅包括实验指导、虚拟实验、实验报告编辑等功能还具有详尽的理论知识和帮助信息。该系统将原有实验环境进行计算机虚拟,学生可以在计算机上进行实验,其具有简洁明快的操作、丰富的人机交互功能、悦目的动画演示,激发了学生的学习、实验兴趣,同时克服了原有实验的不足,很大程度上增强了实验效果。

1 虚拟实验系统的构成与功能

机械原理虚拟实验系统由机构运动简图测绘实验、平面四杆机构连杆曲线分布特征实验、渐开线齿轮

的范成实验和凸轮运动规律与几何特征的演示实验等四个虚拟实验组成,各虚拟实验均包含实验指导窗口、虚拟实验窗口、实验报告编辑窗口、相关理论知识窗口和帮助信息窗口等功能窗口,一目了然的控件功能设置和详尽的帮助信息使虚拟实验系统使用起来更加方便。下面分别介绍各虚拟实验的实验窗口的主要功能设置。

1.1 机构运动简图的测绘虚拟实验

机构运动简图的测绘虚拟实验具有一个丰富的机构三维模型库,在虚拟实验窗口的左侧设计有演示区,右侧设计有绘图区,绘图区具有简单的绘制直线、折线、圆,擦除,保存,打印等功能。在演示区内可以动态演示模型库中各机构模型的运动情况,在绘图区可以绘制相应机构的运动简图。如图1所示,窗口左侧为转动导杆泵的三维动画,右侧为所绘制的机构运动简图。1.2 平面四杆机构的连杆曲线分布特征虚拟实验

平面四杆机构的连杆曲线分布特征虚拟实验,既

机械原理虚拟实验系统的开发与应用

可以参数化地绘制连杆曲线,又可以动态演示连杆曲线的形成过程。图2(a)中,窗口(Ⅰ)为参数与控制窗口,窗口(Ⅱ)为连杆曲线绘制窗口,窗口(Ⅰ)浮动在窗口(Ⅱ)上,通过改变窗口(Ⅰ)中机构的基本参数可以在窗口(Ⅱ)绘制出不同的连杆曲线;窗口(Ⅱ)中的曲线组由表1所示参数组绘制得到。图2(b)所示窗口中动态地演示了连杆曲线的形成过程,并保留了该过程中的各杆的位置,生成了机构的运动包络图;若在参数控制窗口中单击选中“显示杆的瞬时位置”单选按钮,则只显示机构的运动过程。

 机构运动简图的测绘虚拟实验主窗口

 齿轮范成虚拟实验

 平面四杆机构的连杆曲线分布特征虚拟实验主窗口

 齿轮范成虚拟实验的实验窗口不但实现了绘图环

境的设置、参数的输入及判断、生成齿轮图形和范成加工的动态演示,还能实现生成图形的简单处理、存储、打印和各功能窗口的相互切换等功能。还可以进行包络线密集程度、自动演示速度的设置和标注被加工齿轮重要几何尺寸。如图3所示,窗口的左侧为参数输入与控制区,右侧为齿形绘制区。点击左下侧的“一次生成”按钮可直接在齿形绘制区生成齿轮齿形;若点击“手动演示”按钮,每点击一次齿条刀具将沿被加工齿轮的节圆滚动一定角度,当点击次数足够多时将形成一完整的齿形;点击“自动演示”按钮,系统可自动演示齿轮加工过程。

1.4 凸轮运动规律与几何特征的演示虚拟实验凸轮运动规律与几何特征的演示虚拟实验,用三维动画归纳了凸轮机构的类型,实现了常用运动规律下的凸轮机构的参数化设计,界面友好、功能全面。图4为该虚拟实验的凸轮设计与演示窗口,该窗口的右侧为运动规律选择与参数输入区