機械原理虛擬實驗教學系統

為了滿足機械基礎實驗教學信息化建設的需要,結合機械原理實驗的特點,對Cult3D Designer虛擬現實交互事件設計和交互動作結果在VB編程軟件中發布等技術進行研究后,利用Pro/Engineer、3D Max、Cult3DDesigner和VB 6.0完成了機械原理虛擬實驗系統的開發。實驗表明,本機械原理虛擬實驗系統可提高學生實驗的興趣,可解決實驗室設備不足的問題,有利于學生預習實驗、完成實驗和進行實驗交流。

機械原理課程是機械類專業的一門主干技術基礎課,其理論性和實踐性都很強,它的實驗教學是機械原理課程教學中的一個重要實踐環節。目前,機械原理實驗存在以下局限性:1不能展示機構尺寸與性能的動態關系;o硬件依存性較強,需要數量較大的儀器設備;?部分實驗費時、費力、效率低。如機構運動簡圖測繪實驗需要大量的實物與機構模型;齒輪的范成實驗不但需要足夠多套數的范成儀,而且實驗過程繁瑣、枯燥。隨著招生規模的逐年擴大,教學改革的不斷深入,機械原理實驗的教學任務越來越重,儀器設備臺套數和實驗教師數量相對不足等問題愈加突出。為了以最少的經費投入解決以上問題,并進一步激發學生的學習興趣、增強實驗效果、提高實驗教學質量,我們開發了機械原理虛擬實驗系統。該系統由四個虛擬實驗組成,各虛擬實驗又自成體系,不僅包括實驗指導、虛擬實驗、實驗報告編輯等功能還具有詳盡的理論知識和幫助信息。該系統將原有實驗環境進行計算機虛擬,學生可以在計算機上進行實驗,其具有簡潔明快的操作、豐富的人機交互功能、悅目的動畫演示,激發了學生的學習、實驗興趣,同時克服了原有實驗的不足,很大程度上增強了實驗效果。

1　虛擬實驗系統的構成與功能

機械原理虛擬實驗系統由機構運動簡圖測繪實驗、平面四桿機構連桿曲線分布特征實驗、漸開線齒輪

的范成實驗和凸輪運動規律與幾何特征的演示實驗等四個虛擬實驗組成,各虛擬實驗均包含實驗指導窗口、虛擬實驗窗口、實驗報告編輯窗口、相關理論知識窗口和幫助信息窗口等功能窗口,一目了然的控件功能設置和詳盡的幫助信息使虛擬實驗系統使用起來更加方便。下面分別介紹各虛擬實驗的實驗窗口的主要功能設置。

1.1　機構運動簡圖的測繪虛擬實驗

機構運動簡圖的測繪虛擬實驗具有一個豐富的機構三維模型庫,在虛擬實驗窗口的左側設計有演示區,右側設計有繪圖區,繪圖區具有簡單的繪制直線、折線、圓,擦除,保存,打印等功能。在演示區內可以動態演示模型庫中各機構模型的運動情況,在繪圖區可以繪制相應機構的運動簡圖。如圖1所示,窗口左側為轉動導桿泵的三維動畫,右側為所繪制的機構運動簡圖。1.2　平面四桿機構的連桿曲線分布特征虛擬實驗

平面四桿機構的連桿曲線分布特征虛擬實驗,既

機械原理虛擬實驗系統的開發與應用

可以參數化地繪制連桿曲線,又可以動態演示連桿曲線的形成過程。圖2(a)中,窗口(Ⅰ)為參數與控制窗口,窗口(Ⅱ)為連桿曲線繪制窗口,窗口(Ⅰ)浮動在窗口(Ⅱ)上,通過改變窗口(Ⅰ)中機構的基本參數可以在窗口(Ⅱ)繪制出不同的連桿曲線;窗口(Ⅱ)中的曲線組由表1所示參數組繪制得到。圖2(b)所示窗口中動態地演示了連桿曲線的形成過程,并保留了該過程中的各桿的位置,生成了機構的運動包絡圖;若在參數控制窗口中單擊選中“顯示桿的瞬時位置”單選按鈕,則只顯示機構的運動過程。

　機構運動簡圖的測繪虛擬實驗主窗口

　齒輪范成虛擬實驗

 平面四桿機構的連桿曲線分布特征虛擬實驗主窗口

　齒輪范成虛擬實驗的實驗窗口不但實現了繪圖環

境的設置、參數的輸入及判斷、生成齒輪圖形和范成加工的動態演示,還能實現生成圖形的簡單處理、存儲、打印和各功能窗口的相互切換等功能。還可以進行包絡線密集程度、自動演示速度的設置和標注被加工齒輪重要幾何尺寸。如圖3所示,窗口的左側為參數輸入與控制區,右側為齒形繪制區。點擊左下側的“一次生成”按鈕可直接在齒形繪制區生成齒輪齒形;若點擊“手動演示”按鈕,每點擊一次齒條刀具將沿被加工齒輪的節圓滾動一定角度,當點擊次數足夠多時將形成一完整的齒形;點擊“自動演示”按鈕,系統可自動演示齒輪加工過程。

1.4　凸輪運動規律與幾何特征的演示虛擬實驗凸輪運動規律與幾何特征的演示虛擬實驗,用三維動畫歸納了凸輪機構的類型,實現了常用運動規律下的凸輪機構的參數化設計,界面友好、功能全面。圖4為該虛擬實驗的凸輪設計與演示窗口,該窗口的右側為運動規律選擇與參數輸入區