機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

何玉林，陳磊磊

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)是《機(jī)械原理》課程的一個(gè)必開(kāi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于實(shí)驗(yàn)用的機(jī)構(gòu)模型在使用的過(guò)程中有的已經(jīng)損壞，再加上種類(lèi)和數(shù)量少，又缺少一些新型的機(jī)構(gòu)，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)的深度和教學(xué)效果[1]。而利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，既可以降低實(shí)驗(yàn)成本，又可以提高實(shí)驗(yàn)效果。本文根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上就可以自主地完成實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)是基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的。該實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生學(xué)會(huì)撇開(kāi)機(jī)構(gòu)的外形，掌握各種機(jī)構(gòu)模型運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的測(cè)繪方法，并分析和計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，以及各種運(yùn)動(dòng)副在機(jī)構(gòu)中的正確表達(dá)方法。

繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的基本步驟是：①找出結(jié)構(gòu)的原動(dòng)件，手動(dòng)機(jī)構(gòu)，觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，確定構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副的種類(lèi)；②選擇一個(gè)合適的平面，確定機(jī)架點(diǎn)的相對(duì)位置；③任意假定原動(dòng)件的位置，從原動(dòng)件出發(fā)，沿著傳遞路線(xiàn)，將構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)連接起來(lái)，完成運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的草圖；④進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸測(cè)量，并按照一定的比例，將草圖畫(huà)成正式的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；⑤進(jìn)行自由度計(jì)算，驗(yàn)證所畫(huà)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖是否正確。

基于以上內(nèi)容，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括實(shí)驗(yàn)幫助、機(jī)構(gòu)選型、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪、自由度計(jì)算、檢查和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告保存模塊等。系統(tǒng)采用Delphi軟件編程和Solid Works軟件繪圖仿真共同完成和實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)各模塊功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 主窗體模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)主窗體，是系統(tǒng)的啟動(dòng)窗體，具有機(jī)構(gòu)選型和提供幫助文件的功能，供學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型和查看幫助文件。在窗體里設(shè)計(jì)了多個(gè)按鈕，將幫助文件和機(jī)構(gòu)模型用工具欄控件在主窗體中顯示出來(lái)。通過(guò)Delphi軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)Solid Works文件的調(diào)用，可以對(duì)測(cè)繪機(jī)構(gòu)模型隨時(shí)添加和更新，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)只要選擇相應(yīng)的機(jī)構(gòu)名稱(chēng)就可以開(kāi)始該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和簡(jiǎn)圖測(cè)繪。目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的機(jī)構(gòu)選型25種。

機(jī)構(gòu)選型源代碼：

begin

NiuTouBao.Show；

NiuTouBao.SetJGStyle（1）；//機(jī)構(gòu)的類(lèi)型 1牛頭刨 2鉚釘機(jī) 3拋光機(jī)4雙沖頭機(jī)構(gòu)……；

FigForm.SetJGStyle（1）；

end；

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示設(shè)置部分源代碼：

begin

if（MediaPlayer1.DeviceID<>0）then

begin

if（MediaPlayer1.Mode=mpplaying）then

begin MediaPlayer1.Stop； end

end；

case JiGouStyle of

1:begin MediaPlayer1.FileName:='牛頭刨床.avi'； NiuTouBao.Caption:='牛頭刨床 '；end；

2:begin MediaPlayer1.FileName:='鉚釘機(jī).avi'；NiuTouBao.Caption:='鉚釘機(jī) '； end；

3:begin

…… //新增

end；

主窗體中的“幫助”功能主要內(nèi)容包括軟件使用說(shuō)明和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容，見(jiàn)圖1中的“幫助”。將這些內(nèi)容編輯成PDF文檔，自成一體，用Delphi軟件編程進(jìn)行調(diào)用，界面整潔、美觀，操作方便，當(dāng)操作其他窗體如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、繪圖時(shí)，也便于學(xué)生查看，不影響操作。選擇幫助文件的程序代碼：

procedure TForm3.FormShow（Sender:TObject）；

begin

if typ=2 then

PDF1.LoadFile（'機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).pdf'）

else if typ=1 then

PDF1.LoadFile（'機(jī)械原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用說(shuō)明.pdf'）；

end；

2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪模塊

每個(gè)機(jī)構(gòu)模型測(cè)繪的功能界面設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示、基本圖元繪制工具、繪圖、分析檢查、自由度計(jì)算等。

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制界面

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)演示是通過(guò)Delphi軟件編程，調(diào)用Solid Works軟件繪制好的機(jī)構(gòu)三維圖，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)快進(jìn)、暫停等控制，從不同的角度觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，便于繪圖平面的選擇，如圖1中的①所示。

基本圖元繪制工具?；緢D元是指繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)一次操作所繪制的最小圖形，一方面是考慮利用它們能夠靈活繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、方便結(jié)構(gòu)表達(dá)、數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)等，另一方面圖元選擇要遵守“快速性、直觀性、可視性、方便性、可擴(kuò)展性”的基本原則[3]，因此，本系統(tǒng)選擇了構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副作為基本圖元，符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的表達(dá)方式，可以提高繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的效率和靈活性，通過(guò)編程也容易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中的基本圖元共有15種如圖1中的②所示。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制如圖1中的③所示，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊②相應(yīng)的圖元，即可在繪圖區(qū)域繪制每一種機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，可以實(shí)現(xiàn)捕捉、導(dǎo)航、刪除、清屏、退出當(dāng)前操作、撤銷(xiāo)上一步等功能；其測(cè)繪功能可以利用Solid Works軟件的測(cè)量工具直接進(jìn)行測(cè)量。

2.3 數(shù)據(jù)后處理

繪制完圖后，可以進(jìn)行在線(xiàn)檢查、保存打印、分析等，還可以對(duì)原來(lái)繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖進(jìn)行加載，如圖1中的④所示；輸入構(gòu)件數(shù)、高副數(shù)、低副數(shù)等，即可計(jì)算自由度，如圖1中的⑤所示。

繪圖檢查程序代碼：

begin

//繪圖檢查

zw:=FigForm.PanDuan（）；

if zw=true then

showMessage（'perfect!恭喜你，繪制的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖是正確的'）

else

ShowMessage（'很遺憾，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制有誤 '）；

end；

結(jié)果保存程序代碼：

begin

//FigForm.DaYin（）；

//保存圖片 //打印

Hand:=FindWindow（nil，'牛頭刨床 '）；

GetWindowRect（hand，rect）；

ScreenCap（rect.Left+680，rect.Top+80，rect.Left+666+440，rect.Top+481）；//

LeftPos，TopPos，RightPos，BottomPos:integer

end；

3 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了基于Delphi軟件編程和Solid Works繪圖軟件的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)在2013級(jí)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生中得到應(yīng)用，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生根據(jù)幫助文件，可以在課堂外自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示，可以了解一些新的機(jī)構(gòu)，解決了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透碌膯?wèn)題，在提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，可以提高學(xué)生的觀察和思維能力，從而提高學(xué)生對(duì)機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)興趣。

[1]馬曉麗.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖測(cè)繪虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械，2010，27（5）:33-34.

[2]宋一兵，趙景波，李春艷，等.Delphi7基礎(chǔ)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]王成志，黃凱旋，陳飛燕.計(jì)算機(jī)可視化繪制機(jī)構(gòu)及其動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（3）:24-25.