機構運動簡圖測繪虛擬仿真實驗的設計與開發

何玉林，陳磊磊

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

機構運動簡圖測繪實驗是《機械原理》課程的一個必開實驗項目。由于實驗用的機構模型在使用的過程中有的已經損壞，再加上種類和數量少，又缺少一些新型的機構，這在一定程度上影響了實驗的深度和教學效果[1]。而利用計算機技術進行虛擬實驗，既可以降低實驗成本，又可以提高實驗效果。本文根據機構運動簡圖測繪實驗的要求，設計開發了機構運動簡圖測繪虛擬實驗系統，讓學生在計算機上就可以自主地完成實驗的相關內容。

1 虛擬實驗系統的設計思路

本系統是基于機構運動簡圖測繪實驗的實驗目的、實驗要求和實驗內容進行設計和開發的。該實驗是要求學生學會撇開機構的外形，掌握各種機構模型運動簡圖的測繪方法，并分析和計算機構的自由度，以及各種運動副在機構中的正確表達方法。

繪制機構運動簡圖的基本步驟是：①找出結構的原動件，手動機構，觀察機構的運動特性，確定構件數和運動副的種類；②選擇一個合適的平面，確定機架點的相對位置；③任意假定原動件的位置，從原動件出發，沿著傳遞路線，將構件用運動副的符號連接起來，完成運動簡圖的草圖；④進行機構尺寸測量，并按照一定的比例，將草圖畫成正式的運動簡圖；⑤進行自由度計算，驗證所畫機構運動簡圖是否正確。

基于以上內容，本系統的設計應該包括實驗幫助、機構選型、機構運動演示、機構運動簡圖測繪、自由度計算、檢查和提交實驗報告保存模塊等。系統采用Delphi軟件編程和Solid Works軟件繪圖仿真共同完成和實現。

2 系統各模塊功能的實現

2.1 主窗體模塊

本系統設計了一個主窗體，是系統的啟動窗體，具有機構選型和提供幫助文件的功能，供學生進行機構選型和查看幫助文件。在窗體里設計了多個按鈕，將幫助文件和機構模型用工具欄控件在主窗體中顯示出來。通過Delphi軟件編程實現對Solid Works文件的調用，可以對測繪機構模型隨時添加和更新，學生做實驗時只要選擇相應的機構名稱就可以開始該機構運動仿真和簡圖測繪。目前開發出來的機構選型25種。

機構選型源代碼：

begin

NiuTouBao.Show；

NiuTouBao.SetJGStyle（1）；//機構的類型 1牛頭刨 2鉚釘機 3拋光機4雙沖頭機構……；

FigForm.SetJGStyle（1）；

end；

機構運動演示設置部分源代碼：

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.avi'；NiuTouBao.Caption:='鉚釘機 '； end；

3:begin

…… //新增

end；

主窗體中的“幫助”功能主要內容包括軟件使用說明和實驗指導書的內容，見圖1中的“幫助”。將這些內容編輯成PDF文檔，自成一體，用Delphi軟件編程進行調用，界面整潔、美觀，操作方便，當操作其他窗體如機構運動仿真、繪圖時，也便于學生查看，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（'機構運動簡圖繪虛擬仿真實驗指導書.pdf'）

else if typ=1 then

PDF1.LoadFile（'機械原理虛擬實驗平臺使用說明.pdf'）；

end；

2.2 機構運動簡圖測繪模塊

每個機構模型測繪的功能界面設計如圖1所示，主要包括機構運動演示、基本圖元繪制工具、繪圖、分析檢查、自由度計算等。

圖1 機構運動簡圖繪制界面

機構運動演示是通過Delphi軟件編程，調用Solid Works軟件繪制好的機構三維圖，可以實現機構運動的仿真，還可以實現運動快進、暫停等控制，從不同的角度觀察機構的運動情況，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。基本圖元是指繪制機構運動簡圖時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構運動簡圖、方便結構表達、數據計算、存儲等，另一方面圖元選擇要遵守“快速性、直觀性、可視性、方便性、可擴展性”的基本原則[3]，因此，本系統選擇了構件和運動副作為基本圖元，符合機構運動簡圖的表達方式，可以提高繪制機構運動簡圖的效率和靈活性，通過編程也容易實現。系統中的基本圖元共有15種如圖1中的②所示。

機構運動簡圖繪制如圖1中的③所示，用鼠標點擊②相應的圖元，即可在繪圖區域繪制每一種機構的機構運動簡圖，可以實現捕捉、導航、刪除、清屏、退出當前操作、撤銷上一步等功能；其測繪功能可以利用Solid Works軟件的測量工具直接進行測量。

2.3 數據后處理

繪制完圖后，可以進行在線檢查、保存打印、分析等，還可以對原來繪制的機構運動簡圖進行加載，如圖1中的④所示；輸入構件數、高副數、低副數等，即可計算自由度，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，繪制的機構簡圖是正確的'）

else

ShowMessage（'很遺憾，機構簡圖繪制有誤 '）；

end；

結果保存程序代碼：

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 結束語

本文開發了基于Delphi軟件編程和Solid Works繪圖軟件的機構運動簡圖測繪虛擬仿真實驗教學系統，實驗系統已經在2013級機械電子工程專業學生中得到應用，取得了良好的實驗效果。學生根據幫助文件，可以在課堂外自主進行實驗，通過動畫演示，可以了解一些新的機構，解決了實驗模型更新的問題，在提高學生動手能力的同時，可以提高學生的觀察和思維能力，從而提高學生對機械原理課程的學習興趣。

[1]馬曉麗.機構運動簡圖測繪虛擬實驗系統的研制[J].機械，2010，27（5）:33-34.

[2]宋一兵，趙景波，李春艷，等.Delphi7基礎教程[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]王成志，黃凱旋，陳飛燕.計算機可視化繪制機構及其動畫系統的研究[J].機械設計與制造，2011，（3）:24-25.