為了更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，提高?shí)驗(yàn)效率，作者以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求、實(shí)驗(yàn)原理、方法為藍(lán)本，用計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，模擬仿真該實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前在計(jì)算機(jī)上對(duì)自己所設(shè)計(jì)方案的可行性、正確性進(jìn)行可視化驗(yàn)證，然后再進(jìn)行實(shí)際的拼接，提高了實(shí)驗(yàn)效率.

　　1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能

　　1)必須具備齊全的模型、而且盡量接近實(shí)物，這樣才能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行真實(shí)的模擬.

　　2)靈活性強(qiáng)，零件的參數(shù)能根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)功能，即改變其中一個(gè)零件的參數(shù)后，只需要重建模型，其它零件的相應(yīng)點(diǎn)的位置會(huì)跟著發(fā)生改變，零件之間依然保持相應(yīng)的聯(lián)結(jié)關(guān)系，而不需重新進(jìn)行裝配.

　　3)對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的模擬仿真功能.

　　4)具有運(yùn)動(dòng)特性分析和動(dòng)力特性分析的功能.

　　5)具有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)功能.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示.

　　2系統(tǒng)開發(fā)方法

　　虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選用的平臺(tái)是三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)SolidWorks。SolidWorks它是基于Windows的全參數(shù)化特征造型軟件，可十分方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型、復(fù)雜裝配和生成工程圖，以參數(shù)化和特征建模的技術(shù)為核心，為設(shè)計(jì)人員提供了良好的設(shè)計(jì)環(huán)境，還可以方便地對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā).用戶二次開發(fā)的應(yīng)用程序，可直接掛在SolidWorks的菜單下，形成統(tǒng)一的界面.一般而言，開發(fā)人員首先需要在SolidWorks的界面上添加自己的菜單項(xiàng)，以此作為激活用戶程序的接口，完成與用戶的數(shù)據(jù)交換。

　　SolidWorks的API(Application Programming Interface應(yīng)用編程接口)提供了兩種接口方式:有OLE Automation的Idispatch和作為Windows基礎(chǔ)的COM(Component Object model).Idispatch的方法可用于VB、VBA或VC的開發(fā)環(huán)境，常作為快速開發(fā)的手段.本文開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所使用的程序就是采用的Idispatch接口方法，用VC++6.0編寫的.在程序編好后，編譯即可形成DLL文件.不同的操作系統(tǒng)需要用不同的設(shè)置:Windows95/98采用"MBCS";WindowsNT/2000采用"Unicode";生成需要的3dll文件后，就可以使用SolidWorks的"文件/打開"菜單，在過(guò)濾器中選擇"AddIns(3.dll)"，加載自己的DLL.若該DLL在注冊(cè)表中注冊(cè)成功，還可使用"工具/插件"菜單進(jìn)行一次性加載，以后啟動(dòng)SolidWorks，就可自動(dòng)加載該DLL，無(wú)須再進(jìn)行加載操作，十分方便.

　　3系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

　　3.1實(shí)驗(yàn)裝配零件庫(kù)的建立

　　為了滿足模型齊全的要求，筆者選用SolidWorks2001進(jìn)行零件的三維造型，并把所有實(shí)驗(yàn)室內(nèi)要用到的零件做成了一個(gè)零件庫(kù).通過(guò)對(duì)SolidWorks進(jìn)行設(shè)置，可以使自己創(chuàng)建的零件庫(kù)像工具條一樣陳列在SolidWorks主窗口中.具體方法是:通過(guò)選擇SolidWorks主菜單中的工具選項(xiàng)選擇文件位置，將文件夾顯示為調(diào)色板零件，再選"添加"，選中自己的零件庫(kù)文件夾的存放位置.要使用這個(gè)零件庫(kù)，只需要打開它就可以了.方法是，啟動(dòng)SolidWorks后，在工具下選擇FeaturePalette，隨后便有一個(gè)小窗口被打開，選中用戶添加的文件夾，就會(huì)有一個(gè)新的窗口打開，創(chuàng)建的零件庫(kù)內(nèi)所有零件都以圖標(biāo)的形式陳列在窗口內(nèi)，就好象在真實(shí)實(shí)驗(yàn)里看到的擺放在實(shí)驗(yàn)室里的零件一樣.但使用起來(lái)比在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室里方便多了，你只需要移動(dòng)滑動(dòng)條，就可以找到所需要的零件.

　　3.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案的確定

　　在擬訂方案之前，首先可以從過(guò)去成功的設(shè)計(jì)案例中進(jìn)行檢索，看是否有與設(shè)計(jì)要求類似的設(shè)計(jì)案例.如果有，則以這個(gè)案例為模板，并對(duì)其作適當(dāng)?shù)男薷模詽M足當(dāng)前的設(shè)計(jì)要求.這樣做即可以保證設(shè)計(jì)要求，還可提高設(shè)計(jì)效率.如果沒(méi)有類似的設(shè)計(jì)案例，則利用所掌握的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行新的設(shè)計(jì).機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)具體由以下幾個(gè)步驟組成:

　　1)輸入設(shè)計(jì)要求(包括輸入輸出間的函數(shù)關(guān)系和工藝動(dòng)作要求等等)以及外部的各種約束條件.

　　2)將設(shè)計(jì)要求及外部條件分解成各個(gè)基本動(dòng)作、基本運(yùn)動(dòng)及其約束條件

　　3)初步選定能完成設(shè)計(jì)要求的基本機(jī)構(gòu)或已有案例.

　　4)將初步選定的基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，得到多種可能的設(shè)計(jì)方案.

　　5)對(duì)各種方案進(jìn)行初步的尺度綜合.

　　6)對(duì)各種方案的機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析(包括運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能分析).

　　7)對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序，以選出最滿意的方案.

　　8)如果所有方案均不滿意，則重新進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型及組合、尺度綜合及性能分析、方案評(píng)價(jià)及排序等工作.其中對(duì)方案的機(jī)構(gòu)性能分析可以通過(guò)所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)完成.

　　學(xué)生要做的就是先按以上步驟初步確定設(shè)計(jì)方案，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，然后利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配，給出初始輸入條件，讓系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，學(xué)生根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣作出判斷，如果滿意，則根據(jù)確定的方案進(jìn)行實(shí)際的拼接，如果不滿意，則對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型演化，再裝配，再分析，直至得出滿意方案.

　　3.3虛擬裝配

　　在虛擬裝配之前在磁盤上新建一個(gè)文件夾，用以存放選擇的零件和最后形成的裝配體.首先選出裝配所需要的零件，從零件庫(kù)拖出相應(yīng)零件的圖標(biāo)，系統(tǒng)就會(huì)打開相應(yīng)零件的編輯窗口，選擇另存為，把這個(gè)零件存放到新建的文件夾中.注意不要改變沒(méi)有保存的編輯窗口中零件的各項(xiàng)參數(shù)，因?yàn)榉旁谶@個(gè)零件庫(kù)中的零件是一個(gè)參考模板文件，它的參數(shù)一旦發(fā)生改變，所有以它為參考模板文件生成的文件中的相應(yīng)參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變，所以在拖出圖標(biāo)后，一定要將其另存到自己的文件夾中.即可以在裝配之前選好所要用的零件，也可在裝配時(shí)隨取，一般只需要選好幾類零件就可以了.SolidWorks是基于Windows操作系統(tǒng)的 ，使用起來(lái)完全和 Windows 一樣 ，可以利用復(fù)制、粘貼的形式在裝配體窗口內(nèi)生成同樣類型的多個(gè)零件.

　　如果是初始裝配，則需打開一個(gè)新的裝配體文件，將選好的零件插入到這個(gè)裝配體文件中，在零件之間添加相應(yīng)的裝配配合關(guān)系就可以了.各構(gòu)件之間的裝配關(guān)系和其運(yùn)動(dòng)副關(guān)系是這樣定義的:若是轉(zhuǎn)動(dòng)副，則在兩零件連接處添加端面貼合和同軸心關(guān)系;若是移動(dòng)副，則在兩零件接觸處添加平面貼合關(guān)系.對(duì)于機(jī)架和導(dǎo)軌等固定不動(dòng)的構(gòu)件通過(guò)右擊SolidWorks特征管理樹(Feature manager)中相應(yīng)零件的實(shí)體名，在彈出的菜單內(nèi)選擇固定來(lái)實(shí)現(xiàn).

　　由于是虛擬裝配，自然比真實(shí)裝配輕松得多.因?yàn)镾olidWorks可以實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)，所以改變裝配完的機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的某些參數(shù)，如桿長(zhǎng)，機(jī)架的位置后，只需要對(duì)裝配體機(jī)構(gòu)進(jìn)行重建模型，其它零件的相應(yīng)位置會(huì)根據(jù)配合關(guān)系跟著改變，而不需要拆卸后重新裝配.圖2所示為運(yùn)用此系統(tǒng)裝配好的四桿機(jī)構(gòu)，并且已在SolidWorks界面上加載了自己的菜單，準(zhǔn)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真.

　　3.4對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的干涉檢查

　　在裝配體形成后，首先要對(duì)其進(jìn)行初步的干涉檢查.可以使用SolidWorks自帶的干涉檢查功能.如果覺得不夠直觀的話，則可以用拖動(dòng)其中某個(gè)構(gòu)件的方法，觀察各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，直觀地看它們的運(yùn)動(dòng)是否會(huì)發(fā)生干涉.進(jìn)一步的干涉檢查，可以在運(yùn)動(dòng)的仿真過(guò)程中.選擇編程加載的菜單下運(yùn)動(dòng)仿真項(xiàng)，對(duì)裝配搭建的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真.在仿真過(guò)程中可以觀察到是否發(fā)生干涉，如果發(fā)生干涉，兩個(gè)零件將有重疊的部分，這就需要對(duì)機(jī)構(gòu)中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.

　　3.5機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真

　　機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于在每一運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，將各個(gè)構(gòu)件根據(jù)約束擺放到空間的指定位置上.構(gòu)件的初始位置在裝配體裝配好以后就確定了，其中機(jī)架位置的坐標(biāo)值用戶是可以自己設(shè)定的，而構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中的各個(gè)數(shù)據(jù)是由外部機(jī)構(gòu)分析程序提供.因此，這種機(jī)構(gòu)三維仿真方法不受機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和自由度所限制.給出不同的輸入，外部分析程序會(huì)提供不同的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，使機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中以便需要時(shí)進(jìn)行調(diào)用.

　　3.6機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析和動(dòng)力學(xué)特性分析

　　運(yùn)動(dòng)仿真之后，還需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性分析.從而判斷出所設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣.方法是輸出特征點(diǎn)的位置、速度、加速度、和力分析曲線.具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)VC編程繪制曲線圖，從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出保存好的繪圖所用的數(shù)據(jù).如果所設(shè)計(jì)的方案未打到設(shè)計(jì)要求，就需要修改設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)型的演化.演化的方法主要有運(yùn)動(dòng)副變換、加桿組、運(yùn)動(dòng)倒置、加自由度、運(yùn)動(dòng)等效變換，不斷對(duì)方案進(jìn)行修改，然后裝配，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和力學(xué)特性分析，直到形成最滿意的方案.

　　3.7實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)功能

　　實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)主要是在修改設(shè)計(jì)方案時(shí)，系統(tǒng)提供幫助信息，告訴以通過(guò)那些方法來(lái)優(yōu)化機(jī)構(gòu)，在學(xué)生選好一種方法后，系統(tǒng)會(huì)給出方法的原理，幫助使用者快速地修改方案。