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開放式網(wǎng)上機械原理虛擬實驗室軟件

機械原理課程是機械類專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，其理論性和實踐性都很強。機械原理實驗教學(xué)是機械原理課程教學(xué)中的一個重要實踐環(huán)節(jié)。

該軟件是針對大學(xué)?？?、本科《機械原理》實驗課程配套開發(fā)的可在網(wǎng)上開展的虛擬實驗，軟件模擬實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境，提供網(wǎng)上實驗教學(xué)過程管理功能，包括：典型實驗庫的維護、實驗安排、提交實驗報告、實驗批改、成績統(tǒng)計、實驗答疑等功能模塊?？蓾M足高等學(xué)校和各類培訓(xùn)機構(gòu)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的需要，尤其適用于遠程教學(xué)。

軟件的目的意義：

目前，現(xiàn)實中的機械原理實驗存在以下局限性：

1、硬件依存性較強，只能在特定實驗室進行；

2、儀器設(shè)備數(shù)量有限，無法滿足學(xué)生獨立進行實驗的需求；

3、部分實驗具有一定危險性，如減速器拆裝等實驗；

4、部分實驗費時、費力、效率低，如齒輪范成實驗不但需要足夠多套數(shù)的范成儀，而且實驗過程繁瑣、枯燥；

隨著招生規(guī)模的逐年擴大，教學(xué)改革的不斷深入，機械原理實驗的教學(xué)任務(wù)越來越重，儀器設(shè)備臺套數(shù)和實驗教師數(shù)量相對不足等問題愈加突出。為了以最少的經(jīng)費投入解決以上問題，并進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣、增強實驗效果、提高實驗教學(xué)質(zhì)量，我們開發(fā)了開放式網(wǎng)上機械原理虛擬實驗室軟件。

軟件提供了50種機構(gòu)模型和若干種常用機械實驗臺：

1、齒輪

錐齒輪、人字齒輪、斜齒輪、蝸輪等

2、凸輪

滾子凸輪、等寬凸輪、移動凸輪、平底凸輪等

3、連桿

擺動導(dǎo)桿、雙搖桿、吊車、曲柄搖桿等

4、運動副

齒條、滑動副、圓柱副、齒輪副等

5、齒輪范成儀

包括范成儀、圓規(guī)、鉛筆、剪刀等實驗器材

6、轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺

包括JPH—A型動平衡試驗臺、轉(zhuǎn)子試件、百分表等實驗器材

使用現(xiàn)有器材模型，系統(tǒng)可開展如下6個常用機械虛擬實驗的訓(xùn)練：

• 機構(gòu)陳列柜虛擬實驗

• 機構(gòu)運動參數(shù)測試虛擬實驗

• 齒輪范成原理虛擬實驗

• 轉(zhuǎn)子動平衡虛擬實驗

• 剛性轉(zhuǎn)子動平衡虛擬實驗

• 四連桿機構(gòu)演示實驗

（1）機構(gòu)陳列柜實驗

實驗中陳列了連桿機構(gòu)20種、齒輪機構(gòu)11種、凸輪機構(gòu)10種、運動副機構(gòu)10種。

實驗中以三維動畫的形式表現(xiàn)每種機構(gòu)的工作原理，期間用戶可以拉近拉遠視角，并可以360°自由旋轉(zhuǎn)觀看動畫。

空間機構(gòu)效果示意圖

正弦機構(gòu)效果示意圖

后橋機構(gòu)效果示意圖

揉面機構(gòu)效果示意圖

（2）機構(gòu)運動參數(shù)測試實驗

該實驗內(nèi)容實驗認知、參數(shù)測定2大模塊，其實驗?zāi)康娜缦拢?/p>

1、通過實驗，了解位移、速度、加速度的測定方法；轉(zhuǎn)速及回轉(zhuǎn)不勻率的測定方法；

2、通過實驗，初步了解“QID-III型組合機構(gòu)實驗臺”及光電脈沖編碼器、同步脈沖發(fā)生器（或稱角度傳感器）的基本原理，并掌握它們的使用方法；

3、通過比較理論運動曲線與實測運動曲線的差異，并分析其原因，增加對運動速度特別是加速度的感性認識；

4、比較曲柄滑塊機構(gòu)與曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)的性能差別。

5、檢測凸輪直動從動桿的運動規(guī)律；

6、比較不同凸輪廓線或接觸副，對凸輪直動從動桿運動規(guī)律的影響。

本實驗的實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由以下設(shè)備組成：

1、實驗機構(gòu)—曲柄滑塊、導(dǎo)桿、凸輪組合機構(gòu)

2、光電脈沖編碼器

3、同步脈沖發(fā)生器（或稱角度傳感器）

4、QTD-III型組合機構(gòu)實驗儀（單片機檢測系統(tǒng)）

5、個人電腦

該組合實驗裝置，只需拆裝少量零部件，即可分別構(gòu)成四種典型的傳動系統(tǒng)，他們分別是曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿滑塊機構(gòu)、平底直動從動桿凸輪機構(gòu)和滾子直動從動桿凸輪機構(gòu)。而每一種機構(gòu)的某一些參數(shù)，如曲柄長度、連桿長度、滾子偏心等都可在一定范圍內(nèi)作一些調(diào)整，通過學(xué)生拆裝及調(diào)整可加深實驗者對機械結(jié)構(gòu)本身特點的了解，對某些參數(shù)改動對整個運動狀態(tài)的影響也會有更好的認識。

實驗認知

參數(shù)測定

觀察實驗曲線

（3）齒輪范成原理實驗

本虛擬仿真實驗提供仿真實驗設(shè)備，模擬真實實驗設(shè)備的操作方法，引導(dǎo)用戶完成整個齒輪范成原理實驗。實驗過程中，直觀展現(xiàn)齒輪的漸開線及過渡曲線的形成過程，同時在實驗過程中穿插現(xiàn)實中齒輪范成實驗的過程錄像，使用戶更容易理解實驗過程。
實驗具體操作步驟如下：

1、制作齒輪毛坯；

2、對刀，使刀具中線與分度圓相切；

3、繪制齒輪線，逐步移動滑板，直到形成2-3個完整齒形為止；

4、將刀具向上移動5mm，繼續(xù)進行第3步操作；

5、將刀具向下移動10mm，繼續(xù)進行第3步操作；

（4）轉(zhuǎn)子動平衡實驗

實驗中首先進行轉(zhuǎn)子動平衡實驗臺的安裝，使用戶更容易理解實驗原理，然后進行相關(guān)實驗操作，添加和調(diào)節(jié)平衡塊等，最終使得百分表的指針晃動幅度最小。

轉(zhuǎn)子動平衡實驗

（5）剛性轉(zhuǎn)子的動平衡試驗

實驗?zāi)康模?/p>

1、了解DPH-I型智能動平衡機的工作原理和轉(zhuǎn)子的動平衡過程。

2、熟習用DPH-I型智能動平衡機及對回轉(zhuǎn)構(gòu)件進行動平衡的調(diào)節(jié)方法。

3、培養(yǎng)操作、使用先進設(shè)備的動手能力和工程實踐能力。

實驗設(shè)備：DPH-I型智能動平衡機

1、系統(tǒng)組成及其工作原理

系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集器、高靈敏度有源壓電力傳感器和光電相位傳感器等組成。如圖所示，當被測轉(zhuǎn)子在部件上被拖動旋轉(zhuǎn)后，由于轉(zhuǎn)子的中心慣性主軸與其旋轉(zhuǎn)軸線存在偏移而產(chǎn)生不平衡離心力，迫使支承做強迫震動，安裝在左右兩個硬支撐機架上的兩個有源壓電力傳感器感受此力而發(fā)生機電換能，產(chǎn)生兩路包含有不平衡信息的電信號輸出到數(shù)據(jù)采集裝置的兩個信號輸入端；與此同時，安裝在轉(zhuǎn)子上方的光電相位傳感器產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同頻同相的參考信號，通過數(shù)據(jù)采集器輸入到計算機。