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1、河南科技學院河南科技學院 2009 屆本科屆本科畢業(yè)設計畢業(yè)設計 設計題設計題目：機械目：機械設計設計虛虛擬實驗擬實驗室建室建設設 學生姓名：學生姓名： 晁晁 偉偉 所在院系：所在院系： 機機 電電 學學 院院 所學所學專業(yè)專業(yè)： ： 機機電電技技術術教育教育 導師導師姓名：姓名： 叢叢 曉曉 霞霞 完成完成時間時間： ：2009 年年 5 月月 23 日日 摘摘 要要 本文闡述了以 UG 和 Authorware 作為主要開發(fā)工具，進行機械設計虛擬實 驗室建設的思想方法。利用 UG 軟件對實驗設備進行建模、裝配、爆炸、運動仿 真、動畫和圖片導出，制作所需素材。然后利用多媒體制作軟件 Auth
2、orware 將各 種素材連接為一體，構(gòu)建出虛擬實驗室。文中提到的齒輪參數(shù)化建模方法可以加 快 UG 軟件的建模速度，提高虛擬實驗室的開發(fā)效率。 關關鍵詞鍵詞： ：機械設計；虛擬實驗室；Authorware；多媒體；動畫；UG 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 The Development of Mechaniacal Design Virtual Library Abstract This paper elaborats the methods of building virtual laboratory with UG and Authorware as the main t
3、ools to do mechanical design. Using UG software modeling ,assembling, explosing, motion simulating, animating, and picturing experimental equipments to make necessary materials, and then using multimedia Authorware software connecting various materials to design virtual laboratory. The gear parametr
4、ization modelling method mentioned in the article can accelerate the modeling speed of UG software and improve the efficiency of virtual laboratory Key words: Machine design , Virtual laboratory, Multimedia, Authorware, UG 目目 錄錄 1 緒論1 2 機械設計虛擬實驗室開發(fā)工具2 2.1 UG 軟件2 2.2 AUTHOWARE軟件.3 3 總程序框架圖3 4 片頭程序編寫4
5、 5 實驗室主界面編程6 6 常用機械7 7 齒輪搖桿機構(gòu)動畫制作10 7.1 機架建模10 7.2 搖桿建模11 7.3 直齒圓柱齒輪參數(shù)化建模11 7.4 部件裝配12 7.5 運動仿真13 7.6 動畫導出14 8 圖片素材的制作方法14 9 機械運動系統(tǒng)程序編寫15 9.1 平面連桿機構(gòu)程序編寫.15 10 程序整合調(diào)試16 11 結(jié)論17 謝辭18 參考文獻19 1 1 緒論緒論 隨著經(jīng)濟全球化和Internet 技術的發(fā)展以及先進制造技術的不斷完善,機電 類產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快,生產(chǎn)周期越來越短。鑒于儀器設備、配套設施、場地、 資金等方面條件的限制,我院機械教研室希望借助于現(xiàn)代化
6、的通信和信息處理技 術, 克服由于硬件設施限制所帶來的問題，建立一套擁有自主產(chǎn)權(quán)的機械設計虛 擬實驗室系統(tǒng)，以便學生可以通過計算機仿真交互地進行實驗,同時保證教學的 質(zhì)量。 所謂的虛擬實驗室就是以計算機網(wǎng)絡為核心, 將虛擬儀器通過網(wǎng)絡連接起來, 以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析，遠程操作的一個系統(tǒng)。而虛擬實驗,就是按照實驗教學的 基本要求, 建立虛擬的工程實驗環(huán)境，運用各種虛擬實驗儀器儀表和設備,對建 立起來的實驗模型進行實時仿真, 構(gòu)成新型的教學實驗。一些基礎性實驗, 如物 理實驗、機械基礎實驗、電子技術實驗、自動控制原理與系統(tǒng)實驗等, 都可以采 用虛擬的方法進行實驗. 虛擬實驗的應用和發(fā)展, 是對傳統(tǒng)
7、實驗教學模式的補充 和完善。 據(jù)資料顯示國外的一些大學已組建了遠程虛擬實驗室,如美國Michigan 大學 化學工程系建立了VRiC2 HEL (VirtualReality in Chemical Engineering Laboratory) 實驗室; 新加坡國立大學開發(fā)了遠程示波器實驗和壓力容器實驗等。虛擬實驗室 一般具有透明性、資源共享性、互動操作性、用戶自主性、擴展性以及安全性等 特點,是傳統(tǒng)實驗室無法比擬的,決定了它在科研、教育(特別是遠程教育) 中良好 應用前景。 目前,國內(nèi)也已有部分高校初步建立了虛擬實驗室。例如:清華大學利用虛擬 儀器構(gòu)建了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng);華中科技大學機械
8、學院工程測試實驗室將虛擬 實驗室成果在網(wǎng)上公開展示,供遠程教育使用;中國科學技術大學人工智能與計算 機應用研究室最新研制出我國第1套虛擬顯示教學軟件“幾何光學實驗設計平臺”。 但是,涉及到機械虛擬實驗室并不是很多。 鑒于以上情況，本文提出了一種以學生為主體的構(gòu)建機械設計虛擬實驗室的 方法。即采用采用當今世界上最先進和緊密集成的、面向制造業(yè)的 Unigraphics（簡稱UG）來制作各種機械零部件二維三維實體、裝配、爆炸、運動仿 真和動畫圖片等多媒體素材，交互性強大的多媒體制作軟件Authoreware作為機 械設計虛擬實驗室的最終建設平臺。 2 2 機械機械設計設計虛虛擬實驗擬實驗室開室開發(fā)發(fā)
9、工具工具 2.1 UG軟軟件件 UGS（Unigraphics Solutions）是全球發(fā)展最快的機械CAX (即CAD 、CAM、CAE等的總稱)公司之一。它的產(chǎn)品Unigraphics(簡稱UG)軟件是當前世 界上最先進和緊密集成的、面向制造業(yè)的CAX高端軟件，是知識驅(qū)動自動化技術 領域的領先者。UG的功能非常強大，已經(jīng)覆蓋了整個產(chǎn)品開發(fā)的全過程，即從概 念設計、功能工程、工程分析、加工制造到產(chǎn)品發(fā)布，無一不包括。 其主要功能如下： （1）產(chǎn)品設計。利用建模模塊、裝配模塊和制圖模塊，可建立各種復雜機構(gòu) 三維參數(shù)化實體裝配模型和部件詳細模型，半自動化生成平面工程圖紙；可應用 于個行業(yè)和各種
10、類型產(chǎn)品設計，支持產(chǎn)品外觀造型設計。所設計的產(chǎn)品模塊可以 進行虛擬裝配與各種分析，省去高價購買各種實驗機構(gòu)的過程，大大提高了構(gòu)建 機械設計虛擬實驗室的可行性。 （2）性能分析。利用有限元分析模塊，可以對產(chǎn)品模型進行受力分析、受熱分 析和模態(tài)分析。它可以和機械設計虛擬實驗室中減速器的課程設計模塊完美結(jié) 合起來。 （3）零件加工。利用加工模塊，可以自動產(chǎn)生數(shù)控機床能接受的數(shù)控加工指 令。 （4）運動分析。利用運動模塊，可分析 產(chǎn)品的實際運動情況和干涉情況，并對運 行速度進行分析。更為重要的是，UG的運 動分析模塊可以直接到導出制作機械設計 虛擬實驗室所需要的各種三維二維動畫， 其逼真的機械運動效果
11、是其它軟件無可比 擬的，這正是選擇UG軟件來構(gòu)建虛擬實 驗室的重要原因之一。 （5）走線。利用走線模塊，可根據(jù)產(chǎn)品 的裝配模型，布置各種管路和線路的標準 件接頭，自動走線并計算出所使用的材料， 可以列出材料單。 圖1 應用模塊 （6）產(chǎn)品宣傳。利用造型模塊，可以產(chǎn)生真實感和藝術照片，可以制作畫等。 3 加上材料庫后的機械零部件更加具有真實感，比用圖片處理軟件如Photoshop軟 件制作的圖片更加方便快捷逼真。這是選擇UG軟件的又一原因。 2.2 Authoware軟軟件件 在各種多媒體應用軟件的開發(fā)工具中,Macromedia公司推出的多媒體制作軟 件Authorware是不可多得的開發(fā)工具
12、之一。自1987年問世以來，獲得的獎項不計 其數(shù)，其面向?qū)ο?、基于圖標的設計方式，使多媒體開發(fā)不再困難。Authorware成 為世界公認領先的開發(fā)因特網(wǎng)和教學應用的多媒體創(chuàng)作工具，被譽“多媒體大師”， Authorware的版本不斷更新，功能不斷增強，當前的最新使用版本為 Authorware7.0。Authorware能成為多媒體編制的龍頭老大，除了其強大的功能外， 容易使用是其重要優(yōu)點。 Authorware是一套多媒體制作軟件，與一般的多媒體制作軟件不一樣的地方 在與：它具有不用寫程序的特色，使用流程線以及一些工具圖標，可制作一些程 序軟件才能達到的功能。如分支流程、判斷流程等；此外，
13、它超強的編輯環(huán)境所做 的特殊效果，令人嘆為觀止。如果再搭配Photoshop等制作動畫、影像的軟件，來 制作多媒體產(chǎn)品，將會使制作出來的作品達到非常好的效果。 所以Macromedia Authorware 采用面向?qū)ο蟮脑O計思想,是一種基于圖標( Icon) 和流線(Line) 的多媒體開發(fā)工具。它把眾多的多媒體素材交給其他軟件處 理（本實驗室構(gòu)建主要使用UG軟件）,本身則主要承擔多媒體素材的集成和組織 工作。本人提出使用Authorware軟件來制作機械設計虛擬實驗室系統(tǒng)，就是因為 它可以利用各種圖標將文字、聲音、動畫等媒體素材按照一定的實驗思路組合起 來,然后設置其控制和交互方式,最后可
14、以構(gòu)建出一個理想的虛擬實驗室系統(tǒng)，并 可以將其打包發(fā)行。 3 總總程序框架程序框架圖圖 使用Authorware軟件編 寫機械設計總流程圖如圖2所示。 具體編寫過程如下： （1）打開Authorware 7.0軟 件，新建一個文件命名為“機械 設計虛擬實驗室”，修改文件屬 性，大小選擇使用全屏，選項 勾選顯示標題欄、覆蓋菜單、 4 屏幕局中三項，如圖3所 圖2 機械設計虛擬實驗室總程序框架 示。運行程序，發(fā)現(xiàn)播放窗口已經(jīng)變成全屏顯示。完成以上操作后保存文件。 圖3 文件屬性 （2）拖兩個群組圖標放到流程線上，分別命名為“片頭”、“主界面”?！捌^”用 來制作機械設計虛擬實驗室進入界面的密碼控制
15、程序?！爸鹘缑妗庇糜诜胖脵C械設 計虛擬實驗室主控程序的背景文字設置。 （3）然后拖放十個群組圖標放于交互圖標“主控制”右側(cè)，依次命名為“標注件 庫”、“常用機械”、“機械運動系統(tǒng)”、“拆裝演示”、“課程設計”、“實驗大綱”、“實驗 指導書”、“實驗項目”、“實驗報告”，并且交互方式選擇為按鈕交互。然后在拖放 三個群主圖標放在“主控制”最右邊，交互方式均為熱區(qū)域相應， 分別命名為“創(chuàng) 新基地”、“Authorware安裝”、“點擊幫助”。 （4）將文件保存，然后關閉文件。到此已經(jīng)完成機械設計虛擬室主體程序的 編寫，在下文將依次介紹各個模塊的程序編寫和調(diào)試。 4 片片頭頭程序程序編編寫寫 片頭總程
16、序框架圖見圖4。 。 具體編程過程： （1）新建一個 Authorware文件，命名為“片 頭”， 修改文件屬性，大小 選擇使用全屏，選項勾選顯 示標題欄、覆蓋菜單、屏幕 局中三項。運行程序，發(fā)現(xiàn) 播放窗口已經(jīng)變成全屏顯 示。完成以上操作后保存文 件。 圖4 片頭程序 5 （2）拖放一個顯示圖標放在流程線上，命名為“背景”。打開“背景”圖標，導入 事先已經(jīng)用Photoshop cs2.0制作好的入口界面背景圖片。按下“Ctrl+I”鍵，打開屬 性面板，特效選擇左右兩端向中間展示特效，同時勾選禁止文本查找和 圖 5 “背景”屬性 防止自動查找兩個選項。如圖 5 所示。 （3）拖放一個顯示圖標，命
17、名為“文字”，設置其屬性同上。雙擊打開顯示圖標， 用文字輸入工具分別輸入“河南科技學 院機電學院機械教研室”、“虛擬實驗室” “指導：叢曉霞 逄明華 制作：晁偉”、 “登錄系統(tǒng)”、“姓名”、“密碼”、“重置”、 “退出”等文字。調(diào)整文字大小、字體顏 色、字體型號和文字位置。 圖 10 “晁偉”群組程序 （4）拖放一個交互圖標，將其命名為“密匙系統(tǒng)”。拖放一個群組圖標，設置其 交互方式為“文本輸入”，將其命名為“晁偉”。修改其屬性如圖6和圖7所示。 圖 6 “晁偉”屬性-文本輸入 圖 7 “晁偉”屬性-響應 (5)拖放一個群組圖標放到“晁偉”群組圖標右側(cè)，命名為“*”，設定其屬性如 6 圖 8
18、和圖 9 所示。 圖 8 “*”屬性-文本輸入 圖 9 “*”屬性-響應 （6）拖放兩個計算圖標放在“*”圖標右側(cè)，分別命名為“重置”、“退出”，交互方 式均為按鈕交互。打開“重置”圖標，輸入“GoTo(IconID“文字“)”。打開“退出”圖 標，輸入“quit()”。 （7）打開“晁偉”圖標，編程如圖10所 示，各個圖標設置同上。 （8）拖放一個擦出圖標，命名“擦”， 運行程序，將出現(xiàn)的文字和背景全部擦 出。保存程序文件，完成“片頭”模塊編 圖10 “晁偉”群組程序 程。程序的具體調(diào)試過程，由于篇幅所限，在此不再詳細介紹。 5 實驗實驗室主界面室主界面編編程程 實驗室主界面程如 圖 11
19、所示。 具體實現(xiàn)過程: (1)新建一個文件，命 名為“主界面”， 修改文 件屬性，大小選擇使用全 屏，選項勾選顯示標題欄、覆蓋菜單、屏幕局中三項，如圖1-2所示。運行程序， 7 圖11 主界面程序圖 發(fā)現(xiàn)播放窗口已經(jīng)變成全屏顯示。完成以上操作后保存文件。 (2)拖放一個擦出圖標到程序線上，命名為“擦出”。打開其屬性面板，設置其 擦出特效為“左右兩端向中間展示”。 (3)拖放兩個顯示圖標，分別命名為 “背景007”、“框架”。做相應內(nèi)容設置。 (4)拖放一個數(shù)字電影圖標到流程線，命名為“虛擬片頭視頻”。打開圖標，導 入提前做好的視頻動畫，然后設置其屬性如圖12所示。 圖 12 電影屬性 (5)拖
20、放一個顯示圖標，命名為“齒輪”。雙擊打開圖標，導入用 UG 軟件制作 導出的齒輪圖片，如圖 13 所示。 (6)按“Ctrl+R”運行程序，觀看播放效果，按“Ctrl+P”暫停程序播放，調(diào)整各 個部分的顯示位置。調(diào)整好后，保存程序，退出文件，完成本模塊編程。 8 6 常用機械常用機械 常用機械程序框架如圖 14 所示。 圖13 齒輪背景 圖14 常用機械程序 具體編程過程如下： （1）新建一個Authorware文件，命名為“常用機械”， 修改文件屬性，大小選 擇使用全屏，選項勾選顯示標題欄、覆蓋菜單、屏幕局中三項，如圖1-2所示。運 行程序，可以觀察到播放窗口已經(jīng)變成全屏顯示。完成以上操作后
21、保存文件。 （2）拖放一個顯示圖標到流程線上，命名為“新背景11”。雙擊打開，導入事先 用Photoshop cs2.0制作的新背景，并調(diào)整其大小。注意按住“SHIFT”鍵 圖15 背景屬性 同時調(diào)整對角線可以保證圖片按等比例縮放，以免圖片變形而產(chǎn)生不必要的失 真效果。然后設定其屬性如圖15 所示。 （3）拖放一個顯示圖標到流程線上，命名為“文字3”。注意，Authorware 7.0中 會經(jīng)常用到函數(shù)調(diào)用，而函數(shù)調(diào)用時又常常會涉及圖標名稱，所以圖標命名的時 9 候盡量不要重名，以免發(fā)生錯誤。雙擊打開圖標，用文字工具依次寫入“首頁”、 “齒輪搖桿機構(gòu)”、“簡易沖床”、“剪床機構(gòu)”、“步進機構(gòu)”
22、、“其他機構(gòu)”、“退出”，并 調(diào)整其位置、大小、字體、顏色和粗細，最后將所有文字設置為透明模式。按下 “Ctrl+I”打開其屬性，設置同上。 （4）拖放一個交互圖標到流程線上，將其命名為“常用機械”。 （5）拖放七個群組圖標，分別命名為“首頁”、 “齒輪搖桿機構(gòu)”、“簡易沖床”、 “剪床機構(gòu)”、“步進機構(gòu)”、“其他機構(gòu)”、“退出”,交互方式全部為熱區(qū)域交互。同時 按下“Ctrl+R”組合鍵，運行程序，觀看程序運行效果。同時按下“Ctrl+P”組合鍵， 暫停程序運行，此時會出現(xiàn)七個虛線框，用鼠標調(diào)整各個虛線框大小和位置，使 虛線框和它們對應的文字重合，從而將（3）中輸入的七個詞語所在區(qū)域設置為熱
23、 交互區(qū)域。最后將七個熱交互相應屬性設置如下： 圖 16 簡易沖床屬性 （6）雙擊打開“首頁”群 組圖標，拖放一個計算圖標 到流程線上，命名為“首頁”。 雙擊打開，輸入 “GoTo(IconID“背景007“)” 然后關閉保存。完成“首頁” 群組編程。 （7）雙擊打開“齒輪搖桿機構(gòu)”群組圖標。編寫程序如圖17所示。 1) 在流程線上放置一個“運算”圖標, 命名為“初值”, 輸入: sf:=1 圖17 齒輪機構(gòu)編程 ef:=1 movierate:=24 10 對程序中的變量進行初始化; 2) 在流程線上拖入一個“電影”圖標, 命名為“齒輪搖桿機構(gòu).avi”。在屬性欄 中導入用 UG 軟件制作的
24、動畫文件“齒輪搖桿機構(gòu).avi”, 以外部文件格式存在, 所以mode選項不可選,單擊計時標簽, 在執(zhí)行中選擇同時選項, 在速率中 輸入變量movierate, 用來控制播放速度; 在開始中輸入變量sf, 用來控制電 影播放起始幀的變量取初值; 在結(jié)束幀中輸入變量ef, 用來控制電影播放結(jié) 束幀的變量取初值。 3) 在流程線上拖入一個交互圖標, 命名為“控制”, 依次拖放六個群組圖 標到交互圖標的右下側(cè), 分別命名為“首頁”、“播放”、“暫?！薄ⅰ袄^續(xù)”、“快進”、 “后退”、“結(jié)束”、“返回”、“退出”, 響應類型為“按鈕“響應, 并依次調(diào)整好各按鈕 的位置; 4) 為各群組圖標定義運算編輯
25、內(nèi)容, 選擇“播放”圖標, 按下“Ctrl+=”鍵, 輸 入內(nèi)容實現(xiàn)開始播放。 movierate:=24 ef:=MediaLength“齒輪搖桿機構(gòu).avi “ GoTo(IconID“齒輪搖桿機構(gòu).avi “) 5) 選擇“暫?！眻D標, 按下“Ctrl+=”鍵, 輸入內(nèi)容實現(xiàn)從當前位置暫停播放。 MediaPause(IconID“齒輪搖桿機構(gòu).avi “,1) 6) 選擇“繼續(xù)”圖標, 按下“Ctrl+=”鍵, 輸入內(nèi)容實現(xiàn)從當前位置繼續(xù)播放。 MediaPause(IconID“齒輪搖桿機構(gòu).avi “,0) 7) 選擇“前進”圖標, 按下“Ctrl+=”鍵, 輸入內(nèi)容實現(xiàn)從當前位置
26、向后快進。 MediaSeek(IconID“齒輪搖桿機構(gòu).avi “, Mediaposition“電影“+100) 8) 選擇“后退”圖標, 按下“Ctrl+=”鍵, 輸入內(nèi)容實現(xiàn)從當前位置向前快退。 MediaSeek(IconID“齒輪搖桿機構(gòu).avi“, Mediaposition“電影“- 100) 9）打開“首頁”圖標，拖入一個計算圖標，命名為“返回首頁”。打開計算圖標， 輸入“GoTo(IconID“背景007“)”,然后保存退出。 10）打開“返回”圖標，拖入一個計算圖標，命名為“返回常用機構(gòu)”。打開計算 圖標，輸入“GoTo(IconID“新背景11“)”,然后保存退出。
27、11) 選擇“退出”圖標, 按下“Ctrl+=”鍵, 在“退出”計算圖標中輸入如下內(nèi)容, 實現(xiàn)退出關閉窗口。 Quit ( ) 12) 最后在“退出”交互按鈕的Response中Branch中選擇Exit Interaction, 以退 出。 11 （9）“簡易沖床機構(gòu)”、“剪床機構(gòu)”和“步進機構(gòu)”三者編程同上。“其他”用于系 統(tǒng)拓展接口，可以在以后系統(tǒng)的開發(fā)過程中繼續(xù)加入大量內(nèi)容。 （10）“退出”群組中，我們加人一個計算圖標，輸入“GoTo(IconID“新背景 11“)”用于返回機械設計虛擬實驗室 的首頁。 （11）到此已經(jīng)完成“常用機械” 群組中程序的編寫。調(diào)試完后，保存 退出。 7
28、齒輪搖齒輪搖桿機構(gòu)桿機構(gòu)動動畫制作畫制作 分析：從圖 18 中可以看出，齒輪 搖桿機構(gòu)主要由以下部件組成：機架、 大齒輪、小齒輪、搖桿、滑塊、手輪和 固定鉸接件。接下來重點闡述機架建 模、搖桿建模、參數(shù)化直齒圓 圖 18 齒輪搖桿機構(gòu)裝配體圖 建模方柱齒輪的法、各部件的裝機配過程、運動仿真和動畫導出。 7.1 機架建模機架建模 （1）打開UG，新建一個文件，命名為“jijia”，然后保存。注意，中文件名字 不能出現(xiàn)漢字，否則系統(tǒng)將提示錯誤。同樣要打開一個文件，必須把文件復制 到目錄下，保證沒有漢字出現(xiàn)。 （2）使用長方體命令，生成底座實體。再次使用長方體命令生成底座上方定 位板。 （3）使用圓
29、柱命令生成與搖桿相聯(lián)接的實體。 （4）使用布爾操作求和命令將前三步生成的實體合并為一體。 （5）使用特征操作中的孔命令分別制作出大齒輪小齒輪和搖桿與機架相連接 的三個孔。 （6）最后將底座四個角倒圓角，將固定板上面兩角倒圓角。 （7）保存文件，退出。 12 7.2 搖搖桿建模桿建模 （1）新建一個UG文件，將其命名 為“搖桿”。保存文件。 （2）打開“格式”菜單，選擇“圖層 的設置”，將第2層作為工作層。 （3）進入草圖，繪制搖桿輪廓，并 約束定義尺寸。完成后退出草圖。 （4）按照（2）中方法將圖層1更改 為工作圖層。執(zhí)行“拉伸”命令,將草圖 拉伸成實體。 （5）再次進入圖層，將第2層選為 “
30、不可見”，確定后即可觀察到草圖輪 廓已將被隱藏。 （6）保存文件后退出。 7.3 直直齒圓齒圓柱柱齒輪齒輪參數(shù)化建模參數(shù)化建模 （1）打開 UG 軟件，新建一個文 件，命名為“zhichilyuanzhuchilun- canshuhu”，然后保存文件。 圖 19 表達式 （2）打開表達式對話框，輸入表達式如圖 19 所示。 （3）單擊工具欄的“規(guī)律曲線”圖標，打開規(guī)律曲線對話框，選擇“根據(jù)方程”， 連續(xù)單擊確定。完成本步操作以后，即可觀察到有一段漸開線已經(jīng)生成。 （4）執(zhí)行“格式”菜單中的“WCS”選項，接著選擇“旋轉(zhuǎn)”命令，在彈出的對話 框中選擇“-ZC軸：_”，角度框中輸入“zhuanj
31、iao”，單擊確定。 （5）然后再次執(zhí)行“規(guī)律曲線命令”，插入另一條漸開線。在草圖中繪制出齒 頂圓弧和齒根圓弧，到此已經(jīng)繪制出由四條曲線構(gòu)成的封閉齒廓曲線。 （6）使用“圓柱”命令，直徑中輸入“df”，高度中輸入“H”，生成齒根圓柱。 （7）將已經(jīng)生成的封閉齒輪廓線拉伸，拉伸長度選擇公式中的“H”。然后執(zhí)行 布爾求和命令，將生成的兩個實體合并為一體。 （8）點擊工具欄“實例特征”，將上一步中生成的齒圓周陣列，齒數(shù)選公式中 的“Z”，而陣列的角度輸入“360/Z”，確定，即可完成直齒圓柱齒輪齒輪參數(shù)化建 模。其它齒輪的細節(jié)，在此省略。 （9）保存文件，關閉。 13 7.4 部件裝配部件裝配 （1
32、）打開UG軟件新建一個文件，將其命名為“zhuangpeiti-01”，保存文件。 （2）進入裝配模塊，點擊“添加現(xiàn)有組件”，選擇“jijia”,確定。彈出“添加現(xiàn)有部 件對話框”,如圖20所示，保持默認設置，確定。接著彈出“點構(gòu)造器”對話框，如圖 21，保持默認設置，確定。然后觀察裝配界面，可以看到機架已經(jīng)導入。 圖 20 添加現(xiàn)有部件 圖 21 點構(gòu)造器 (3)繼續(xù)添加組件，添加“手輪”。彈出“添加現(xiàn)有部件”對話框，選擇定位方式 為“配對”。接著彈出“配對條件”對話框,依次適用“中心”和“配對”命令將手輪定位 安裝到機架上。 (4)添加“xiaochilun”,選擇定位方式為“配對”，點擊
33、確定。接著彈出“配對條件” 對話框，依次使用“中心”配對和“配對”命令，將小齒輪定位轉(zhuǎn)配到手輪上。 (5)添加“dachilun”,選擇定位方式為“配對”，單擊“確定”。接著彈出“配對條件” 對話框，適用“中心”配對命令和“配對”命令，將大齒輪裝配到機架上。如果裝配 后，大齒輪和小齒輪未完全嚙合，我們可以選擇“重定位組件”命令中的“繞點旋 轉(zhuǎn)”命令，將大齒輪繞軸線通過旋轉(zhuǎn)與小齒輪嚙合。 (6)添加“dachilunzhou”組件，選擇定位方式為“配對”， 單擊“確定”。彈出“配 對條件”對話框，依次使用“中心”配對命令和“對齊”命令，即可將大齒輪軸裝配定 位到機架上。 (7)添加“yaogan
34、zhou”,選擇定位方式為“配 對”，單擊“確定”。在彈出的“配對條件”對話框 中，依次使用“中心”配對和“距離”配對命令，即 可將搖桿軸裝配上。 (8)添加“yaogan”組件，選擇定位方式為“配 14 對”， 單擊“確定”。彈出“配對條件”對話框，依次使用“中心”配對命令和“對齊”命 令，即可將搖桿裝配定位到機架上。然后選擇“重定位組件”，使用其中的“繞點旋 轉(zhuǎn)”命令，將搖桿旋轉(zhuǎn)到合適位置，便于下一步裝配滑塊部件。 (9)添加“huakuai”組件，選擇定位方式為“配對”， 單擊“確定”。彈出“配對條 件”對話框，依次使用“中心”配對命令和“對齊”命令，即可完成滑塊、大齒輪和搖 桿三者定位
35、裝配。 圖22 運行電子表格 (10)到此為止，已經(jīng)完成了齒輪搖桿機構(gòu)所有部件的裝配。保存文件，退出。 7.5 運運動動仿真仿真 （1）打開“zhuangpeiti-01”裝配體文件。在“起始”下拉菜單中選擇“運動仿真”， 進入運動仿真界面。 （2）運動導航器會自動打開，在“zhuangpeiti-01”上點擊鼠標右鍵，新建運動 仿真“motion_1”。 （3）接下來開始定義連桿，使用鼠標左鍵點擊工具欄“連桿”，彈出定義連桿 對話框。選擇“機架”實體，勾選固定連桿對話框，點擊應用，完成機架連桿的定義。 接著依次定義各個桿件，與定義機架連桿不同的是不需要再勾選固定連桿選項。 （4）點擊工具欄“
36、運動副”命令，依次定義鄉(xiāng)鄰兩個桿件組成的運動副，需要 注意的是，定義原動件和機架之間運動副時，必須選擇“運動驅(qū)動”選項，本機械 構(gòu)件中運動驅(qū)動為“球鉸”。 （5）通過以上幾步操作，已經(jīng)完成運動仿真前期工作，保存文件。為了驗證上 面定義的連桿和運動副是否有錯誤的地方，打開右側(cè)的運動仿真導航欄，依次點 擊個連桿名稱，裝配體上相應桿件會變紅顯示。如果沒有錯誤，接著檢查剛剛定 義的運動副是否有誤。如發(fā)現(xiàn)錯誤，返回重新定義。 （6）在完成以上工作之后，進行運動仿真讓裝配體運動起來。點擊工具欄中 的“球鉸”，勾選“J001”，輸入“步長大小”和“步數(shù)”，點擊“單步向前按鈕”，在窗口 中可以觀察到裝配已經(jīng)運
37、動起來了。 （7）到此，齒輪搖桿機構(gòu)裝配體的運動仿真工作全部完成。保存文件，退出。 7.6 動動畫畫導導出出 （1）打開“zhuangpeiti-01”裝配體文件。在“起始”下拉菜單中選擇“運動仿真”， 進入運動仿真界面。運動導航器會自動打開，右鍵單擊“motion_1”，將其轉(zhuǎn)換為 工作狀態(tài)。 （2）在工具欄中點擊“球鉸”，設置“步長”為1，“步數(shù)”為360步，單擊“單步向 前”，使裝配件運動一周。然后點擊“球鉸”對話框中向下箭頭，選擇“使用電子表 15 格”，確定。彈出圖22 所示對話框，單擊“播放”，運行電子表格，讓電子表格驅(qū)動 裝配體運動一周，然后點擊“確定”。 （3）在文件菜單欄中選
38、擇導出“MPEG動畫”，指定文件名和路徑，確定后即 進行動畫導出。需要說明的是，UG運動分析和動畫導出是很耗內(nèi)存的，對電腦性 能提出比較高的要求，而且在執(zhí)行過程中會比較慢，這是正?，F(xiàn)象。到此已完成 UG動畫導出操作，保存文件，退出。 8 圖圖片素材的制作方法片素材的制作方法 （1）使用UG軟件制作各種素材，可以在建模、裝配、運動仿真過程中，直接在 “文件”菜單下導出，或者使用抓圖軟件進行抓圖。 （2）背景圖片，一般使用Authorware制作，然后用抓圖軟件抓出來，放到 Photoshop中各種效果的處理。 （3）按鈕等小素材，可以直接在網(wǎng)上收索或者使用Photoshop軟件制作。 9 機械運
39、機械運動動系系統(tǒng)統(tǒng)程序程序編編寫寫 機械運動系統(tǒng)程序框架如圖 23 所示。 具體編程過程: （1）打開Authorware7.0新建一個文件，命名為“機構(gòu)運動系統(tǒng)”，然后保存文 件。 （2）拖放一個顯示圖標到流程線上，命名為“新背景”，導入事先做好的背景 圖片，調(diào)整大小和位置。 (3)拖放一個顯示圖標到流 程線上，命名為“文字”。雙擊 打開，在Word中將要輸入的文 字設定好大小、顏色和效果， 然后復制到Authorware的“文字 ”中。打開屬性面板，設置其 過渡效果為“左右兩端 圖23 機構(gòu)運動系統(tǒng)程序圖 向中間展示”。同時按下 組合鍵“Ctrl+R”運行程序，按下“Ctrl+P”暫停程序
40、，用 鼠標調(diào)整文字到合適位置。 （4）拖一個交互圖標到流程線，命名為“機構(gòu)運動系統(tǒng)”。拖放七個群組圖標 到交互圖標右邊，依次命名為“首頁”、“平面連桿機構(gòu)”、“凸輪機構(gòu)”、“間歇機構(gòu)”、 16 “螺旋傳動”和“齒輪傳動”。其交互方式皆為“熱區(qū)域交互”。 （5）到此為止，“機構(gòu)運動系統(tǒng)”主體程序框架已經(jīng)編寫完畢。 9.1 平面平面連連桿機構(gòu)程序桿機構(gòu)程序編編寫寫 平面連桿機構(gòu)程序框架如圖 24 所示： 具體編程過程： (1)拖一個框架圖標到流程線上，將其命名為“平面連桿機構(gòu)框架”。 (2)拖放三個群組圖標到到框架右邊，依次命名為“Menue2”、“圖片展示” 圖24 平面連桿機構(gòu) 圖25 菜單2
41、程序圖 和“運動仿真”。 (3)雙擊“Menue2”圖標打開下一層程序編寫流程。編入圖25所示程序。 (4)雙擊“圖片展示”圖標，打開下一層程序編寫窗口，編入圖26程序。 （5）雙擊“運動仿真”圖標，打開下一層程 序編寫窗口，編入圖27所示程序。 （6）雙擊“平面四桿機構(gòu)三大類”圖標，打 開下一層程序編寫窗口，編入圖28所示程序。 （7）由于以上幾步程序都有重復類似之處， 故沒有詳細列舉。運行程序，調(diào)試好后，保存 退出。 圖 26 圖片展示程 圖 27 運動仿真程序圖 圖 28 平面四桿機構(gòu)三大類程序圖 17 10 程序整合程序整合調(diào)試調(diào)試 （1）通過上文介紹，已經(jīng)完成了圖2機械設計虛擬實驗室
42、總程序框架中各個 群組中程序的編寫。分別打開各分程序，全選分程序中流程線上的所有程序，按 “Ctrl+C”組合鍵復制。打開機械設計虛擬實驗室總程序文件，找到對應分程序所 在群組，按“Ctrl+V”組合鍵，將分程序拷貝進去。按照上面步驟依次將所有分模 塊程序拷貝進總程序?qū)蚣?，保存程序?（2）接下來將進行總程序的運行和調(diào)試。同時按下組合鍵“Ctrl+R”鍵，運行程 序，可以看到程序整體的運動效果。 （3）在運行中可以看到程序的運行效果。當然，也會發(fā)現(xiàn)一些瑕疵，這就是調(diào) 試程序的原因。同時按下“Ctrl+P”暫停程序，通過鼠標的拖動調(diào)整界面位 圖29 入口界面 圖30 實驗主控界面 18 置。
43、對于一些非常小的細節(jié)問題，必須在停止程序運行后到對應的圖標中去修改。 如運行過渡效果，就必須到對應圖標的屬性中去修改，打開屬性方法是同時按下 “Ctrl+I”鍵。 （4）調(diào)試完后的程序運行效果如圖29-圖32所示。 圖 31 機械運動系統(tǒng) 圖 32 平面連桿機構(gòu) 11 結(jié)論結(jié)論 本文通過利用UG軟件制作機械設計虛擬實驗室的三維實體圖、裝配體圖、運動仿真動 畫等素材，最后用Authorware 制作多媒體機械設計虛擬實驗室。此方案可以以光盤等載 體保存，應用時攜帶方便。此方式在現(xiàn)今使用比較廣泛，技術成熟，制作比較方便。最終 構(gòu)建出來的機械設計虛擬實驗室可以很好的解決河南科技學院機械實驗室因資金短
44、缺、設 備更新滯后而帶來的一部分實際問題。構(gòu)建出來的機械設計虛擬實驗室由于所有機械類素 材都是使用功能強大的UG軟件制作，在制作機械零部件過程中，人工添加出了各種機械 零部件的真實材質(zhì)，增加了零部件素材的真實感，因而專業(yè)性很強,可以很好的生成非常逼 真的虛擬實驗設備的圖素。機械設計虛擬實驗室既有機械設計實驗, 又有機械原理實驗, 這 要求虛擬實驗環(huán)境中既有二維環(huán)境, 又有三維環(huán)境,這些都在UG軟件中得到了很好的解決。 由于機械設計虛擬實驗室采用多媒體制作軟件Authorware7.0編程制作，因而可以很好的 解決虛擬實驗系統(tǒng)對運行環(huán)境生動形象、具備動畫和解說的要求。而且通過Authorware
45、編 程進行聲音文字同步的導引，使其實驗指導功能可以很好的發(fā)揮，因而它可以有效的減輕 實驗指導教師的負擔。學生通過人機交互進行虛擬實驗，因而學生在虛擬實驗室中不僅僅 是虛擬實驗系統(tǒng)的觀摩者而且虛擬實驗室的實驗者，具有一定的主觀能動性。虛擬實驗室 中留有很多擴展通道，可以向其中加入新的內(nèi)容，可升級性使其具有強大的生命力。本虛 擬實驗室，日常維護和升級工作，均可以由學生來完成，正真做到了以學生為本位。經(jīng)過 對虛擬實驗室進行最終的運行試驗，證明本文開頭提出通過Authorware軟件和UG軟件構(gòu) 建機械設計虛擬實驗室方法的可行性和正確性。 19 謝謝辭辭 本次畢業(yè)設計得到了河南科技學院機電學院機械教研
46、室叢老師和逄老師的 大力支持和悉心指導。兩位導師淵博的知識儲備，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，關心機械實 驗室發(fā)展前景的強大責任心，令晚輩佩服萬分。 叢老師治學嚴謹，做學問求真務實，關注科技前沿發(fā)展，開拓創(chuàng)新，與時俱 進，緊跟時代步伐。積極參加教學創(chuàng)新，關心本學科發(fā)展前景，在機械實驗室資 金投入短缺的條件下，敢于創(chuàng)新，提出構(gòu)建河南科技學院機電學院機械設計虛擬 實驗室設想，并著手去一步一步努力，著實令人敬仰。晚輩不才，承蒙前輩指點， 才得以完此本畢業(yè)設計及論文，在此學生對叢老師表示衷心的感謝。 逄老師，在本人畢業(yè)設計過程中，給以了本人很大的幫助和指導，學生不勝 感激。逄老師是我的指導教師，也是我們的朋友，我們
47、是一個團隊，在畢業(yè)設計 中，我們共同探討研究問題，在一遍遍的假設和論證過程中，我們找到了基于UG 軟件構(gòu)建直齒圓柱齒輪三維參數(shù)精確建模的最優(yōu)化算法。在探討斜齒圓柱齒輪 三維參數(shù)化精確建模的過程中，我們一起推翻了幾十篇錯誤論文。在逄明華導師 身上，我到了很多對自己有用的東西，在此學生深表謝意。 同時本人也不得不提及本組的趙德勝同學，雖然我們以前不認識，但是在我 們共同使用UG軟件的過程中，我們共同探討，相互幫助和逄明華老師三個人組 成了UG小組，專門研究UG問題，并針對河南科技學院機電學院參加“全國三維 數(shù)字化設計大賽”的學生進行UG特訓 。趙德勝同學辦事認真，在畢業(yè)設計中，給 予了本人一定的幫
48、助，在此祝愿趙德勝同學本科畢業(yè)以后工作順利！ 結(jié)尾之際，本人再一次祝愿兩位導師和趙德勝同學身體健康，工作順利! 20 參考文獻參考文獻 1 孫桓，陳作模，葛文杰. 機械原理M.北京：高等教育出版社，2006,5 2 濮良貴,紀名剛.機械設計M.北京：高等教育出版社，2005 3 付本國，徐巖,許小鈞,孫朝陽.UGNX 4.0 機械設計實例教程M.北京：電子工業(yè)出版社， 2006,9 4 洪小達.多媒體制作案例教程M.北京：人民郵電出版社，2005,1 5 梁緣.Authorware 多媒體設計技法范例M.北京：清華大學出版社，2006,4 6 胡小康,徐飛.UG NX4 運動分析培訓教程M.北
49、京：清華大學出版，2006,4 7 萬波.數(shù)字電影在 Authorware 中應用J.多媒體技術與應用，2008,3 8 彭緒山.基于 Authorware 編程中的同步處理J,科苑論壇,2008,7 9 李偉,勝德仁,陳堅紅,李蔚.基于 3d MAX 建模和 Authorware 集成開發(fā)的流體機械多媒體 演示系統(tǒng)J,2006,9 10 成大先.機械設計手冊M.北京：化學工業(yè)出版社，2007,11 11 呂楊,Authorware 加密橫縱J,教育軟件,2002,4 12 陳劍飛.Authorware 的應用技巧探討J科技信息計算機與網(wǎng)絡,P126-P128 13 濃春海,李海東,周麗萍.UG NX 三維造型 自動編程 案例精選M.北京：化學工業(yè)出版 社，2007,7 14 李玉龍，劉焜.車用斜齒輪模型的 UG 旋轉(zhuǎn)成型法研究J,機械傳動 15 文立閣,李建橋,張春華.基于 UG 的圓柱直齒輪參數(shù)化設計J設計與研究，2007,9
畢業(yè)設計（論文）-機械設計虛擬實驗室建設【全套圖紙】
