石家庄铁道大学毕业设计
第1章 绪论
1.1 概述
机械原理课程是机械类专业的一门主干技术基础课，其理论性和实践性都很强，它的实验教学是机械原理课程教学中的一个重要实践环节。目前，机械原理实验存在以下局限性：① 不能展示机构尺寸与性能的动态关系；② 硬件依存性较强，需要数量较大的仪器设备；③部分实验费时、费力、效率低。如机构运动简图测绘实验需要大量的实物与机构模型；齿轮的范成实验不但需要足够多套数的范成仪，而且实验过程繁琐、枯燥。随着招生规模的逐年扩大，教学改革的不断深入，机械原理实验的教学任务越来越重，仪器设备台套数和实验教师数量相对不足等问题愈加突出。
为了以最少的经费投入解决以上问题，并进一步激发学生的学习兴趣、增强实验效果、提高实验教学质量，很多高校将开发机械原理虚拟实验系统。该系统将原有实验环境进行计算机虚拟，学生可以在计算机上进行实验，其具有简洁明快的操作、丰富的人机交互功能、悦目的动画演示，激发了学生的学习、实验兴趣，同时克服了原有实验的不足，很大程度上增强了实验效果。随着远程教育的广泛应用，网上虚拟实验室逐渐成为人们研究和应用的热点。虽然在虚拟仪器的设计和应用方面，目前出现了许多成熟的、商业化的产品，如LabView和LabWindows等，但由于在不同的专业和应用领域中，实验仿真模型的复杂程度、实验表现形式和工作运行模式等存在很大差异。因此，尚未出现完全通用的虚拟实验运行平台与设计工具。在虚拟实验的设计和应用方面也尚未出现国际化的规范和标准。在现代教育的一些理工高校中，机械设计实验教学占有非常重要的地位，而由于仪器设备、配套设施、场地等实验设备的限制、以及资金等硬件问题给教学造成了诸多不便。很多学校就希望借助于现代化的通信和信息处理技术，建立网上机械设计虚拟实验室，将各种机械设计实验融入到计算机中，学生可以通过计算机仿真交互地进行实验。这样，便能克服由于硬件设施限制所带来的问题，同时也能保证教学的质量
1.2 本课题的研究内容
由于实验受实验经费、 场地、 器材、 设备、 时间和检查监督等客观条件的限制，本课题是在Pro/Engineer平台上，构建一个三维虚拟的实验室。通过对各种机构的测绘，在Pro/Engineer平台上模拟出机构，供学生们在网上学习，完成机构认知试
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验。另外也可以选择各种典型的零件，在Pro/Engineer里面组装成新的组件，并进行运动仿真，输出指定构件的运动参数。特殊零件，例如齿轮，凸轮，可以通过参数化驱动生成。
1.3 本课题研究的历史现状
1.3.1 虚拟实验系统概述
随着时代进步，INTERNET 技术和绘图软件等领域的不断发展，人们在分析和实验研究方面越来越方便和快捷了，提供这一切的就是新兴的虚拟实验系统和虚拟实验技术的不断发展和完善。
虚拟实验系统就是以计算机网络为核心，借助计算机辅助设计技术建立虚拟仪器，然后将虚拟仪器通过和网络虚拟现实语言联系起来，以实现数据的采集、分析，操作以及网络共享的一个系统，而虚拟实验就是按照实验的教学要求，建立虚拟的工程实验环境，应用各种虚拟实验仪器和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的教学实验和创新。传统的基础性实验，如物理实验、机械基础实验、电子技术实验、自动控制原理与系统实验、自动检测与传感器实验等，都可以采用虚拟的方法进行。
1.3.2 国内外虚拟实验领域的发展概况和发展趋势
国外对虚拟实验已有研究，并应用于不同领域。工程上如LMS国际公司的LMS Virtual Lab提供集成平台，用于机械系统仿真以及相关属性分析。在教育界，虚拟实验室(Virtual Laboratory)已经出现，例如美国某大学为课程What is engineering建立了虚拟实验室， 主要实验有logic circuits、Robotic a等。虚拟实验从在数学上建立模型、促进实验过程的优化、更方便的处理数据、以演示性实验为主到如同涉足真实实验现场、亲自动手做试验；在工程设计上，虚拟实验实现了缩短设计流程，简化设计过程的目的。国内在教育领域，中国科技大学天文与应用物理系开发了大学物理虚拟实验，浙江大学建立了虚拟实验室。但从整体来看，我国的高等教育教学课件的制作量少，水平较低，尤其是理工科专业的虚拟试验用课件还有许多空白，如机械设计虚拟实验。据了解有些院校在做凸轮生成软件，但其局限性较大。思科公司CEO约翰·钱伯斯预言，互联网应用的第一次浪潮是电子支持和电子服务；第二次浪潮是虚拟生产；第三次浪潮是电子学习。虚拟生产的时代已经到来，随着新技术和网络规模的发展，虚
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拟实验系统必将得到进一步的发展、完善。
1.4 本课题研究的现实意义
通过本设计，可以建立一个简单的网上试验系统，同时也可以根据本设计的测绘结果，对已经损坏的机构进行修复。这样就可以解决在现实的教学环境中，由于教学条件的限制，一些设备数量有限，或者由于时间的限制而产生的一系列问题。
1.5 本课题的主要工作和难点
1.5.1 本课题的主要工作
1. 查阅相关资料，学习Pro/E软件，测绘零件库中零件；
2. 用Pro/E软件绘制常用构件的三维模型，构建参数驱动的基本零件库； 3. 在Pro/E平台上进行二次开发，设计人机交互界面。
4. 在Pro/E中完成对典型装配体的运动仿真，模拟机构的运动过程,输出指定构
件的运动参数 5. 完成论文，准备答辩。
1.5.2 本课题的主要难点
1. 测绘工作量大，已经损坏的机构，要通过查阅资料进行复原。
2. 建立机构库时，工作量大，而且重复零件较多，因此需要零件的参数化设计，
通过改变零件的参数，生成新的类似的零件。
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第2章 机构认知实验
2.1 实验目的
1、通过机构的认知，帮助学生更好的学习机械原理课程。
2、加深学生对基本机构组成原理的认识，为机构创新设计奠定良好的基础；
2.2 实验设备
机械原理展示柜，是根据机械原理课程教学内容所设计，它展示了机构的传动原理，让同学们通过参观，帮助大家加强对常用典型机构的感性认识，促进同学们对机构等问题的理解，以便帮助同学们更好的学习。
目前国内新的《机械原理》示教陈列柜是根据大、中专院校、技校、职业学校的机械原理教学大纲设计的电化教学设备。本陈列柜共分十个柜和一个电脑控制台，并配有一台功率放大器，VCD机和激光片，声控同步演示，采用单独驱动由电脑或电子设备控制演示，可由VCD控制顺序自动运行讲解；又能根据教材、教学需要而遥控任意选择进行单独演示。模型材料采用进口有机板；板面附有银涤纶不干胶作必要的图表和文字说明，演示形象逼真，运行可靠，制作工艺美观，使用本陈列柜可提高教学效果，节约学时，是一套现代化机械课程教学应用实验设备。包含一下内容：
第一柜 机器与机构如图2-1所示，包括前言、内燃机、蒸汽机、缝纫机、牛头刨床、球面高副、螺旋副、移动副、曲面副、球面副、圆柱副、转动副等内容。
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图2-1机器与机构
第二柜 平面连杆机构的基本形式，如图2-2所示，包括铰链四杆机构：曲柄摇杆机构2件、双曲柄机构、双摇杆机构2件。
单移动副机构：曲柄滑块机构、曲柄摇块机构、转动导杆机构、移动导杆机构、双移动副机构：曲柄移动导机构、双滑块机构、双转块机构。
其中双转块机构（如图2-12）、双滑块机构（如图2-13）、曲柄移动导杆机构（如图2-14）、曲柄摇杆机构（如图2-16）已经损坏。
图2-2平面连杆机构基本形式
第三柜 平面连杆机构如图2-3所示，包括
机构运动简图：泵2件、泵的简图2件、颚式破碎机与间图。 连杆机构：飞剪、压包机、翻转机构、摄影升降机、天平、起重机。
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