基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统（共9篇）

篇1：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

为了更好地实现实验目的，提高实验效率，作者以机构运动方案设计实验的要求、实验原理、方法为蓝本，用计算机虚拟实验技术，模拟仿真该实验的全过程，设计了一个机构运动方案设计虚拟实验系统.应用该系统，学生在实验前在计算机上对自己所设计方案的可行性、正确性进行可视化验证，然后再进行实际的拼接，提高了实验效率.虚拟实验系统的功能

1)必须具备齐全的模型、而且尽量接近实物，这样才能对实验进行真实的模拟.2)灵活性强，零件的参数能根据需要随时进行调整，实现尺寸驱动功能，即改变其中一个零件的参数后，只需要重建模型，其它零件的相应点的位置会跟着发生改变，零件之间依然保持相应的联结关系，而不需重新进行装配.3)对于机构运动的模拟仿真功能.4)具有运动特性分析和动力特性分析的功能.5)具有实验指导功能.系统的结构流程图如图1所示.图1 系统的结构流程图

2系统开发方法

虚拟实验系统选用的平台是三维设计软件系统SolidWorks。SolidWorks它是基于Windows的全参数化特征造型软件，可十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图，以参数化和特征建模的技术为核心，为设计人员提供了良好的设计环境，还可以方便地对SolidWorks进行二次开发.用户二次开发的应用程序，可直接挂在SolidWorks的菜单下，形成统一的界面.一般而言，开发人员首先需要在SolidWorks的界面上添加自己的菜单项，以此作为激活用户程序的接口，完成与用户的数据交换。

SolidWorks的API(Application Programming Interface应用编程接口)提供了两种接口方式:有OLE Automation的Idispatch和作为Windows基础的COM(Component Object model).Idispatch的方法可用于VB、VBA或VC的开发环境，常作为快速开发的手段.本文开发的实验系统所使用的程序就是采用的Idispatch接口方法，用VC++6.0编写的.在程序编好后，编译即可形成DLL文件.不同的操作系统需要用不同的设置: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/打开”菜单，在过滤器中选择“AddIns(3.dll)”，加载自己的DLL.若该DLL在注册表中注册成功，还可使用“工具/插件”菜单进行一次性加载，以后启动SolidWorks，就可自动加载该DLL，无须再进行加载操作，十分方便.3系统功能的实现

3.1实验装配零件库的建立

为了满足模型齐全的要求，笔者选用SolidWorks2001进行零件的三维造型，并把所有实验室内要用到的零件做成了一个零件库.通过对SolidWorks进行设置，可以使自己创建的零件库像工具条一样陈列在SolidWorks主窗口中.具体方法是:通过选择SolidWorks主菜单中的工具选项选择文件位置，将文件夹显示为调色板零件，再选“添加”，选中自己的零件库文件夹的存放位置.要使用这个零件库，只需要打开它就可以了.方法是，启动SolidWorks后，在工具下选择FeaturePalette，随后便有一个小窗口被打开，选中用户添加的文件夹，就会有一个新的窗口打开，创建的零件库内所有零件都以图标的形式陈列在窗口内，就好象在真实实验里看到的摆放在实验室里的零件一样.但使用起来比在真实实验室里方便多了，你只需要移动滑动条，就可以找到所需要的零件.3.2机构运动设计方案的确定

在拟订方案之前，首先可以从过去成功的设计案例中进行检索，看是否有与设计要求类似的设计案例.如果有，则以这个案例为模板，并对其作适当的修改，以满足当前的设计要求.这样做即可以保证设计要求，还可提高设计效率.如果没有类似的设计案例，则利用所掌握的专业知识和经验进行新的设计.机构运动方案的设计具体由以下几个步骤组成:

1)输入设计要求(包括输入输出间的函数关系和工艺动作要求等等)以及外部的各种约束条件.2)将设计要求及外部条件分解成各个基本动作、基本运动及其约束条件

3)初步选定能完成设计要求的基本机构或已有案例.4)将初步选定的基本机构进行组合，得到多种可能的设计方案.5)对各种方案进行初步的尺度综合.6)对各种方案的机构进行性能分析(包括运动和动力性能分析).7)对各种方案进行评价和排序，以选出最满意的方案.8)如果所有方案均不满意，则重新进行机构选型及组合、尺度综合及性能分析、方案评价及排序等工作.其中对方案的机构性能分析可以通过所设计的虚拟实验系统来完成.学生要做的就是先按以上步骤初步确定设计方案，画出机构运动简图，然后利用虚拟实验系统进行虚拟装配，给出初始输入条件，让系统进行分析计算，学生根据分析计算结果对设计方案优劣作出判断，如果满意，则根据确定的方案进行实际的拼接，如果不满意，则对机构进行构型演化，再装配，再分析，直至得出满意方案.3.3虚拟装配

在虚拟装配之前在磁盘上新建一个文件夹，用以存放选择的零件和最后形成的装配体.首先选出装配所需要的零件，从零件库拖出相应零件的图标，系统就会打开相应零件的编辑窗口，选择另存为，把这个零件存放到新建的文件夹中.注意不要改变没有保存的编辑窗口中零件的各项参数，因为放在这个零件库中的零件是一个参考模板文件，它的参数一旦发生改变，所有以它为参考模板文件生成的文件中的相应参数都会发生改变，所以在拖出图标后，一定要将其另存到自己的文件夹中.即可以在装配之前选好所要用的零件，也可在装配时随取，一般只需要选好几类零件就可以了.SolidWorks是基于Windows操作系统的，使用起来完全和 Windows 一样，可以利用复制、粘贴的形式在装配体窗口内生成同样类型的多个零件.如果是初始装配，则需打开一个新的装配体文件，将选好的零件插入到这个装配体文件中，在零件之间添加相应的装配配合关系就可以了.各构件之间的装配关系和其运动副关系是这样定义的:若是转动副，则在两零件连接处添加端面贴合和同轴心关系;若是移动副，则在两零件接触处添加平面贴合关系.对于机架和导轨等固定不动的构件通过右击SolidWorks特征管理树(Feature manager)中相应零件的实体名，在弹出的菜单内选择固定来实现.由于是虚拟装配，自然比真实装配轻松得多.因为SolidWorks可以实现尺寸驱动，所以改变装配完的机构中构件的某些参数，如杆长，机架的位置后，只需要对装配体机构进行重建模型，其它零件的相应位置会根据配合关系跟着改变，而不需要拆卸后重新装配.图2所示为运用此系统装配好的四杆机构，并且已在SolidWorks界面上加载了自己的菜单，准备进行运动仿真.3.4对机构运动的干涉检查

在装配体形成后，首先要对其进行初步的干涉检查.可以使用SolidWorks自带的干涉检查功能.如果觉得不够直观的话，则可以用拖动其中某个构件的方法，观察各个构件的运动情况，直观地看它们的运动是否会发生干涉.进一步的干涉检查，可以在运动的仿真过程中.选择编程加载的菜单下运动仿真项，对装配搭建的机构进行运动仿真.在仿真过程中可以观察到是否发生干涉，如果发生干涉，两个零件将有重叠的部分，这就需要对机构中的参数进行调整.3.5机构运动的仿真

机构的动态仿真的实现相当于在每一运动时刻，将各个构件根据约束摆放到空间的指定位置上.构件的初始位置在装配体装配好以后就确定了，其中机架位置的坐标值用户是可以自己设定的，而构件在运动当中的各个数据是由外部机构分析程序提供.因此，这种机构三维仿真方法不受机构的复杂性和自由度所限制.给出不同的输入，外部分析程低碳马氏体在热作模具中的应用 http:// Cr13模具钢开裂焊接工艺与Cr13模具钢磨损焊接工艺 http:// 电热水器选择五要点与如何选购安全的灯具 http://序会提供不同的运动数据分析结果，使机构得以实现不同的运动.运动数据分析结果被存储在数据库中以便需要时进行调用.3.6机构运动特性分析和动力学特性分析

运动仿真之后，还需要对机构进行运动特性和动力学特性分析.从而判断出所设计出的机构的优劣.方法是输出特征点的位置、速度、加速度、和力分析曲线.具体实现是通过VC编程绘制曲线图，从数据库中取出保存好的绘图所用的数据.如果所设计的方案未打到设计要求，就需要修改设计方案，进行机构构型的演化.演化的方法主要有运动副变换、加杆组、运动倒置、加自由度、运动等效变换，不断对方案进行修改，然后装配，进行运动学特性和力学特性分析，直到形成最满意的方案.3.7实验指导功能

实验指导主要是在修改设计方案时，系统提供帮助信息，告诉以通过那些方法来优化机构，在学生选好一种方法后，系统会给出方法的原理，帮助使用者快速地修改方案引言

混凝土搅拌机是使混凝土配合料均匀拌和而制备混凝土的专用机械，是现代化建设施工中不可缺少的机械设备。为了适应不同混凝土搅拌要求，搅拌机有多种机型。按工作性质分，有周期式和连续式搅拌机;按搅拌原理分，有白落式和强制式搅拌机。本次设计的是生产率为75m3/h的双卧轴强制式搅拌机，它是由搅拌系统、传动装置、卸料机构等组戊:搅拌系统由圆槽形搅拌筒和搅拌轴组成，在两根搅拌轴上安装了几组结构相同的叶片，但其前后上下都错开一定的空间，使拌合料在两个搅拌筒内不断地得到搅拌，一方面将搅拌筒底部和中间的拌合料向上翻滚，另一方面又将拌合料沿轴线分别向前推压，从而使拌合料得到快速而均匀的搅拌。设置在两只搅拌间底部的卸料门由气缸操纵。卸料门的长度比搅拌筒长度短，80-90%的混凝土靠其自重卸出，其余部分则靠搅拌叶片强制向外排出，卸料迅速干净。

SolidWorks软件可以十分方便地绘制复杂的三维实体模型、完成产品装配和生成工程图。它能以立体的、有光的、有色的生动画面表达大脑内产品的设计结果，较之于传统的二维设计图更符合人的思维习惯与视觉习惯，有利于发挥人的创造性思维，有利丁新产品、新方案的设计，帮助机械设计设计人员更快、更准确、更有效率地将创新思想转变为市场产品。

为此，我们利用SolidWorks软件来完成双卧轴强制式搅拌机虚拟样机设计双卧轴强制式搅拌机主要参数的确定双卧轴强制式搅拌机的主体样机设计

在搅拌机的结构设计中，最困难、最繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核。目前主要采用的轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组来求解，但这种设计比较麻烦，且设计工作不直观，设计结果不尽人意，而利用三维设汁软件Solidworks则能较好地解决上述问题，首先建立零件的三维模型，再将其装配起来，并可进行有限元分析计算，最后利用COSMOSMotion来模拟各零部件的运动情况。

2.1零件设计建模

利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征，建立双卧轴强制式搅拌机主要零部件的三维参数化模型.包括搅拌臂、搅拌筒、各种衬板、8种规格的搅拌叶片、刮板、搅拌装置等100多个零件。因电机、减速器、连轴器等为选购件，在设计时没有建立这些零件的三维模型，仅建立双卧轴强制式搅拌机主机上零件模型。在建模过程中，充分利用参数化尺寸、方程式共享数值、配置、派生零件等参数化设计和设计重用技术，便于虚拟装配时发现零件结构不合适时对其进行修改。

2.2虚拟装配

SolidWorks软件提供了自上而下和自下而上两种设计方式，因我们已完成了双卧轴强制式搅拌机主要零部件设计，所以采用自下而上方式.按照同袖、共面等几何约束关系先将侧衬板、侧搅拌叶片、搅拌叶片、搅拌装置轴装配体等小部件装配起来.然后将子装配体装配成筒体搅拌装置等较大的部件，最后将较大的子装配体组装成双卧轴强制式搅拌机的整机装配图。采用分级装配方法，既便于我们及时发现装配问题，又便于修改。

在设计过程中为便于方案论证和与领导、制造工程师及其他相关人员进行交流，我们使用了Animaior插件实现了搅拌机所有零部件的动态组装模拟，并制作了装配动画，提高了设计的可视化。

2.3有限元分析计算

搅拌机在工作过程中，搅拌轴是主要的传动和工作部件，利用SolidWorks内嵌集成的COSMOSWorks有限元分析软件对装配有搅拌臂和叶片的搅拌装置轴装配体进行有限元分析计算。首先将所建模型进行简化，忽略圆角倒角键槽等设计细节，通过标准数据接口，调人到CosmosWorks有限元分析模块，进行实体网格划分，添加轴一端“不可平移”约束、轴承载荷和叶片上分布压力，然后进行有限元分析计算，得到搅拌轴应力分布情况应变和变形状况，计算

CAD技术在建筑电气设计中的应用 建筑电气设计CAD特点 http:// 低碳马氏体在塑料模具中的应用 http:// 室内电线排线时应注意什么 装修房屋时如何考虑管 线 http://出危险点的应力和应变，为搅拌轴的结构设计提供指导，同时对设计是否合理进行准确快速的评估。

2.4搅拌运动模拟

搅拌机螺旋叶片绕水平轴旋转时使物料向上翻动，轴向力的作用将物料沿水平轴推向中问和另一端，物料的运动轨迹非常复杂在方案论证时，为形象地表达物料的运动情况，我们首先借助COSMOSMotion全功能运动仿真软件，制作了搅拌机空转工作的运行动画，再建立单个物料和搅拌叶片碰撞的数学方程，借助Swift 3D制作了单个物料在搅拌简运行状况，模拟出物料在整个搅拌筒中形成的封闭式环流，反映出物料的拌合、离析状态，为进一步借助控制方程模拟双卧轴搅拌机的物料运动轨迹打下基础。

3结束语

利用SolidWorks软件进行双卧轴搅拌机设计，可以形象生动地表达产品的设计结果，既帮助设计人员更快更准确地进行新产品设计，同时提高了设计的可视性和可靠性。

篇2：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

Flash是一种创作工具,设计人员和开发人员可使用它来创建演示文稿、应用程序和其它允许用户交互的内容。SolidWorks凭借着功能强大、组件繁多、易学易用和技术创新成为领先的主流的三维CAD解决方案。结合两者能顺利的完成“机械原理示教板多媒体系统”的制作。

实验室里面的机械原理示教板系统是机械类专业学生实验教学的重要工具,通过机械原理示教板系统学生能很直观、清楚的了解机械原理的常见机构。随着计算机的普及,计算机已成为大家学习生活重要部分。如果用计算机就能观看机械原理示教板系统,不仅能使使用者能够全面的了解机构的运行情况,也可以很方便的自己学习。因此开发了“机械原理示教板多媒体系统”。

1 Fla s h版面设计

Flash特别适用于创建通过Internet提供的内容,因为它的文件非常小,所以用flash创建的内容在网络中传播速度快。Flash是通过广泛使用矢量图形做到这一点的。与位图图形相比,矢量图形需要的内存和存储空间小很多,因为它们是以数学公式而不是大型数据集来表示的[1]。

Flash包含了许多种功能,如预置的拖放用户界面组件,可以轻松地将公共库中的按钮、声音和类添加到文档的舞台上,以及可以添加外部视频和声音到媒体内部库,文档内部库中的元件可以任意管理。这些功能使Flash不仅功能强大,而且易于使用。完成Flash文档的创作后,可以使用“文件”>“发布”命令发布它。这会创建文件的一个压缩版本,其扩展名为.swf(SWF)。然后,就可以使用Flash Player在Web浏览器中播放SWF文件,或者将其作为独立的应用程序进行播放。Flash被称为是“最为灵活的前台”[1],由于其独特的时间片段分割(Time Line)和重组(MC嵌套)技术,结合ActionScitp as3.0脚步语言的对象和流程控制,使得在灵活的界面设计和动画设计成为可能,同时它也是最为小巧的前台。

为了直观、形象的使用网络展现出机构示教板实验室里面的各种机构原理,使用Flash创作界面无疑是一种明智的选择。为了使使用者能在较短的时间内获得较大的信息量,提高学习兴趣,加深印象,这里采用了和实验室一样的摆设布置,打开多媒体示教板软件系统就犹如进入了实验室。3D感强,真实感强。实验室里面也是围绕墙壁四周摆放带玻璃的柜子。此软件系统也是模仿打开玻璃的视觉感受。使用时用户界面如图1所示。

单击每一个柜子时,柜子自动弹出,停留在舞台中间的同时打开玻璃。使读者面对计算机就犹如来到了实验室一样,身临其境。打开玻璃后柜子里面摆放着各种机械原理常见机构,当鼠标移动到机构上时,此机构图片变暗机构名称变亮,同时机构图片变大移动到屏幕左边机构详细显示窗口位置,读者可以直观的看懂此机构结构和名称。当单击此机构时,播放机构演示动画并伴有语音讲解。

用户界面制作过程:

(1)为每一个柜子制作补间动画,制作柜子进出的动画,分别在柜子运动的起始和弹出到舞台中间位置的时间轴增加一个stop()代码;

(2)在每一个柜子的影片剪辑下增加一个按钮、一块玻璃和柜子里面需要摆放的机构并分别定义实例名称。

(3)为每一块玻璃增加一个监听事件来控制是柜子弹出打开;为每一个按钮增加一个监听事件来控制柜子的关闭;

(4)为柜子里面的每一个机构增加一个单击事件来控制机构播放,同时再增加一个鼠标监听事件,当鼠标移动到机构的上面时,自动弹出机构详细显示窗口。

随着Flash的发展现在的Flash cs4既是一个应该程序设计软件也是一个不错的视频编辑软件,虽然导出的视频格式没有几种,但可以根据自己的需要用flash的Adobe Media Encoder将其转换格式。

这里是运用SolidWorks将机构建模好以后制作avi格式的机构运转视频,然后将avi格式的视频转换成flv格式,此格式才能导入flash中进行编辑。Flv格式的视频体积小清晰度高,是现在网络最流行的视频格式。

2 S olidWorks的运用

通过在Windows环境下,与三维机械设计软件的标准SolidWorks的无缝集成,PhotoWorks帮助方便制作出真实质感和视觉效果的图片并发布[2]。动感真实的图片用于产品发布或演示。本系统的用户面中的柜子和柜子的倒影都是这样做出来的。运用SolidWorks能高仿真的模拟出机械原理实验室里面的实物机构运转,清晰明了。

2.1 SolidWorks建模

建模其实就是一个“基准面-草图-特征功能-实体”循序渐进的过程。建立模型的开始得自定义一个基准面,再画草图,草图画好后然后再根据特征功能,通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现实体的制作。通过对特征和草图的动态修改,用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径,或为管道、电缆、线和管线生成路径。通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。简单圆柱体的建模过程,如图2所示:

2.2 SolidWorks装配

创建好了一个装配图文档以后,在装配体工具栏上单击新零件,单击插入、零部件、新零件。默认模板选项中的默认零件模板被使用。如果装配体是空的,请选择一个基准面,以将新零件放置在此面上。插入完所需的零部件之后,根据自己的需要配合好零件。配合主要包括标准、高级、机械配合。SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动,并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测,同时也可以方便地设计和修改零部件。编辑完以后能马上直观的反应到装配图视图上面来。在SolidWorks中,当生成新零件时,可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。SolidWorks是个关联度很强的软件,如果改了零件的任何一个部分,装配图和工程图都会相应的变化。

2.3 geartrax齿轮和齿轮副设计插件

Geartrax是SolidWorks下的一个插件。主要用于精确齿轮的自动设计和齿轮副的设计,通过指定齿轮类型、齿轮的模数和齿数、压力角以及其它相关参数,geartrax可以自动生成具有精确齿形的齿轮。可以设计的齿轮类型包括直齿轮、斜齿轮和锥齿轮、链轮、齿形带齿轮、蜗轮和蜗杆、花键、v带齿轮等。这里就是运用这个插件方便快捷的来完成实验室里面的齿轮机构模型。先设定相关参数,然后将渐开线齿廓曲线可导入solidworks草图,最后通过特征功能将其建立为实体模型。

3 机构演示视频

SolidWorks中可以很轻松的将机构运转的视频保存导出。使用录制视频功能,弹出一个对话框可以选择avi视频格式,设置宽高比之后保存,然后可用鼠标移动机构零部件运行,也可以用自动爆炸视图命令,系统自动保存所有图像运行效果,演示完成后点击停止录制视频。将此视频使用flash的Adobe Media Encoder将其转换格为flv格式。接着导入到flash里面,嵌入flash里面的flv是逐帧动画,可对每一帧都进行编辑,加上此机构的名称和录音,实验室里面的模拟视频就制作完成了。流程图如图3所示:

4 结束语

此系统的成功开发、运用,对机械专业其他课程有一个启发作用,其他课程一些相关展示也可以通过这种方式实现,是实验室功能的有效补充。

参考文献

[1]力行工作室.Flash CS4完全自学教程[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

篇3：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

关键词：二次开发；SolidWorks；参数化；摩托车

引言

本文以某摩托车公司的产品开发为应用例子，将参数化设计技术与三维制图软件SolidWorks的二次开发技术相结合，开发出适应于摩托车行业的参数化设计系统。通过本系统可以对摩托车的零部件进行参数设计和选择，来实现产品的个性化、系列化开发。同时也发挥了开发新产品的优势，节省成本，缩短开发时间，提高开发效率的现实意义。

1.SolidWorks二次开发技术

对于SolidWorks自身来说，为用户提供了进行二次开发可能性，即SolidWorks 提供了自由、开放的API（ Application Program Interface，应用程序接口）函数，这些API函数是SolidWorks 的OLE（Object Linking and Embedding，对象链接或嵌入） 和COM （Component Object Model，组件对象模型）的接口[1]，所有支持OLE和COM的编程语言都可以作为SolidWorks的开发工具，如：Delphi、VBA和Visual Basic、VB.NET等。本文研究发开的系统采用的是Visual Basic 6.0作为SolidWorks的二次开发工具。

1.1 SolidWorks的个性化菜单的定制

本系统通过Visual Basic 6.0来定制SolidWorks的个性化菜单。菜单插件的制作应该注意的关键点：在工程引用中需要勾选：Solidworks Exposed Type Libraries For add-in Use（SolidWorks插件库）、Sldworks Type-bray（SolidWorks类库）、SolidWorks Constant Type Library（SolidWorks常数库）[2]。成功完成制作的个性化菜单如图1所示。

1.2 尺寸驱动的参数化设计

系统利用Visual Basic 6.0编制而成的界面，通过输入或者选择的参数值，给变量值赋，再由算法计算出相关的数值。最后将各个数值通过调用SolidWorks API中的对应的函数，赋值给图形的对应尺寸，来实现模型快速变形设计。尺寸的修改是通过约定算法和函数Dimension来实现。尺寸修改的关键代码为[3]：Set Dimension = Part.Parameter（“尺寸名称@草图/特征名称”）

Dimension.value = 参数值（或者尺寸算法）

2.实例演示

零部件参数化设计模块用CG125车型的后平叉为实例，在菜单中的二级菜单中点击“后平叉参数化设计”即可弹出如图2所示的参数化设计界面。我们可以根据设计需要来设定各个主动参数，这里的设置也是有约束规则的。设置完成后，即可单击确认按钮来实现自动修改3D模型。

3.结论

本文通过SolidWorks的二次开发实现了摩托车零部件的参数化设计，同时也将SolidWork二次开发的关键技术做了深入的研究。并通过实例演示，来展示了系统的功能。很好的解决了摩托车产品开发与市场的矛盾。减少了设计繁琐，提高了设计效率。

参考文献：

[1]WANG Q H，LI J R，GONG H Q. A CAD-linked virtual assembly envirornment[J].Internstional Journal of Product Research，2006，44（3）：467-486

[2]于洋，贺栋，魏苏麒.基于SolidWorks二次开发的智能装配技术研究[J].机械设计与制造，2011，3：60-62

[3]殷国富，尹湘云，胡晓兵.SolidWorks二次开发实例精解·冲模标准件3D图库[M].北京：机械工业出版社

作者简介：

谢显飞，（1989-），男，硕士研究生，研究方向：逆向工程，广东工业大学 机电工程学院。

篇4：典型运动机构的虚拟仿真系统开发

在传统的机械设计与制造过程中, 首先是论证及方案设计, 然后进行产品设计。在设计完成后, 为了验证设计, 通常需要制造样机并进行试验, 有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时, 又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过反复的设计—制造样机—验证—设计的过程, 产品才能达到要求的性能。对于结构复杂的系统, 设计周期无法缩短, 更谈不上对市场的灵活反应。在大多数情况下, 为了保证产品能按时投放市场, 从而中断验证过程, 使产品在上市时难免有缺陷。在市场激烈竞争的大环境下, 基于实物样机的设计验证过程严重地制约了产品的开发、质量、成本和对市场的反应。因此, 传统的设计方式无法满足缩短开发周期, 提高产品质量, 降低成本以及对市场的灵活反应。

计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个分支, 可以归入虚拟现实技术VR (Virtual Reality) 的范畴。借助于这项技术, 产品设计工程师们可以利用计算机建立虚拟的机械系统模型, 模拟其在现实环境下系统的受力和运动特性, 并根据仿真的结果来优化系统的设计。计算机运动仿真技术已代替或部分代替产品结构设计、样机制作、工艺试验等工作, 以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能验证。

1 Solid Works简介

Solid Works是一个基于Windows界面的三维机械设计、工程分析软件。该软件目前已经在各类院校和企业中广泛应用。该软件使用了Windows的OLE技术并内置了丰富的API函数, 用户可以调用其中的API (Application Programming Interface, 应用程序编程接口) 函数, 完成对Solid Works的控制和操作, 像VB、C++等常用编程软件很容易完成对其的二次开发。

1.1 建模模块

Solid Works和其他的很多三维软件一样, 具有强大的建模能力, 无论是简单的平面零件还是复杂的曲面零件都可以先建立2D草图, 然后通过一系列的命令建立3D零件。在SolidWorks中可以实现“尺寸驱动”, 即通过改变草图或特征的尺寸而自动改变零件的尺寸和形状。

1.2 装配模块

在Solid Works中, 可以创建由许多零部件所组成的复杂装配体, 这些零部件可以是零件或其他子装配体。添加零部件到装配体中, 并在装配体和零部件之间添加一系列的配合, 当Solid Works打开装配体时, 零件中的更改将自动反映在装配体中。

1.3 运动仿真模块

在Solid Works中, 运动算例是装配体模型按约束条件运动的图形模拟。可将诸如光源和相机透视图之类的视觉属性融合到运动算例中。运动算例不更改装配体模型或其属性。它们模拟模型规定的运动并以动画的形式展示。

2 虚拟实验系统的建立

虚拟实验系统选用的平台是三维设计软件系统SolidWorks, 它是基于Windows的全参数化特征造型软件, 可十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。该系统以参数化和特征建模的技术为核心, 为设计人员提供了良好的设计环境, 还可以方便地对Solid Works进行二次开发。虚拟实验室的建立主要经过建模、编程、仿真等几个阶段。

2.1 实验装配零件库的建立

为了满足模型齐全的要求, 选用Solid Works2012进行零件的三维造型, 并把所有实验室内要用到的零件做成了一个零件库。

2.2 机构运动设计方案的确定

在拟订方案之前, 首先可以从过去成功的设计案例中进行检索, 看是否有与设计要求类似的设计案例。如果有, 则以这个案例为模板, 并对其作适当的修改, 以满足当前的设计要求。这样做即可以保证设计要求, 还可提高设计效率。如果没有类似的设计案例, 则利用所掌握的专业知识和经验进行新的设计。

2.3 虚拟装配

在虚拟装配之前, 在磁盘上新建一个文件夹, 用以存放选择的零件和最后形成的装配体。打开一个新的装配体文件, 将选好的零件插入到这个装配体文件中, 在零件之间添加相应的装配配合关系就可以了。各构件之间的装配关系和其运动副关系是这样定义的:若是转动副, 则在两零件连接处添加端面贴合和同轴心关系;若是移动副, 则在两零件接触处添加平面贴合关系。对于机架和导轨等固定不动的构件, 通过右击Solid Works特征管理树 (Feature manager) 中相应零件的实体名, 在弹出的菜单内选择固定来实现。

2.4 对机构运动的干涉检查

在装配体形成后, 首先要对其进行初步的干涉检查。可以使用Solid Works自带的干涉检查功能。如果觉得不够直观, 则可以用拖动其中某个构件的方法, 观察各个构件的运动情况, 直观地看它们的运动是否会发生干涉, 如果发生干涉, 两个零件将有重叠的部分, 这就需要对机构中的参数或零件位置进行调整。

2.5 机构运动的仿真

机构动态仿真的实现相当于在每一运动时刻, 将各个构件根据约束摆放到空间的指定位置上, 构件的初始位置在装配体装配好以后就确定了, 其中机架位置的坐标值用户是可以自己设定的, 而构件在运动当中的各个数据是由外部机构分析程序提供。因此, 这种机构三维仿真方法不受机构的复杂性和自由度所限制, 给出不同的输入, 外部分析程序会提供不同的运动数据分析结果, 使机构得以实现不同的运动。

2.6 机构参数的调整

因为Solid Works可以实现尺寸驱动, 所以改变装配完的机构中构件的某些参数, 如杆长、机架的位置后, 只需要对装配体机构进行重建模型, 其他零件的相应位置会根据配合关系跟着改变, 而不需要拆卸后重新装配。通过VB编程调用SolidWorks中的API函数可以很容易实现对零件的尺寸改变。

3 虚拟仿真系统的使用效果

本系统选择了十几个具有典型运动机构做了完整的运动虚拟实验, 在操作的过程中只需要输入相应的参数, 点击相应的按钮就可以实现运动仿真, 如图1所示。

为了弥补所选运动机构的不足, 本系统还建立了补充用的零件库。通过典型运动机构中的零件和零件库中的零件, 可以实现多种机构的运动仿真。当然, 对于比较特殊的零件也可以单独的建模, 然后和本系统中的零件相配合, 以实现更多系统的运动仿真。

4 结语

通过本系统开发的虚拟机构、零件库和使用者自己补充的零件可以完成各种复杂机构的运动仿真。该系统除可以用于学校的教学、学生的创新设计外, 还可用于中小型机构的开发验证。

参考文献

篇5：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

关键词 AVM平台；虚拟实验；中学物理；动量守恒定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）18-0013-02

1 问题的提出

中学物理实验在物理教学中占有举足轻重的地位。从我国中学物理实验现状来看，实验器材不足、实验的趣味性不强、实验开出率低是大部分中学尤其是农村中学普遍存在的现象。与传统实验教学相比，基于AVM平台的虚拟实验教学能降低实验成本，突破传统教学模式中时间及地点的限制，开发效率高，具有良好的交互性，轻松实现资源共享，有利于学习者的自主学习及合作学习。因此，基于AVM的虚拟中学物理实验室的设计与开发很有意义。本文以中学物理实验“验证动量守恒定律”为例，较为详细地说明基于AVM平台的虚拟实验的开发过程，以促进基于AVM平台虚拟实验室的发展和应用。

2 基于AVM平台的虚拟物理实验的设计

在本研究中，主要以中学物理实验“验证动量守恒定律”为例。实验主要仪器包括斜槽轨道、气垫导轨、电脑计数器、气泵、天平等。动量守恒适用条件：

条件一，系统不受外力或系统所受的外力的合力为零；

条件二，系统所受外力的合力虽不为零，但比系统内力小得多；

条件三，系统所受外力的合力虽不为零，但在某个方向上的分力为零，则在该方向上系统的总动量保持不变，也就是分动量守恒。

该虚拟实验要能使实验者获取数据并准确验证动量守恒定律，在验证过程中能够很好地实现人机交互，以保证实验的趣味性，激发实验者的学习兴趣；还要保证能够在低配置的计算机上运行，以符合大众需求。基本的数据包括：斜面下滑碰撞时，能够得到小球从斜面下滑，然后发生碰撞后下落到地面的高度、时间、滑动的距离、碰撞前的初速度大小方向、碰撞后速度的大小方向等；水平面碰撞时，能够自定义两小球质量大小、初速度大小方向等，能够得到两小球的末速度大小方向。

3 基于AVM平台的虚拟中学物理实验的框架设计

该虚拟物理实验主要分为四大模块：推理过程、实验验证、原理运用、习题巩固。

推理过程主要是演示动量守恒定律的原理、公式的推理过程，让实验者在实验之前了解动量守恒定律公式的由来。

实验验证主要是验证动量守恒定律的正确性，包括两大实验以及各种实验结果的对比：小球从光滑斜面下滑碰撞实验，让实验者自定义控制光滑斜面中将要发生碰撞的两小球的质量大小，并获得它们下落到地上的末速度大小，碰后运动的水平距离、下落的高度、下落的时间等，从这些条件来验证动量守恒定律公式的正确性；两小球在光滑水平面上碰撞实验，让实验者控制光滑水平面中将要发生碰撞的两小球质量的大小、初速度的大小和方向（负值为反方向），并获得它们碰撞后的速度大小和方向等，从这些条件来验证动量守恒定律公式的正确性；结果对比展示，让实验者观察刚才实验中，不同条件下两小球发生碰撞后的不同结果，从而更加形象、准确地掌握动量守恒定律。

原理运用主要是以动量守恒定律来解释生活中的各种现象，了解动量守恒定律在现实生活中的应用，加深对动量守恒定律的理解，激发学生的学习兴趣。

习题巩固主要是进一步加深对动量守恒定律的掌握，让实验者以做题的形式掌握动量守恒定律的适用范围、相关题型等。

4 虚拟实验的关键代码分析

参考文献

[1]李璐.虚拟仿真实验室应用于初中物理实验教学的理论与实践研究[D].西安：陕西师范大学，2009.

[2]王军.基于Flash的虚拟物理实验室的设计方法[J].曲阜师范大学学报：自然科学版，2008，34（4）：81-84.

篇6：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

本文主要介绍根据已知条件。在Solid Works环境下建立牛头刨床的简单模型, 并进行运动和动力学的仿真。

1 牛头刨床机械系统方案设计

牛头刨床是常见的一种平面机械加工设备, 对其系统的要求一般为: (1) 为了提高工作效率, 在空回行程时, 刨刀快速退回即要有急回作用。 (2) 为了提高刨刀的使用寿命和工件的表面加工质量, 在工作行程时, 刨刀速度要平稳, 切削阶段刨刀应近似匀速运动。假定已知行程速比系数K为1.4左右, 曲柄转速n=60 r/min, 刨刀行程H在3 0 0 m m左右, 工作行程的阻力F约为7000 N。因曲柄AB为主动构件, 构件2与3之间的传动角始终未90°, 在摇杆滑块机构中当E点的轨迹位于D点所作圆弧高度的平均线上时, 构件4与5之间有较大的传动角。根据已知条件和构件几何约束初确定各构件长度分别为:Lab=110 mm, Lac=410 mm Lcd=540 mm, Lde=130 mm。这种机械系统传动方案具有加工简单和占用面积比较小的特点。其传动性能, 在工作行程中, 刨刀的速度变化, 行程速比系数的大小及所需驱动力矩的大小将在下面的仿真中进行验证。

2 系统几何建模

根据上诉尺寸, 在Solid Works环境下进行零件建模, 并进行装配。建模时应注意严格保证运动副位置及运动副间尺寸。

将各构件按运动要求进行虚拟装配后进行到COSMOSMOTION运动仿真插件环境中, 定义导轨和机架为静止构件, 刨刀、滑块、导轨、曲柄为运动构件。在运动分析前必须用各种运动副连接各构件, 建立运动关联。添加刨刀与导轨为移动副, 使刨刀在导轨上左右移动;添加刨刀与连杆为转动副, 使两构件在连接轴心上相对转动;添加连杆与导轨为转动副, 添加滑块与导杆为移动福, 添加曲柄与滑块为转动副, 添加曲柄与机架为转动副, 添加导杆与机架为转动副。

3 添加运动激励

根据已知条件, 曲柄回转速度n=60 r min, 可知曲柄每秒回转一周。为曲柄添加运动激励, 第一构件为曲柄, 第二构件为机架位置选择构件的配合圆孔面, 方向选择圆孔面的边线, 使之绕机架连接点的Z轴 (两构件配合圆孔的重合轴线) 旋转, 运动类型为速度初始位移 (曲柄与导杆垂直) 为零, 函数为恒定值, 角速度为-360 deg/sec (n=60 r/min) , 速度的负号使曲柄的运动方向与图示方向相反, 为逆时针旋转。

4 添加工作阻力

预防真结束后, 绘制刨刀质量X轴位移线图。从0~0.42 s内为运动回程段, 时间为042 s;0.42~1 s内为其工作行程段, 时间为058 s, 最大行程为H=299 mm。在工作行程的前0.05 H和后0.05 H里无工作阻力, 0.05 H=0.05×299 mm=14.95 mm, 将鼠标位置与刨刀质心线图刨刀工作段和终点段时显示的时间分别为0.49 sec、0.92 sec。这样工作阻力随时间的变化为:在0≤t<0.49时间段内, 工作阻力F=0;在0.49≤t<0.92时间段内, 工作阻力F=7000 N;在0.92≤t≤1时间段内, 工作阻力F=0.使用IF函数, 键入工作阻力函数表达式为:IF (time―0.49:0, 7000, IF (time―0.92:70000, IF (time―1:0, 0, 0) , 为刨刀添加工作阻力, 运动仿真。

5 仿真分析

(1) 将时间控制曲线置于峰值点, 计算行程速比系数, K=工作行程时间0.58 sec/工作回程时间0.42 sec=1.38 sec, 近似于K=1.4。说明机构具有机会特性, 符合设计要求。

(2) 在0.49~0.92时间段内, 工作阻力为7000 N, 其他时间段内为零, 说明工作阻力定义确定。

(3) 从刨刀质心速度曲线上可看出, 曲线连接;在有效加工段内速度在350 mm/sec~717 mm/sec内连接变化, 变化量不大, 近似于匀速运动。从刨刀质心加速度曲线可看出, 在有效加工段内加速度在3632 mm/sec2~3340 mm/sec2内连续变化, 差值仅为292 mm/sec2, 加速度变化连续平稳, 再次说明速度变化平稳, 不存在任何冲击, 符合设计要求。

(4) 仿真可知, 机构运行到0.72s时存在力矩峰值, 这是由于设计中没有增加构件和材料属性造成的, 系统内存在极小的惯性质量。因此可根据仿真进一步进行机构各组成零件、构件结构设计、赋予材质, 进行动力学仿真, 验证惯性质量作用, 提高系统的整体动力性能。

6 结论

通过对牛头刨床的仿真设计可以知道, 在Solid Works环境下, 建立机械系统传动方案模型, 虚拟装配并可验证干涉;运动学仿真验证机构系统的运动特性;运动学仿真验证动力学性能。对可能存在的各运动关节的运动局限性、运动干涉、超出运动范围、动力性能不足等情况进行验证和再设计, 调整不足, 改善机构性能。这种利用计算机虚拟样机技术队工作任务的设计方法, 可以节约大量的财力、物力, 提高工作效率和质量, 缩短开发周期性, 对实际工作有一定的指导作用。

摘要：在牛头刨床的主运动系统设计中, 需要对它的主要零部件进行运动学仿真与分析。本文主要介绍了基于SolidWorks和COSMOSMOTION环境的仿真模型的构造方法。它的运用, 提高了设计方案的验证和预见性, 并为机构的构件机构设计做了必要的准备。

篇7：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

在发达国家，信息技术在建设企业中的应用已经十分普遍，基于因特网的协同工作系统对于信息交流和信息共享是一种重要的手段，对提高企业的生产效率和经济效益起到了非常重要的作用。本文从实用性和经济性的角度出发，提出了一个面向业主的、基于虚拟组织的维修工程管理信息系统。

一、目前维修工程管理中存在的问题

目前，业主在维修工程管理中的主要问题：一是项目投资金额小、责任小、工期短、管理不规范，对原始数据难以查询、汇总、统计分析，造成事后缺乏依据而无法准确核实工程量。二是招标方式、招标程序和评标办法不够严密，招标信息公开范围不够，未形成有效竞争；三是项目信息、业务流程不规范，致使项目信息渠道不通畅；四是各职能部门之间存在信息鸿沟，数据和文档管理困难，业务流程缺乏连贯性和合理性，影响各职能部门之间的协调工作；五是信息收集速度慢，准确性差，不全面，难以满足业主决策、调整、管理的需要，无法及时对项目进行准确的项目核算。

要解决维修工程中存在的问题，应利用IT技术和现代管理理念，通过建立维修决算审计信息系统，进一步明确维修项目的立项、决策、招标投标管理、合同管理、现场管理、竣工验收、工程送审、财务付款等环节的程序和管理控制制度，规范管理行为，保证项目信息渠道畅通，实现工程项目全过程的动态综合信息管理。

二、虚拟的工程管理组织环境构建与实现

1.工程建设虚拟组织环境的组成

构建虚拟的工程管理组织的实质是充分利用计算机网络和数字通信技术为项目参与各方营造个信息沟通与协调合作的共享环境，建立工程参与各方的信息传递平台和管理协作框架，搭建以Internet／Intranet技术为核心的网络应用环境；实现硬件系统、软件系统和工程数据信息在本网络系统中的高度集成与所有工程参与者在此环境下的有效组织，按照业务化流程串起各个系协同工作为总体项目目标服务:有效的信息沟通与各参建部门的协调合作；基于网络的信息管理平台；系统的核心是中央数据库；应用程序集成；现代工程管理控制先进方法的实现。

2. 虚拟组织构建的技术实现

虚拟组织的工程管理系统构建方式，以网络平台为构建基础，融合现代工程管理理念和方法，集成先进成熟的工程项目管理软硬件，具有开发快速性、系统结构可扩充性、适应性好、可操作性强和维护简便等特点，能够有效地适应现代工程管理信息化建设的需要。

三、维修工程管理信息系统体系构架的基本原则

（1）系统目标。建立一个高效的项目决算审查和监督系统，采用开放的系统工作平台，以资金管理为主线，实现项目的申报、立项、决策、招标投标管理、合同管理、结算上报、数字签名、结算审核、结算复核全过程的网络化。

（2）系统设计原则。一是采用先进成熟的技术和软硬件设备，使系统投资能够发挥应有的效益，并能最大限度地提高系统的使用周期和扩展能力；二是坚持开放性原则，采用国际标准，使之能够与Internet相连；三是必须保证系统的安全、可靠、先进和稳定，有效防止信息泄密及对信息的非法窃取；四是系统的设计应符合日常管理工作的需要，功能完备，易学易用，界面友好清晰；五是系统信息统一设计规划。

（3）系统主要功能模块分析。 1、用户层。图形化的用户界面，是人机交互的接口。基于系统安全的考虑，将用户权限分为四类：系统管理员具有最高权限，可以管理用户权限和所有信息；项目管理员权限由系统管理员设定，并可动态改动；一般浏览者只能浏览发布的信息；2、应用层。服务器和服务器的扩展程序，集中了项目管理系统所有的应用逻辑和大部分的系统开发和维护工作；3、数据层。当用户通过Web服务器访问数据库信息时，Web服务器向Web接口发送一个SQL请求，数据库根据SQL请求提交结果给Web服务器，然后发给用户。

（4）各业务模块功能简介。 1、录入。包括立项审批过程、立项项目合同招标和议标过程、合同审批、合同结算、合同付款及合同变更，施工单位结算上报，建设单位确认结算，审计单位结算审核、复核上报等的录人。其中一些部分是由合同管理员录人，而另一部分则由审批人或者申请部门直接提交数据库； 2、查询。各类立项项目及合同的查询以及执行情况的查询、结算、预算查询，此外，还包括某些审批过程的查询，如查询某个申请部门在某个时间内的申报项目的审批情况等；3、修改。由于粗心等各种原因引起的差错的修改，如合同录入过程中合同金额、承接单位名称的修改等。其他类似于合同编号、项目编号以及各级主管审批意见等不允许修改；4、统计。指对各个年度的付款情况及合同、项目的完成情况的统计，各类属性的合同在某个时间的付款额，统一对审计项目全部资料进行管理．建立审计项目数据关联，统一打包归档，便于审计成果的利用，实现审计资料共享；5、输出。根据实际需求．保留手工签字的传统此输出界面保持原来签字界面的格式；6、帮助。对整个系统的每个组成部分的详细说明。使用过程中出现问题的解决方法以及对于某些重点、难点的举例说明；7、系统维护。数据的导入、导出、备份与恢复以及用户的管理(用户增加、删除，权限的授予与回收)。

该管理系统的实现具有以下一些优点：1、全程控制，规范行为。以质量控制体系为依据，将质量控制点部署于整个项目实施过程中，用系统自动控制或提示的方式予以实现； 2、记录轨迹，落实责任。提供工程日记功能，全员全过程记录审计实施轨迹．清晰反映审计步骤和方法，落实责任；3、统一归档，信息共享。数据的统计、查询等更加迅速、准确可以为决策者实时反馈信息，便于及时做出合理决策对于高校的数据管理更加准确；4、提供平台，交流及时。只要登录网站，即可进行审批和管理活动，加强了工程各参建方的沟通联系与协调，增强了项目管理工作的效率和目标控制工作的有效性。

篇8：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

机械产品中的零件错综复杂,变化多样,加之市场的激烈竞争,产品的更新周期越来越短,对产品的设计质量和设计效率提出了更高要求。如果企业能够研发出具有自身产品特色的参数化设计系统,在设计人员的一定交互下,系统将自动生成优化的产品零部件变型设计结果。这将极大地提高设计效率,缩短产品的研发时间。

Solidworks是一套基于Windows的三维机械设计软件。然而在工程实践中,其专业针对性不强。因此,人们通常在此平台上开发符合国家标准、适合企业实际应用的功能模块。目前,Solidworks已具有了国家标准件库模块Toolbox插件。本文研究开发了纺织机械三维零部件参数设计系统,对企业具有一定的参考价值。

1参数化设计系统开发技术

目前,CAD/CAM系统的开发主要有三种方式:(1)完全自主版权的开发,一切须从底层开始;(2)基于某个通用CAD系统的二次开发;(3)基于CAD/CAM软件平台(即几何引擎)的开发。结合企业所用的CAD系统,本文研究了基于通用系统Solidworks的二次开发技术并开发了纺织机械参数化设计系统。

基于Solidworks开发三维参数化设计系统有多种方法。主要分为用程序语言及Solidworks的API进行系统开发和用Solidworks的自带配置功能进行驱动实现系统功能两种。下面将对用上述方法开发本文系统进行具体阐述。

1.1配置驱动法

对纺织机械或企业的标准件和系列件,因其通用性或零件相似性,可利用Solidworks自带的配置功能建立零件库系统。配置驱动法的关键是Solidworks提供的生成和管理配置的系列零件设计表利用该表可以方便地从一个零件创造出一个形状相似的零件族。

配置驱动法的基本思想在于基于零部件的3D模型,利用系列零件设计表插入Excel表格,实现Excel与Solidworks的无缝集成;基于Excel与3D模型特征的映射关系,利用表格数据参数化映射的特征尺寸,实现零件族库的建立。使用[插入]中的[系列零件设计表]功能,即可实现Excel与Solidworks的无缝集成;使用[注解]中的[显示特征尺寸]功能,将模型所有的实体特征名称作编辑修改并复制到Excel单元格内,即可实现Excel与3D模型特征的交互映射。在Excel表格的单元格内,设定配置名称、尺寸或特征名称,把每个配置的尺寸值都放在表格中对应的单元格内。对于需要系列驱动的尺寸,使用尺寸的全名“尺寸名@特征名”;对于特征的状态,使用“MYM状态@特征名”;对于备注列和用户注释列,可使用“MYM备注”和“MYM用户注释”给各配置增加文本字符串。在设计应用时,通过双击配置名称,即可调用相应的零件配置,进行多种配置的切换,同时3D模型则按配置的尺寸被驱动到需要状态。在设计及装配中,可以选择相应配置直接获得并使用所需模型,极大地缩短了设计时间,提高了设计的效率和可靠性。

1.2程序驱动法

对大多数产品零件而言,可利用Solidworks的API[1](ApplicationProgrammingInterface)编制特定的程序以实现建模。程序驱动法的关键是特征及API的编程。通过对具体零件建模过程的编程,建立零件库系统。

程序驱动法的基本思想是利用数据参数化,实现设计交互;利用数据库编程,实现巨量数据的存储和调用;利用API编制建模过程程序,实现模型设计。Solidworks的API包含了数以百计的功能函数。这些函数提供了程序设计者直接访问Solidworks的能力,可以被C、C++等编程语言调用。实际上,Solidworks系统本身是基于VC++开发的,因此,继续使用VC++进行二次开发不失为最佳方案。它不仅能提高软件本身的兼容性,而且开发出的模块可以完好地嵌入到Solidworks中,没有任何排斥性。本文利用VC开发了Solidworks平台的纺织机械参数化设计系统,下面对此开发技术做具体分析。

利用VC开发基于Solidworks的三维参数化设计系统需两个步骤:一是可视化交互接口设计阶段;二是建模代码设计阶段。通过分析模型的特点,确定模型各尺寸间的数字关系,设计交互参数接口,然后参数值,在VC平台上编程实现三维模型。纺织机械设计中经常需要从设计手册等资料中查找某种规格的具体参数尺寸,为提高设计效率,避免繁杂的输入,常以规格作为输入主参数,从数据库中查找匹配的具体尺寸数值,然后由程序自动生成相应规格和尺寸的零件模型。为实现数据库与VC程序的互连,必须使用数据库接口技术常用的包括ODBC(OpenDatabaseConnectivity开放式数据库连接)、DAO(DataAccessObject数据访问对象)、ADO(ActiveX DataObjectsActive数据对象)等。目前,ADO技术以其独特的优点得到了程序设计者的青睐。独立的EXE文件和动态链接库(DLL)文件都可以作为COM的组件与Solidworks集成,但在编写EXE程序时,须每次原形改变时都重建并测试,而DLL模块则可单独测试且占用空间小、运行效率高。Solidworks提供了DLL加载的接口,能将用户的DLL通过加载嵌入到Solidworks内部[2]。因此,本文将开发出的模块编译成DLL文件,实现其与Solidworks的无缝集成和嵌入。

本文利用Solidworks提供的VC开发向导模板ATLObjectWizard建立DLL工程。利用ADO技术实现DLL工程与SqlServer2000数据库的连接,利用API编程实现模型设计。利用ATL插件模板不需要多考虑动态链接库等编程方法,降低了开发难度;利用ADO技术,增强了访问数据库的灵活性和便捷性;API编程的核心是实现模型特征的建立API编程建模过程的一般实现伪代码如下:

1.3方法剖析及比较

配置驱动法和程序驱动法,本质上都是利用参数造型技术,通过交互参数驱动建模。配置驱动法本身是基于设计者自行建立的完整模型,利用Excel系列设计表的数据驱动已建模型的参数,实现系列件的模型设计。这种方法主要用于企业相似件、系列件等零件族(库)的建模。程序驱动法则从抽象参数层开始,以交互参数数据为依据,完全由编制的程序执行建模,逐步建立零件模型。程序驱动法相对于配置驱动法速度慢,但适用范围广,适合于大多数零件的建模,甚至装配、仿真等。将二者有效地结合,有助于设计者使用参数化系统提高设计效率。

2几个实例

本文采用程序驱动法和配置驱动法设计了纺织机械三维参数化设计系统。其中,程序驱动法基于VC平台使用API开发DLL并选用SqlServer2000作为数据管理工具,采用ADO技术访问数据库,实现了程序与数据的分离。当设计者选定规格参数或输入相关参数后,程序从数据库中取出相关尺寸数据,调用相关函数生成实体。图1是系统用配置驱动法建立的螺钉[3]实例。图2是系统标准件程序建模界面。图3是系统程序驱动法建立的直齿圆锥齿轮模型。

绘制直齿圆锥齿轮的部分程序代码如下:

3结论

本文基于Solidworks三维设计平台,利用系列零件设计表、Visual C++开发工具、Excel和Sql Server数据库系统,建立了纺织机械三维参数化设计系统。本文对系统开发中的配置法和程序法进行了具体的分析,在设计中尽量做到让用户较少地输入参数,由程序访问外部数据库获取相关数据,极大地提高了设计效率,而且使用Solidworks的ATL插件模板,降低了开发难度。但是要建立适合公司需要的、专用的Solidworks功能模块还需要不少的努力,如零件库还需进一步扩充和完善,DLL框架还需要优化等。

参考文献

[1]Solidworks Corporation.Solidworks2003API Help

[2]李欣然.用VC++对Solidworks进行二次开发.机械管理开发,2007;(1):95—97

[3]周开勤.机械零件手册(第五版).北京:高等教育出版社,2001

篇9：基于SolidWorks开发的机构运动方案设计虚拟实验系统

[关键词] 虚拟现实； 虚拟实验； 学科领域知识

[中图分类号] G434 [文献标志码] A

[作者简介] 孙江山（1978—），男，山东东营人。讲师，硕士，主要从事新技术教育应用研究。E-mail：jssun@deit.ecnu.edu.cn。

一、引 言

当前，有关教与学的理论与技术的不少有价值的研究成果未能有效地向教学迁移，未能产生教育教学改革的预期效益，方兴未艾的虚拟实验系统的开发与应用也面临同样的困境。在现实的实验教学过程中，由于教师考虑实验安全隐患、需要花费时间和精力甚至教师信心不足等问题的存在，实验教学的效果一直未曾充分显现(Walton，2002)，虚拟实验系统应用在课程学习中的重要性也没有得到足够的重视(Saka，2002)，教学效果不尽如人意，达不到教学目标规定的要求。[1]英国“学习与绩效技术中心”统计，由教学专家们评选出的前100名最优秀的E-learning 工具排名中，截至2011年6月，虚拟实验系统难觅其踪。

随着具有视觉输入反馈功效的触控设备等虚拟现实建模技术和传感技术的日趋成熟，虚拟实验系统的诸多问题得到了进一步的改进和革新，如增强现实技术的教学实验应用等。[2]虚拟实验系统也越来越突现出了虚拟现实的特性，[3]如图1所示为虚拟微观化学分子结构及实验现象科学假设仿真。国内外的相关研究在涉及科学、技术和教育领域中的概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展都给出了很高的认可，如基于三维世界的空间学习。[4][5][6]它在熟悉真实实验环境、消减实验焦虑、提高实验操作信心方面效果显著，[7]并且在当下实验教育资源匮乏和分配不平衡的情况下，虚拟实验教学突现利用率高、易维护和低成本等诸多优点，更体现了虚拟实验在实验教学实践中的应用价值。

以往研究主要侧重描述如何应用虚拟现实软件开发具体的实验项目、介绍新兴和常用实现技术，以及从计算机图形学的角度优化三维建模算法。笔者将从学科领域知识的角度研究如何设计有效的虚拟现实实验系统，以达到预期的教育目标。在整个虚拟现实实验系统设计过程中，不仅要考虑虚拟现实系统的软件功能模块、兼容性、可扩展性和使用成本等技术特征，更要从学科内容的特点（知识属性）和知识学习的心理规律（认知特性）两个方面审视虚拟实验设计的理论探索和开发实践。

二、基于学科领域知识的虚

拟现实实验系统的设计

学科学习可以看作是一个引导学生从新手认知向专家认知发展的过程。本文旨在通过对结构良好和功能完善的学科领域知识进行重新表征，构建基于学科领域知识的虚拟现实实验系统，以提高学科教学的有效性和学生学习的效率。学科领域知识是指学生所拥有的关于某个特定学科范围内的所有知识，是关于某一学科中的那些具有一定相关性、逻辑性、操作性的知识，按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式。[9]从其结构上看，学科领域知识的三维结构包括了学理内容、认知过程和问题条件三类知识。其三维结构不仅涵盖了陈述性知识和程序技能，也包括了在认知操作中具有核心作用的元认知策略成分。它将原来教学实验中只考虑知识本身、内在关系的知识系统转变为将知识和认知相结合的领域知识。每一个学习者所获得的所有知识都可包含在这三类知识中，并且学科领域知识的三个组成部分是截然不同的。例如，学习者掌握化学制取二氧化碳气体的实验知识，就不仅要求具有制取二氧化碳气体需要准备什么和注意什么事项的学理知识，还要掌握实验仪器组装、药品添加及实验观察分析等认知过程知识，同时还要知道在什么条件下执行什么实验程序的限制性条件（即条件性知识）。这样，才能置换出二氧化碳，只有掌握了这三类知识，学习者才真正掌握了制取二氧化碳的完整知识。

（一） 学理知识的表征

虚拟现实实验系统按照学科领域知识的具体与抽象的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体的科学原理，帮助学习者突破思维上的难点和疑点。如“化学实验制取气体”，虚拟试验装置可逼真地模拟实验的仪器组装过程，演示实验的现象，如加热、生成气泡。突破了真实实验的某些局限，如实验时间跨度太长或太短不利于现象观察，实验过程变化的细节不便直观感受，科学假设受限于实验条件和设备的高要求无法验证。这样的虚拟现实建模虽然一般能帮助学习者清晰地了解具体的实验场景与现象，但是学习者观察过后未必能把握具体现象与抽象科学规律间的关系，也就难以达到运用规律解决新问题的有意义学习目标。如制取气体的虚拟实验现象要揭示的科学规律是化学制取气体的原理，为什么特定化学药品被混合时会产生气体？气体生成的化学反应过程的规律是什么？现实生活中的应用又如何？这些都是构建基于学科领域知识的三维虚拟实验知识单元模型要考虑的关键因素。

一个实验任务的成功完成是在考虑学生已有知识水平与学生在学习活动中的认知特点的基础上，同时考虑一系列相互关联的实验知识单元，组建实验知识单元学习序列。而虚拟现实三维建模能够全息表征实验知识单元内容，它借助几何建模、运动建模、物理建模等，构建可视化虚拟学习对象外观、运动和物理特性的数据模型。作为虚拟实验活动过程中传递学科知识信息的基本单元，具体包括概念、原理、关系、规则等反映事物的知识内容。

实验知识单元是学科实验知识学习的基本内容。本文根据SCORM内容聚合模型的设计思想，结合学科领域知识相关理论，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型。[10]在该实验知识单元模型中，描述学科知识库的核心元素Organization不是单纯地用于聚合实验内容或实验活动，还要用于描述学科知识体系、实验知识单元及其逻辑结构关系；元素Item用于描述实验知识单元，允许嵌套子元素Item；子元素Metadata用于描述有关实验知识单元的元数据，包括实验知识单元之间的组织结构关系。该模型中包含的数据，不单是特定实验项目中可视化场景所需的具体实验数据，而是要包括可视化3D模型及相关描述信息。在虚拟现实实验系统中，基于该知识单元模型的结构化数据可以实现直接扩展和迁移，实现在学科知识体系中的查询和获取，从而得到重复使用。如图2所示为基于该知识单元模型的中学化学虚拟实验实例的内容组织结构图。

1. 实验项目描述

包含三项内容：实验项目名称、项目设计者、项目概述。这些简短说明文字用于标识和命名虚拟模型数据库中的实验项目。

2. 属性栏

设置特定实验项目所需观察实验数据的属性呈现，如试剂、温度计、PH计等属性栏，化学反应过程动态属性值变化显示等。

3. 化学药剂

药剂的化学分子式、化学结构式表征和化学属性设置。状态选择分为气体、固体、稀溶液、液体等。化学属性如摩尔质量、量浓度和质量分数，以及药剂的颜色和温度设置等。

4. 化学反应方程式

指定特定实验项目的化学反应方程式，并标识出反应物和生成物。

5. 实验项目配置

定制实验项目的方案，包括配置实验所需的仪器装置（烧瓶、烧杯及铁架台等），指定所需的实验化学药剂和用量等详细的数据。

（二）认知过程知识与虚拟现实人机交互

认知过程知识是指在学习过程中，关于认知活动过程性和操作性的知识。它是学科领域内的一套关于知识获取、认知操作和问题解决的规则或程序，调节和控制着学生在实验教学中对已有知识的使用和新知识的构建。好的虚拟现实交互设计应该遵循认知活动规律，根据学科实验教育的目标和学习者的认知水平，分析学习者的需求，然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，在知识获取的相关交互活动中，提升实验学习效果。

认知过程的关键是知识重构，即知识的重组和加工。人类信息加工容量有限性的观点认为人类只能同时对有限数量的信息加以接受并保持其活跃，即认知加工容量是有限的，可同时利用的心理资源是有限的。[11]据此，三维空间交互界面设计应围绕该有限性的两个主要方面展开：

1. 学习者注意的选择性

人类通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉七大感觉系统来获取信息。自然的感官体验减少了不必要的信息加工过程，有助于避免可能加重认知负荷的情况发生。三维虚拟实验场景通过多视角的观察，及一系列的仿自然感官体验的用户操作和反馈，达到掌握实验装置构造、原理、步骤、方法等认知目标。

虚拟实验系统设计要发挥计算机交互方面的优势，使学习者有更多精力去完成无可取代的复杂认知活动。人机交互界面的基本功能包含漫游和自由度（DOFs）操控。它们的实现通过使用专用感知设备，像ImmersaDesk和PHANTOM，也有PC支持的周边设备，常见的有三维鼠标、摄像头、数据手套、头戴式显示器和体三维显示器等。它们可以实现3D对象选择和3D对象方位变换，让学习者及时地、没有限制地观察三维空间内的全息事物，以利于培养学习者的空间想象能力以及理解抽象的知识和技能的实践运用。另外，通过镜头控制实现多角度观察，用户可以调整视角的方位，实现全局或局部场景的漫游，延伸用户感知信息的能力。

3D应用程序(如3D游戏)利用富有特色的物理建模和行为建模，在虚拟实验的特定任务情境中，如装置组装的碰撞测试、虚拟环境的自适应行为等，实现了更具真实感的人机交互，即对虚拟物体产生的感觉和真实世界一样，像在真实世界中一样对待虚拟世界中的物体。

减少实验问题解决和学理知识学习中的认知负荷，让学习者不必同时注意太多冗余信息，也是学习注意选择性的考虑因素。比如，可视化3D模型与其文本标签等实验数据同时提供，把它们布局整合在一起，场景模型应该把那些不重要的信息，或可有可无的信息从全息景像中清除掉，以免影响学习速度。

2. 工作记忆信息容量的有限性

实验过程要求严格遵循实验工作流程，实验内容单元呈现序列可按照实验步骤提供清晰的信息路径图。该一维实验序列是在时间轴上的学习路径，考虑各知识单元的层级关系和相关度，并以学习者的已有知识水平和行为作为起点，根据实验项目内容的逻辑结构，或者通过解释结构模型法，借助计算机程序生成各个实验知识单元间的教学序列。

实验内容属于操作性较强的学习内容，每一个学习者在实验学习过程中的问题或多或少都存在着差异。在这样的情景下，个别辅导对学习者的管理、引导和启发会发挥不可替代的作用。智能向导作为学习伙伴的化身，通过会话的方式与学生交流，提示操作步骤，检验操作的正确性，在很大程度上会促进学习者的知识获取和意义建构。比如化学实验需要加热药品时，也有严格规范要求，不但对药品的用量、火焰的部位、倾斜的角度有着明确的要求，更不容忽视安全操作，像液体物质加热时一定要做到“先均匀、后集中、管口万勿对着人”。在出现操作失误时，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息。[12]再者，在实验教学序列中引入探究问题，以引导学习者思维的方向。如用锌粒和盐酸制取的气体中含有杂质吗？若有，会是什么？如何除去这些杂质？通过引入净化装置知识单元，使得学习者深入理解净化实验环节相关知识和操作方法。

（三）问题条件知识的虚拟演示

问题条件知识是指在特定的学科问题情境中，进行问题解决时使用已有知识的限制条件。对于专家与新手在解决问题上的差异的研究表明，新手会汇集大量的加工信息用于缩小当前认知状态和目标认知状态之间的差异，但问题解决的重要部分（如实验内容中的问题结构、方程及定理等）的表征就会被延缓，不利于知识的获得与专长的发展。基于样例教学模式的实验演示是一种不错的模式，与从做中学相比，探究所需的时间少，有较好的迁移效果，让学习者更多地注意实验问题的特征，以及在什么情境下使用哪些原理、规则等。这种模式强调的是专家知识的构建，通过利用与展现专家专长与认知优势让学生在实验教学中受益，实现从新手向专家的认知转变。

三、中学化学虚拟现实实验

“二氧化碳制取”实例

本文以义务教育化学新课程标准规定的中学化学实验制取气体中的“二氧化碳制取”专题为例，分析虚拟实验教学内容的三类知识在其中的相互联结，以及基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。实验要求知道制取二氧化碳的化学原理，解释确定气体发生装置和收集装置时应考虑的因素，然后通过药品的选择、装置的设计等体验科学探究的方法，使学生初步学会组装实验室中制取二氧化碳的装置，培养实验设计、观察和评价能力。

（一）实验笔记

基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的一个基本的问题就是如何可视化表征学理知识。因为在学科学习中，学生依赖领域知识的引导与学习环境中的各种信息发生交互作用。如果缺乏学科领域知识或者对特定领域的概念结构理解不足，学习者将无法在学习过程中获得足够的引导，很难对学习环境中的各种信息进行分辨和有效组织。在虚拟实验“二氧化碳制取”中以三维虚拟实验知识单元模型表征的学理知识可以形象地称之为实验笔记，包括实验项目相关学理知识的表征以及实验报告的展示。如图3所示，实验笔记不仅便于检索查阅，还能够直观地描述在模拟实验过程中可视化模型和场景所需的实验数据的呈现。

（二）三维实验场景的人机交互

三维空间交互设计的最大挑战是能否支持快速有效的用户操作和反馈控制，保证动作任务的顺利完成。虚拟现实关键特点就是为用户提供自然的交互，在虚拟现实实验中就是给学习者完成虚拟实验任务提供便利的交互空间和操作方式。

在交互式的三维空间场景中，会提供一系列的用户操作和反馈工具。平移、旋转、缩放等漫游和自由度（DOFs）操作等工具，一般都加有限制性控制，目的是防止出现漫游过程中穿越实体对象如实验台，或者游离出实验场景以外。[13]前置的二维悬浮操作提示，如工具图标上的文本标签,使得三维虚拟实验系统的新用户可以及时找到所需的操作控制方式，有效地完成交互操作。

实验过程导航设计贯穿于整个虚拟实验组织架构，呈现各个实验知识单元的学习序列。问题导入式的导航设计按照实验步骤顺序步步深入，“可以通过哪些方法来获取二氧化碳”引入实验项目文本描述；“实验室制取二氧化碳的理想药品是什么”提醒进入到实验药剂部分；“能设计或组装一套制取二氧化碳的装置吗”链接到了实验项目配置方案；“应该怎样把二氧化碳收集起来，如何检验所收集的气体是二氧化碳，如何检验二氧化碳是否充满集气瓶”又将注意力转移到观察实验演示样例中。

提供已组装成的实验仪器的线框图，标注组装步骤及各个实验仪器的方位信息。另外，第二辅助视角可以帮助学习者准确把握各个实验仪器的方位，在装置组装过程中，使学习者不至于迷失方位。

（三）实验演示样例设计

虚拟实验“二氧化碳制取”采用了基于样例教学模式的实验演示，包括三部分：问题、解决问题的方法、评论。特定实验场景设置的实验演示可将解决来自不同感觉通道的实验问题所需信息聚集在一起，同时对其表征加工，使得学习者加快认知过程知识的重建。具体实验任务和实验步骤通过可视化三维交互场景、动画和文本符号等形式呈现。比如，虚拟实验中导入样例问题 “你觉得下一步骤应该是怎么做”，或者 “这样解决实验问题的根据是什么”，同时解决相应问题方案的三维实验场景凸现显示。评论则是以智能向导通过讲解的方式与学习者交流，提示操作的关键步骤。如此一来，实验演示样例与技能训练搭配，加强了学习者的学习迁移。

四、总 结

结构良好的、丰富的学科领域知识是创建有效虚拟实验系统的基础，这既要求系统科学地反映学科知识体系，还要为学习过程的开展和认知策略的应用提供充足的学习资源。基于三维虚拟实验知识单元模型，根据学科领域知识的属性和学习者在认知学习中的心理特征，对实验内容单元进行表征。这充分考虑了不同知识在特定问题情境中的作用，还体现了知识结构的动态性特点。

Mayer认为有意义的学习取决于认知活动而不是物理行为，如实验操作。而有意义学习强调学习过程的实质是新旧知识结构的重组，是对所学知识的同化与吸收。基于学科领域知识的虚拟现实实验系统实现了有意义的感知，进而理解、领悟实验内容。

针对本文的研究，须强调两点，一是样例学习方式让学习者通过研习样例而习得专家的问题解决方法，但要充分发挥其对学习的促进作用，除了要有设计良好的样例这一首要外部条件外，还需要学生的内部条件，即学生对样例的自我解释，[14]但这需要进一步完善实验系统的共享和交流功能；二是虚拟现实实验相比于真实实验，缺乏某些感官的充分体验，比如嗅觉和触觉，接下来的研究工作将会针对如何增强现实感知来丰富交互体验，强化学习者的参与程度。

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