為了更好地實現實驗目的，提高實驗效率，作者以機構運動方案設計實驗的要求、實驗原理、方法為藍本，用計算機虛擬實驗技術，模擬仿真該實驗的全過程，設計了一個機構運動方案設計虛擬實驗系統.應用該系統，學生在實驗前在計算機上對自己所設計方案的可行性、正確性進行可視化驗證，然后再進行實際的拼接，提高了實驗效率.

　　1 虛擬實驗系統的功能

　　1)必須具備齊全的模型、而且盡量接近實物，這樣才能對實驗進行真實的模擬.

　　2)靈活性強，零件的參數能根據需要隨時進行調整，實現尺寸驅動功能，即改變其中一個零件的參數后，只需要重建模型，其它零件的相應點的位置會跟著發生改變，零件之間依然保持相應的聯結關系，而不需重新進行裝配.

　　3)對于機構運動的模擬仿真功能.

　　4)具有運動特性分析和動力特性分析的功能.

　　5)具有實驗指導功能.系統的結構流程圖如圖1所示.

　　2系統開發方法

　　虛擬實驗系統選用的平臺是三維設計軟件系統SolidWorks。SolidWorks它是基于Windows的全參數化特征造型軟件，可十分方便地實現復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖，以參數化和特征建模的技術為核心，為設計人員提供了良好的設計環境，還可以方便地對SolidWorks進行二次開發.用戶二次開發的應用程序，可直接掛在SolidWorks的菜單下，形成統一的界面.一般而言，開發人員首先需要在SolidWorks的界面上添加自己的菜單項，以此作為激活用戶程序的接口，完成與用戶的數據交換。

　　SolidWorks的API(Application Programming Interface應用編程接口)提供了兩種接口方式:有OLE Automation的Idispatch和作為Windows基礎的COM(Component Object model).Idispatch的方法可用于VB、VBA或VC的開發環境，常作為快速開發的手段.本文開發的實驗系統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.不同的操作系統需要用不同的設置: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，在過濾器中選擇"AddIns(3.dll)"，加載自己的DLL.若該DLL在注冊表中注冊成功，還可使用"工具/插件"菜單進行一次性加載，以后啟動SolidWorks，就可自動加載該DLL，無須再進行加載操作，十分方便.

　　3系統功能的實現

　　3.1實驗裝配零件庫的建立

　　為了滿足模型齊全的要求，筆者選用SolidWorks2001進行零件的三維造型，并把所有實驗室內要用到的零件做成了一個零件庫.通過對SolidWorks進行設置，可以使自己創建的零件庫像工具條一樣陳列在SolidWorks主窗口中.具體方法是:通過選擇SolidWorks主菜單中的工具選項選擇文件位置，將文件夾顯示為調色板零件，再選"添加"，選中自己的零件庫文件夾的存放位置.要使用這個零件庫，只需要打開它就可以了.方法是，啟動SolidWorks后，在工具下選擇FeaturePalette，隨后便有一個小窗口被打開，選中用戶添加的文件夾，就會有一個新的窗口打開，創建的零件庫內所有零件都以圖標的形式陳列在窗口內，就好象在真實實驗里看到的擺放在實驗室里的零件一樣.但使用起來比在真實實驗室里方便多了，你只需要移動滑動條，就可以找到所需要的零件.

　　3.2機構運動設計方案的確定

　　在擬訂方案之前，首先可以從過去成功的設計案例中進行檢索，看是否有與設計要求類似的設計案例.如果有，則以這個案例為模板，并對其作適當的修改，以滿足當前的設計要求.這樣做即可以保證設計要求，還可提高設計效率.如果沒有類似的設計案例，則利用所掌握的專業知識和經驗進行新的設計.機構運動方案的設計具體由以下幾個步驟組成:

　　1)輸入設計要求(包括輸入輸出間的函數關系和工藝動作要求等等)以及外部的各種約束條件.

　　2)將設計要求及外部條件分解成各個基本動作、基本運動及其約束條件

　　3)初步選定能完成設計要求的基本機構或已有案例.

　　4)將初步選定的基本機構進行組合，得到多種可能的設計方案.

　　5)對各種方案進行初步的尺度綜合.

　　6)對各種方案的機構進行性能分析(包括運動和動力性能分析).

　　7)對各種方案進行評價和排序，以選出最滿意的方案.

　　8)如果所有方案均不滿意，則重新進行機構選型及組合、尺度綜合及性能分析、方案評價及排序等工作.其中對方案的機構性能分析可以通過所設計的虛擬實驗系統來完成.

　　學生要做的就是先按以上步驟初步確定設計方案，畫出機構運動簡圖，然后利用虛擬實驗系統進行虛擬裝配，給出初始輸入條件，讓系統進行分析計算，學生根據分析計算結果對設計方案優劣作出判斷，如果滿意，則根據確定的方案進行實際的拼接，如果不滿意，則對機構進行構型演化，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，從零件庫拖出相應零件的圖標，系統就會打開相應零件的編輯窗口，選擇另存為，把這個零件存放到新建的文件夾中.注意不要改變沒有保存的編輯窗口中零件的各項參數，因為放在這個零件庫中的零件是一個參考模板文件，它的參數一旦發生改變，所有以它為參考模板文件生成的文件中的相應參數都會發生改變，所以在拖出圖標后，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操作系統的 ，使用起來完全和 Windows 一樣 ，可以利用復制、粘貼的形式在裝配體窗口內生成同樣類型的多個零件.

　　如果是初始裝配，則需打開一個新的裝配體文件，將選好的零件插入到這個裝配體文件中，在零件之間添加相應的裝配配合關系就可以了.各構件之間的裝配關系和其運動副關系是這樣定義的:若是轉動副，則在兩零件連接處添加端面貼合和同軸心關系;若是移動副，則在兩零件接觸處添加平面貼合關系.對于機架和導軌等固定不動的構件通過右擊SolidWorks特征管理樹(Feature manager)中相應零件的實體名，在彈出的菜單內選擇固定來實現.

　　由于是虛擬裝配，自然比真實裝配輕松得多.因為SolidWorks可以實現尺寸驅動，所以改變裝配完的機構中構件的某些參數，如桿長，機架的位置后，只需要對裝配體機構進行重建模型，其它零件的相應位置會根據配合關系跟著改變，而不需要拆卸后重新裝配.圖2所示為運用此系統裝配好的四桿機構，并且已在SolidWorks界面上加載了自己的菜單，準備進行運動仿真.

　　3.4對機構運動的干涉檢查

　　在裝配體形成后，首先要對其進行初步的干涉檢查.可以使用SolidWorks自帶的干涉檢查功能.如果覺得不夠直觀的話，則可以用拖動其中某個構件的方法，觀察各個構件的運動情況，直觀地看它們的運動是否會發生干涉.進一步的干涉檢查，可以在運動的仿真過程中.選擇編程加載的菜單下運動仿真項，對裝配搭建的機構進行運動仿真.在仿真過程中可以觀察到是否發生干涉，如果發生干涉，兩個零件將有重疊的部分，這就需要對機構中的參數進行調整.

　　3.5機構運動的仿真

　　機構的動態仿真的實現相當于在每一運動時刻，將各個構件根據約束擺放到空間的指定位置上.構件的初始位置在裝配體裝配好以后就確定了，其中機架位置的坐標值用戶是可以自己設定的，而構件在運動當中的各個數據是由外部機構分析程序提供.因此，這種機構三維仿真方法不受機構的復雜性和自由度所限制.給出不同的輸入，外部分析程序會提供不同的運動數據分析結果，使機構得以實現不同的運動.運動數據分析結果被存儲在數據庫中以便需要時進行調用.

　　3.6機構運動特性分析和動力學特性分析

　　運動仿真之后，還需要對機構進行運動特性和動力學特性分析.從而判斷出所設計出的機構的優劣.方法是輸出特征點的位置、速度、加速度、和力分析曲線.具體實現是通過VC編程繪制曲線圖，從數據庫中取出保存好的繪圖所用的數據.如果所設計的方案未打到設計要求，就需要修改設計方案，進行機構構型的演化.演化的方法主要有運動副變換、加桿組、運動倒置、加自由度、運動等效變換，不斷對方案進行修改，然后裝配，進行運動學特性和力學特性分析，直到形成最滿意的方案.

　　3.7實驗指導功能

　　實驗指導主要是在修改設計方案時，系統提供幫助信息，告訴以通過那些方法來優化機構，在學生選好一種方法后，系統會給出方法的原理，幫助使用者快速地修改方案。