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[摘要]通过建立平面机构模型照片库和对应的三维装配体及运动动画库，与机构运动仿真软件组合，构成机械原理教学软件，有效利用计算机多媒体技术，适应学生为主的独立学习模式，提高机构学教学效果，软件还具有机构运动学参数分析功能，有助于进行平面连杆机构的设计。
[关键词]平面机构 三维动画 运动仿真 教学软件
一、前言
平面机构组成和运动分析是机械原理课程重要的教学内容，但对于毫无工程实际体验、缺乏空间想象和工程概念的学生来说，理解和掌握课程的机构运动学教学内容有相当的困难，比如曲柄摇杆机构的急回现象、构件长度变化对机构运动特性的影响等，常规的教学手段很难演示。随着计算机辅助教学的普及应用，通过教学软件在计算机上模拟机构运动，进行直观化教学，已经成为提高课程教学效果的有效途径。
平面四杆机构三维动画和运动模拟教学软件带有平面机构的三维动画库，包括实物模型，三维装配过程、机构运动仿真和机构运动简图，不但可以在课堂教学中提供大量机构直观素材，帮助学生理解机构学相关知识，提高教学效果，软件还具有行铰链四杆机构和和曲柄滑块机构的运动仿真功能和速度、速度分析的功能。运动仿真的主要功能是通过输入不同的杆件长度，模拟机构的运动，对于铰链四杆机构，还可以实现机架转换的功能。运动仿真在教学中，能非常好的解决铰链四杆机构类型判别实例的验证及急回作用的演示问题。
二、平面机构建模
机构测绘是机械原理课程教学中常见的教学实验环节，由于时间和模型数量的限制，学生在实验中接触到的机构类型很有限，同时课程提供给学生接触模型的时间也很短。教学软件将实物模型、三维动画，机构运动简图等教学内容组成计算机模拟实验室，提供近50种不同平面机构素材， 不但可以作为良好的课堂教学实例，还可以以网络教学形式，提供学生课后独立学习使用。
以图1所示凸轮机构为例，通过测绘确定机构基本参数，在软件中创建机构三维模型，并完成装配，构成图2所示的三维模型。需要指出的是，尽管从机构学的角度，很多构件的外形尺寸并不重要，考虑到学生的理解能力，建模过程尽量真实。
图1：凸轮机构实物模型 图2：凸轮机构三维模型
在机构装配模型的基础上，可以制作机构运动动画、运动简图绘制、自由度计算等内容。机构动画不但可以全方位地表现机构的组成结构，模拟机构的运动，还可以通过装配过程，演示各构件之间的连接关系，还可以通过调节帧的位置改变装配视图中各个零部件的运动顺序。
为了便于学生理解装配体各部件和零件之间的运动状况和装配状况，能从不同的视角和距离观察机构的运动特征，动画制作过程中应注意选择理想的视角并控制环境光线等因素，美化视图，使动画更加逼真。还可以在一些关键点上添加该部件或零件的状态，通过关键位置之间智能计算，将机构的运动状态以渐变的形式显示出来。
三、平面四杆机构运动仿真
程序在Visual Studio环境下开发，主要包括机构位置的运算，对应原动件的每一个位置，绘制机构运动简图上构件和运动副的位置，达到机构运动动画。设定一定的显示刷新时间间隔和步长就可以控制动画中各杆件的运动速度，原动件的转角间距越小，机构运动越流畅性，还可以通过按钮暂停动画的播放。机构的参数可以任意调整，但如何参数选择不当，无法组成机构，程序会自动提示修改，软件还具有图形放大与缩小功能，放大缩小的范围为1-100。
铰链四杆机构和和曲柄滑块机构是课程教学中两种主要的平面机构形式，教学中有关曲柄存在条件、急回作用、死点等特性，往往由于缺乏直观手段，学生难于理解。通过运动仿真软件，可以演示机构的真实运动，还可以通过修改机构参数，得到不同类型的铰链四杆机构，可以让学生自己以验证曲柄存在条件和机构类型判定等教学内容。图3软件中是机构运动仿真工作界面。
图3：机构运动仿真工作界面
四、教学软件主要模块和功能
教学软件共有五个功能模块，分别为文件管理模块，机构实物图片模块、三维模型及动画、机构运动仿真模块和构件运动学分析模块。图4为程序主界面。
文件管理，视频播放和图片显示功能主页面中作为一个整体，以可以减少程序界面的跳跃，方便用户操作。文件夹管理模块具有文件夹路径记忆功能，即软件被打开后，能够显示软件上次添加过的文件夹，方便用户使用动画资源。在文件管理中，可以添加文件夹，删除文件夹，当文件管理模块中的文件夹图标被选中，该模块就会向图片显示模块与视频播放模块传送文件夹的路径，双击文件夹图标就可以控制图片显示模块加载该选择的文件夹下JPEG格式的图片文件。通过点击上一张和下一张按钮就可以对所选文件夹下的图片进行预览，同时可以在 数值框中选择相应的放大缩小比例就可以对图片进行相应的缩放控制。图片和视频显示切换按钮能够切换图片显示与视频播放的界面，点击装配按钮，就可以打开在文件管理模块中选择的文件夹下的视频文件，播放器为一个内嵌的WindowsMediaPlayer控件，拥有快进快退，设置声音大小，播放停止等功能。可循环播放机构装配、运动、原理等视频。
构件运动运动学分析模块可以根据选择显示杆件不同端点，以速度或加速度曲线显示在一个运动周期内的速度变化，同时点击显示曲线按钮就可以相应的曲线，将速度和加速度随曲柄转角的变化规律直观地将数据表达出来。程序具有同时在两个窗口中分别显示两条不同的速度曲线，和同一显示项更改参数前后的曲线显示的功能，方便进行不同条件下选择项的分析，和不同项之间的影响关系的分析。图5是程序运行界面。
图4：软件主界面 图5：运动学分析程序
五、总结
机械原理作为机械设计及制造专业的技术基础课，培养学生的机械综合设计能力和创新能力有较明显的作用。随着计算机辅助教学的普及应用，教师可以各种多媒体资源制作多媒体课件与教学软件，提高课堂教学效果，方便学生自主学习，提高学习效率。
平面四杆机构三维动画和运动仿真教学软件能模拟机构运动，让不必进行繁琐的比较，就可以验证所拥有的数据能否构成铰链四杆机构并且可以进行运动仿真，根据选择显示杆件不同点的速度加速度曲线，并可对铰链四杆机构进行优化，软件同时还集成了曲柄滑块机构的运动仿真模块，可以并对曲柄滑块机构进行优化和仿真。在教学使用过程中，还可以根据需要不断添加新的视频文件和图片资源进行扩充，适应教学内容的变化和更新。
[参考文献]
[1]孙恒,陈作模.机械原理.北京：高等教育出版社,1997
[2]朱爱光.多媒体CAI软件系统的设计与制作.北京:电子工业出版社,1997
[3]兰多夫著,李梦汶译.Visual Studio 2008高级编程.北京：清华大学出版社,2009
[4]孙兰风.多媒体CAI课件设计的基本要求与实现方法的探讨.工程图学学报.2000(4):68-74
[5]张文,秦开宇,李志强.VC环境下多波形显示ActiveX 控件开发．中国测试．2009(3): 33-25
（作者单位：上海理工大学机械工程学院 上海）
[关键词]平面机构 三维动画 运动仿真 教学软件
一、前言
平面机构组成和运动分析是机械原理课程重要的教学内容，但对于毫无工程实际体验、缺乏空间想象和工程概念的学生来说，理解和掌握课程的机构运动学教学内容有相当的困难，比如曲柄摇杆机构的急回现象、构件长度变化对机构运动特性的影响等，常规的教学手段很难演示。随着计算机辅助教学的普及应用，通过教学软件在计算机上模拟机构运动，进行直观化教学，已经成为提高课程教学效果的有效途径。
平面四杆机构三维动画和运动模拟教学软件带有平面机构的三维动画库，包括实物模型，三维装配过程、机构运动仿真和机构运动简图，不但可以在课堂教学中提供大量机构直观素材，帮助学生理解机构学相关知识，提高教学效果，软件还具有行铰链四杆机构和和曲柄滑块机构的运动仿真功能和速度、速度分析的功能。运动仿真的主要功能是通过输入不同的杆件长度，模拟机构的运动，对于铰链四杆机构，还可以实现机架转换的功能。运动仿真在教学中，能非常好的解决铰链四杆机构类型判别实例的验证及急回作用的演示问题。
二、平面机构建模
机构测绘是机械原理课程教学中常见的教学实验环节，由于时间和模型数量的限制，学生在实验中接触到的机构类型很有限，同时课程提供给学生接触模型的时间也很短。教学软件将实物模型、三维动画，机构运动简图等教学内容组成计算机模拟实验室，提供近50种不同平面机构素材， 不但可以作为良好的课堂教学实例，还可以以网络教学形式，提供学生课后独立学习使用。
以图1所示凸轮机构为例，通过测绘确定机构基本参数，在软件中创建机构三维模型，并完成装配，构成图2所示的三维模型。需要指出的是，尽管从机构学的角度，很多构件的外形尺寸并不重要，考虑到学生的理解能力，建模过程尽量真实。
图1：凸轮机构实物模型 图2：凸轮机构三维模型
在机构装配模型的基础上，可以制作机构运动动画、运动简图绘制、自由度计算等内容。机构动画不但可以全方位地表现机构的组成结构，模拟机构的运动，还可以通过装配过程，演示各构件之间的连接关系，还可以通过调节帧的位置改变装配视图中各个零部件的运动顺序。
为了便于学生理解装配体各部件和零件之间的运动状况和装配状况，能从不同的视角和距离观察机构的运动特征，动画制作过程中应注意选择理想的视角并控制环境光线等因素，美化视图，使动画更加逼真。还可以在一些关键点上添加该部件或零件的状态，通过关键位置之间智能计算，将机构的运动状态以渐变的形式显示出来。
三、平面四杆机构运动仿真
程序在Visual Studio环境下开发，主要包括机构位置的运算，对应原动件的每一个位置，绘制机构运动简图上构件和运动副的位置，达到机构运动动画。设定一定的显示刷新时间间隔和步长就可以控制动画中各杆件的运动速度，原动件的转角间距越小，机构运动越流畅性，还可以通过按钮暂停动画的播放。机构的参数可以任意调整，但如何参数选择不当，无法组成机构，程序会自动提示修改，软件还具有图形放大与缩小功能，放大缩小的范围为1-100。
铰链四杆机构和和曲柄滑块机构是课程教学中两种主要的平面机构形式，教学中有关曲柄存在条件、急回作用、死点等特性，往往由于缺乏直观手段，学生难于理解。通过运动仿真软件，可以演示机构的真实运动，还可以通过修改机构参数，得到不同类型的铰链四杆机构，可以让学生自己以验证曲柄存在条件和机构类型判定等教学内容。图3软件中是机构运动仿真工作界面。
图3：机构运动仿真工作界面
四、教学软件主要模块和功能
教学软件共有五个功能模块，分别为文件管理模块，机构实物图片模块、三维模型及动画、机构运动仿真模块和构件运动学分析模块。图4为程序主界面。
文件管理，视频播放和图片显示功能主页面中作为一个整体，以可以减少程序界面的跳跃，方便用户操作。文件夹管理模块具有文件夹路径记忆功能，即软件被打开后，能够显示软件上次添加过的文件夹，方便用户使用动画资源。在文件管理中，可以添加文件夹，删除文件夹，当文件管理模块中的文件夹图标被选中，该模块就会向图片显示模块与视频播放模块传送文件夹的路径，双击文件夹图标就可以控制图片显示模块加载该选择的文件夹下JPEG格式的图片文件。通过点击上一张和下一张按钮就可以对所选文件夹下的图片进行预览，同时可以在 数值框中选择相应的放大缩小比例就可以对图片进行相应的缩放控制。图片和视频显示切换按钮能够切换图片显示与视频播放的界面，点击装配按钮，就可以打开在文件管理模块中选择的文件夹下的视频文件，播放器为一个内嵌的WindowsMediaPlayer控件，拥有快进快退，设置声音大小，播放停止等功能。可循环播放机构装配、运动、原理等视频。
构件运动运动学分析模块可以根据选择显示杆件不同端点，以速度或加速度曲线显示在一个运动周期内的速度变化，同时点击显示曲线按钮就可以相应的曲线，将速度和加速度随曲柄转角的变化规律直观地将数据表达出来。程序具有同时在两个窗口中分别显示两条不同的速度曲线，和同一显示项更改参数前后的曲线显示的功能，方便进行不同条件下选择项的分析，和不同项之间的影响关系的分析。图5是程序运行界面。
图4：软件主界面 图5：运动学分析程序
五、总结
机械原理作为机械设计及制造专业的技术基础课，培养学生的机械综合设计能力和创新能力有较明显的作用。随着计算机辅助教学的普及应用，教师可以各种多媒体资源制作多媒体课件与教学软件，提高课堂教学效果，方便学生自主学习，提高学习效率。
平面四杆机构三维动画和运动仿真教学软件能模拟机构运动，让不必进行繁琐的比较，就可以验证所拥有的数据能否构成铰链四杆机构并且可以进行运动仿真，根据选择显示杆件不同点的速度加速度曲线，并可对铰链四杆机构进行优化，软件同时还集成了曲柄滑块机构的运动仿真模块，可以并对曲柄滑块机构进行优化和仿真。在教学使用过程中，还可以根据需要不断添加新的视频文件和图片资源进行扩充，适应教学内容的变化和更新。
[参考文献]
[1]孙恒,陈作模.机械原理.北京：高等教育出版社,1997
[2]朱爱光.多媒体CAI软件系统的设计与制作.北京:电子工业出版社,1997
[3]兰多夫著,李梦汶译.Visual Studio 2008高级编程.北京：清华大学出版社,2009
[4]孙兰风.多媒体CAI课件设计的基本要求与实现方法的探讨.工程图学学报.2000(4):68-74
[5]张文,秦开宇,李志强.VC环境下多波形显示ActiveX 控件开发．中国测试．2009(3): 33-25
（作者单位：上海理工大学机械工程学院 上海）