开放式网上机械原理虚拟实验室软件

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。机械原理实验教学是机械原理课程教学中的一个重要实践环节。

该软件是针对大学专科、本科《机械原理》实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验,软件模拟实验中用到的器材和设备,提供与真实实验相似的实验环境,提供网上实验教学过程管理功能,包括:典型实验库的维护、实验安排、提交实验报告、实验批改、成绩统计、实验答疑等功能模块。可满足高等学校和各类培训机构实验教学环节的需要,尤其适用于远程教学。

软件的目的意义:

目前,现实中的机械原理实验存在以下局限性:

1、    硬件依存性较强,只能在特定实验室进行;

2、    仪器设备数量有限,无法满足学生独立进行实验的需求;

3、    部分实验具有一定危险性,如减速器拆装等实验;

4、    部分实验费时、费力、效率低,如齿轮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,我们开发了开放式网上机械原理虚拟实验室软件。

软件提供了50种机构模型和若干种常用机械实验台:

1、齿轮

锥齿轮、人字齿轮、斜齿轮、蜗轮等

2、凸轮

滚子凸轮、等宽凸轮、移动凸轮、平底凸轮等

3、连杆

摆动导杆、双摇杆、吊车、曲柄摇杆等

4、运动副

齿条、滑动副、圆柱副、齿轮副等

5、齿轮范成仪

包括范成仪、圆规、铅笔、剪刀等实验器材

6、转子动平衡实验台

包括JPH—A型动平衡试验台、转子试件、百分表等实验器材

使用现有器材模型,系统可开展如下6个常用机械虚拟实验的训练:

•    机构陈列柜虚拟实验

•    机构运动参数测试虚拟实验

•    齿轮范成原理虚拟实验

•    转子动平衡虚拟实验

•    刚性转子动平衡虚拟实验

•    四连杆机构演示实验

(1)机构陈列柜实验

实验中陈列了连杆机构20种、齿轮机构11种、凸轮机构10种、运动副机构10种。

实验中以三维动画的形式表现每种机构的工作原理,期间用户可以拉近拉远视角,并可以360°自由旋转观看动画。

空间机构效果示意图

正弦机构效果示意图

后桥机构效果示意图

揉面机构效果示意图

(2)机构运动参数测试实验

该实验内容实验认知、参数测定2大模块,其实验目的如下:

1、通过实验,了解位移、速度、加速度的测定方法;转速及回转不匀率的测定方法;

2、通过实验,初步了解“QID-III型组合机构实验台”及光电脉冲编码器、同步脉冲发生器(或称角度传感器)的基本原理,并掌握它们的使用方法;

3、通过比较理论运动曲线与实测运动曲线的差异,并分析其原因,增加对运动速度特别是加速度的感性认识;

4、比较曲柄滑块机构与曲柄导杆机构的性能差别。

5、检测凸轮直动从动杆的运动规律;

6、比较不同凸轮廓线或接触副,对凸轮直动从动杆运动规律的影响。

本实验的实验系统框图如图1所示,它由以下设备组成:

1、实验机构—曲柄滑块、导杆、凸轮组合机构

2、光电脉冲编码器

3、同步脉冲发生器(或称角度传感器)

4、QTD-III型组合机构实验仪(单片机检测系统)

5、个人电脑

该组合实验装置,只需拆装少量零部件,即可分别构成四种典型的传动系统,他们分别是曲柄滑块机构、曲柄导杆滑块机构、平底直动从动杆凸轮机构和滚子直动从动杆凸轮机构。而每一种机构的某一些参数,如曲柄长度、连杆长度、滚子偏心等都可在一定范围内作一些调整,通过学生拆装及调整可加深实验者对机械结构本身特点的了解,对某些参数改动对整个运动状态的影响也会有更好的认识。

实验认知

参数测定

观察实验曲线

(3)齿轮范成原理实验

本虚拟仿真实验提供仿真实验设备,模拟真实实验设备的操作方法,引导用户完成整个齿轮范成原理实验。实验过程中,直观展现齿轮的渐开线及过渡曲线的形成过程,同时在实验过程中穿插现实中齿轮范成实验的过程录像,使用户更容易理解实验过程。
实验具体操作步骤如下:

1、    制作齿轮毛坯;

2、    对刀,使刀具中线与分度圆相切;

3、    绘制齿轮线,逐步移动滑板,直到形成2-3个完整齿形为止;

4、将刀具向上移动5mm,继续进行第3步操作;

5、将刀具向下移动10mm,继续进行第3步操作;

(4)转子动平衡实验

实验中首先进行转子动平衡实验台的安装,使用户更容易理解实验原理,然后进行相关实验操作,添加和调节平衡块等,最终使得百分表的指针晃动幅度最小。

转子动平衡实验

(5)刚性转子的动平衡试验

实验目的:

1、了解DPH-I型智能动平衡机的工作原理和转子的动平衡过程。

2、熟习用DPH-I型智能动平衡机及对回转构件进行动平衡的调节方法。

3、培养操作、使用先进设备的动手能力和工程实践能力。

实验设备:DPH-I型智能动平衡机

1、系统组成及其工作原理

系统由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。如图所示,当被测转子在部件上被拖动旋转后,由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力,迫使支承做强迫震动,安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电换能,产生两路包含有不平衡信息的电信号输出到数据采集装置的两个信号输入端;与此同时,安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号,通过数据采集器输入到计算机。

1、光电传感器  2、被试转子  3、硬支承摆架组件  4、压力传感器 5、减振底座  6、传动带  7、电动机  8、零位标志

系统组成情况示意图

数据测试

(6)四连杆实验

本虚拟实验提供了所搭接机构的机构运动,通过演示实验,使学者了解平面连杆机构的组成形式,铰链四连杆机构中曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的组成特点。

1、本实验可通过鼠标完成视角的俯视仰视转换,及左转右转、上升下降等操作

2、本实验可以通过对各杆长度参数的调节,进行四连杆的模拟及观察

① 双曲柄机构

② 双摇杆机构

③ 曲柄摇杆机构

④ 参数报错

系统服务器端用户分为学生、教师、教务管理员和系统管理员四种角色,不同角色拥有不同权限。

学生:选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

教师:典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、系统指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。

教务管理员:课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。

系统管理员:用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

性能指标

支持同时在线用户数1万人以上,经测试,系统运行稳定,不限终端用户数,完全能满足日常教学使用。

服务器运行环境

操作系统:WindowsServer,Linux/UnixServer

Web服务器:Tomcat6.0,JDK6.0

数据库:MySQL

客户端运行环境

操作系统:AllWindows系列

相关信息:

研制单位:北京邮电大学北京润尼尔网络科技有限公司

通讯地址:北京市海淀区北三环中路44号院文教产业园1号楼邮政编码:100876

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