铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践animations in java language. the...
TRANSCRIPT
ISSN1672-4305
CN12-1352 N实 验 室 科 学
LABORATORY
SCIENCE第 23 卷 第 1 期 2020 年 2 月
Vol 23 No 1
Feb 2020
铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
李 煜 曾 红 孙 博(辽宁工业大学
机械工程与自动化学院 辽宁
锦州 121001)
摘 要 针对平面机构运动分析的实验课程 设计了一款远程虚拟仿真实验教学项目 以铰链四杆机构实验
为例 将构件上某点的轨迹 速度 加速度 角速度等抽象的运动规律概念 用 JAVA 语言以文字 图形动画等元素在网页中直观 动态 可交互地表现出来 充分地体现了 ldquo以学生为中心的实验教学理念rdquo 实践
证明 这种远程虚拟仿真实验教学方式体现了实验教学模式的个性化 智能化和泛在化 有效地激发了学生
的学习兴趣 实验教学不再局限于固定的时间和模式 实验教学质量和教学效率得到了提高关键词 远程虚拟仿真实验 实验教学 铰链四杆机构 Java中图分类号TH12 文献标识码A doi10 3969 j issn 1672-4305 2020 01 015
Research
and
practice
on
remote
virtual
simulation
for
the
revolute
four-bar
mechanism
experiment
LI
Yu ZENG
Hong SUN
Bo(College
of
Mechanical
Engineering
and
Automation
Liaoning
University
of
Technology
Jinzhou
121001
China)
Abstract A
remote
virtual
simulation
experiment
teaching
project
is
designed
to
complement
the
ex-periment
of
motion
analysis
for
planar
mechanism
As
an
example
of
the
revolute
four-bar
mechanism
experiment
abstract
motion
attributes
such
as
the
trajectory
speed
acceleration
and
other
elements
of
a
point
on
a
component
are
expressed
intuitively
dynamically
and
interactively
in
the
web
page
with
the
elements
such
as
numbers
words
graphics
animations
in
JAVA
language
The
ldquostudent
centered
experimental
teaching
ideardquo
is
fully
embodied
As
practice
shows
this
remote
virtual
simulation
exper-iment
teaching
mode
embodies
the
individualization
intellectualization
and
ubiquitous
of
the
experi-mental
teaching
mode
which
effectively
stimulated
students1049011
interests
in
learning
as
well
as
extending
the
experimental
teaching1049011s
time
and
space
and
at
the
same
time
it
improves
the
quality
and
efficiency
of
experimental
teachingKey
words remote
virtual
simulation
experiment
experimental
teaching
revolute
four-bar
mecha-nism
Java
收稿日期2018-06-21 修改日期2018-10-20作者简介李煜硕士实验师主要研究方向为机电液一体化技
术 E-mailleeyu_ln 163 com通讯作者曾红硕士教授主要研究方向为机械 CAD CAE
CAM E-mailzenghong316 126 com基金项目辽宁省虚拟仿真实验示范中心建设项目(项目编号
201511129)辽宁省普通高等教育本科教学改革研究
项目(项目编号2012130193)
ldquo教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性 虚拟仿真实验教学项目建设的通知rdquo
明确要求ldquo开
展示范性虚拟仿真实验教学项目建设是推进现代
信息技术与实验教学项目深度融合拓展实验教学
内容广度和深度延伸实验教学时间和空间提升实
验教学质量和水平的重要举措[1] rdquo 根据通知精
神结合辽宁工业大学实验室虚拟仿真平台设计开
发了一个关于ldquo平面机构运动分析rdquo实验课程的远
程虚拟仿真实验项目 主要介绍平面四杆机构的基
本型式-铰链四杆机构的远程虚拟仿真实验项目的
研究与实践
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
1 虚拟仿真平台(结构及相关技术)
根据建设远程虚拟仿真实验教学项目的要求不同的学生可以在不同的时间不同的地点不同的
客户端同时登录系统做相同的实验项目 本项目案
例采用 B S 架构即浏览器 服务器架构就可以满
足远程虚拟仿真实验教学的宏观要求[2 - 3] 1 1 平台体系结构
服务器采集 JSPJava2D 技术运行具体的虚拟
实验项目[4] 客户端(安装了 Java
虚拟机 JVM)可以
选择任意一款浏览器用以解决远程访问服务器端
虚拟仿真实验项目的需要 系统体系结构如图 1所示
图 1 系统体系结构图
1 2 平台相关技术
Java2D
API 为窗口应用程序提供丰富的二维几
何形状绘制类[5] 在 AWT 类包的基础上实现了图
形文本和图像等复杂图形的绘制能力[6] 这些图
形绘制能力与 Java 平台的 GUI 体系结构很好集成
在一起对于一般技术人员即可开发出功能强大的
用户图形接口和新的 Java 应用程序
2 铰链四杆机构实验虚拟仿真过程
2 1 实验内容
2 1 1 认识铰链四杆机构
能够分辨机架连架杆连杆等构件能够根据
连架杆的运动方式区分曲柄与摇杆的定义如图 2所示
图 2 铰链四杆机构
2 1 2 设计计算
设四杆机构中最长杆与最短杆长度分别为
Lmax 和 Lmin其余两杆长度为 L1 和 L2 则曲柄存
在的条件是1Lmax+Lmin
lt =
L1 +
L2
2Lmin 为连架杆或机架
铰链四杆机构的类型如表 1 所示[2]
表 1 铰链丝四杆机构类型
序号 类型 存在条件
1 曲柄摇杆机构 Lmin 为连架杆
2 双曲柄机构 Lmin 为机架
3 双摇杆机构 Lmin 为连杆
首先学生会计算判断铰链四杆机构是否存在然后能够根据实验要求设置杆组长度参数2 1 3 绘制运动曲线
给定铰链 A 的旋转速度 ω1计算分析其它铰链
的平面运动规律并绘制连杆曲线2 2 数学建模
本文只给出 RRR
Ⅱ级杆组的数学模型求解过
程及运动分析其它模型杆组的数学模型可以参照
本文从Ⅰ级杆组数学建模分析开始依次求解各基
本杆组的数学模型来完成[7] 2 2 1 原动件(Ⅰ级机构)数学建模及运动分析
如图 3 所示已知点 AB 为原动件上的两点距离为 l1A(xAyA )的速度加速度角位置角速
度和角加速度分别为vAaAφ1ω1ε1
图 3 原动件运动分析图
设点 B 的坐标为(xByB )速度为 vB加速度为
aB则 B 点的矢量方程为 rB = rA + l1B 点在 xy 轴
上的投影为xB = xA + l1cosφ1
yB = yA + l1sinφ1对时间求导可得出 B 点的速度方程和加速度
方程分别为vBX = vAX - ω1 l1sinφ1
vBY = vAY + ω1 l1cosφ1
35
aBX = aAX - ω12 l1cosφ1 - ε1 l1sinφ1
aBY = aAY - ω12 l1sinφ1 + ε1 l1cosφ1
2 2 2
RRRⅡ级杆组的运动分析
如图 4 所示RRR 杆组两外副 BD 的位置坐标
为
(xByB)(xDyD )速度为 vBvD 加速度 aBaD
杆长 l2l3
图 4 RRR 杆组运动分析图
设 BD 长度为 d则
d = xB - xD( ) 2 + yB - yD( ) 2
如果 d ⩽ l2 + l3 且 d ⩾ l2 - l3 则机构存在
否则重新输入杆长 矢量 drarr与 x 轴的夹角为
δ = arctan(yD - yB
xD - xB)
矢量 drarr与矢量 l
rarr
2 的夹角为
γ = arccos(d2 + l2
2 - l23
2dl2)
由图 4 可知构件 BC 的位置角为 φ2 = δ plusmnγ 引入方向系数 n则 BC 的位置角可描述为 φ2 = δ +nγ 当 BDC 位置为逆时针方向时n = +1当 BDC 位
置为顺时针方向时n = -1 求得 φ2 后C 点的位置
坐标就可以求出xC = xB + l2cosφ2
yC = yB + l2sinφ2构件 CD 的位置角为
φ3 = arctan(yC - yD
xC - xD)
C 点的速度方程和加速度方程vCX = vBX - ω2 l2sinφ2
vCY = vBY + ω2 l2cosφ2aCX = aBX - ω2
2 l2cosφ2 - ε2 l2sinφ2
aCY = aBY - ω22 l2sinφ2 + ε2 l2cosφ2
2 3 虚拟仿真程序设计与实现
根据平面四杆机构实验课教学大纲的知识目标
及能力目标的要求完成系统的需求分析然后进行
系统的概要设计按照模块化程序设计思想将系统
功能模块进行分解完成系统的详细设计主体程序流程如图 5 所示
图 5 程序流程图
程序主要用 Java 语言编写主要功能有(1)根
据用户设置的参数判断铰链四杆机构是否存在存在多少曲柄 (2)根据最短杆的位置分析是曲柄摇
杆机构双曲柄机构还是双摇杆机构 (3)根据原
动件的运动规律计算从动件上 BC 点的位移速度加速度以及传动角 ( 4) 绘制运动参数曲线(5)建立定时器线程当原动件的转角从 0 度 ~ 360度依次递加循环变换时通过原动件转角计算的其
它构件上点的运动状态就会随之变化从而完成了
机构运动的动态仿真
3 系统搭建与运行
本文采用 Eclipse3 2 作为 Java 集成开发环境用 Export 导出可执行 JAR 包文件然后将其部署在
Tomcat 服务器上[8] 学生登录ldquo虚拟仿真实验实验
室rdquo点击ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo按钮就可进行相
应的远程实验了 首先要求学生浏览ldquo实验项目
介绍rdquo页面了解本次实验的目的其次浏览ldquo预习rdquo页面复习本实验需要储备的理论知识然后浏览
ldquo虚拟仿真实验rdquo界面根据实验要求设计相关的参
45
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
数运行虚拟系统观察仿真结果验证设计要求最后浏览ldquo实验测试rdquo界面回答本实验相关问题并
提交答案 运行虚拟仿真实验界面下图 6 所示
图 6 曲柄摇杆仿真界面
4 结语
本文以ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo 实验项目为
例介绍了在开源的 Eclipse3 2 集成开发平台中使
用功能强大简单易用的 Java 语言开发具体虚拟实
验项目的一般过程并将其部署在性能稳定的 Web应用服务器 Tomcat 之上 学生通过浏览器借助现
代化的网络技术登录本校虚拟仿真系统即可完成本
次实验教学任务充分的拓展了实验教学的时间和
空间实践证明以学生自主式线上讨论线下交流
式的新型互动式实验教学模式激发了学生的学习
兴趣和潜能充分体现了ldquo以学生为中心的实验教
学理念rdquo为虚拟仿真实验室建设提供了参考实例
参考文献(References)
[1] 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教
学项目建设的通知 [ EB OL]
[ 2017 ndash 07 ndash 13] http www moe edu cn srcsite A08 s7945 s7946 201707 t20170721_309819 html
[2] 万桂怡崔建军张振果 高校虚拟实验平台的设计及实践
[J] 实验室研究与探索2011(3)386-389[3] 程海丽张敬宗王献云等 谈虚拟仿真实验教学中心建设中
的ldquo虚实结合rdquo原则[J] 甘肃科技2017(3)23-25[4] 陈立平张云清 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程
[M] 北京清华大学出版社2005[5] 伍祥生王克宏 Java2D
API 技术及其实现方法[ J] 中国图像
图形学报1998(8)698-701[6] 吕校春李玲莉
基于 Swing 的 Java
GUI 组件开发[ J]
制造
业信息化2008(5)129-131[7] 杨焱罗玉峰石志新
RRR-PRP 平面六杆Ⅱ级机构的运动
学仿真[J]
南昌大学学报(理科版)
2011(2)136-139[8] 王金龙宋斌丁锐
Node js一种新的 Web 应用构建技术
[J]
现代电子技术2015(38)70-73
10509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979(上接第 51 页)4 结语
通过以上程序对凿岩爆破过程中的打孔装药组网延时设置起爆等进行可视化的模拟可以让
学生直观感受到凿岩爆破过程以及针对不同爆破要
求设计不同爆破网络直观地观察到不同延期时间
在爆破网络中的实现过程 优点在于操作的可重复
性好安全性高成本低直观性更好缺点在于对于
爆破后的爆破效果在软件中未能实现后期的进一
步工作可以放在这一块 目前随着虚拟现实技术
的日趋成熟爆破技术的学习和检验亦可通过这一
技术实现安全高效低成本的运行
参考文献(References)
[1] 凌天龙武宇李胜林等 煤矿巷道光面爆破智能设计系统开
发与应用 [ J] 河南理工大学学报 ( 自然科学版) 201837(2)29-35
[2] 夏梁梦郑武梁孟狄 爆破网络中常见编辑功能设计与实现
[J] 电脑编程技巧与维护2015(1)18-20[3] 吴亮鲁帅磨季云等 建(构)筑物爆破拆除中的力学原理与
教学[J] 成都师范学院学报201632(9)111-116[4] 张欣
圆形及方形截面烟囱爆破拆除计算机辅助设计[ D] 包头内蒙古科技大学2007
[5] 杨仁树马鑫民李清等
煤矿巷道掘进爆破智能设计系统及
应用[J]
煤炭学报201338(7)1130-1135[6] 白润才邓超刘光伟
露天矿爆破设计三维可视化系统[ J]
金属矿山2014(9)116-120[7] 张袁娟可杰农冬灵 数值模拟在爆破工程教学中的应用探
讨[J] 西部探矿工程201628(1)195-196[8] 郁晓华肖敏王美玲等
基于可视化编程的计算思维培养模
式研究mdashmdashmdash兼论信息技术课堂中计算思维的培养[ J]
远程
教育杂志201735(6)12-20[9] 马建兴刘占虎王文才 爆破实验课的教学研究[ J] 实验室
科学201518(1)142-144[10] 何姣云 基于计算机技术的爆破工程实验教学探索[ J] 湖北
水利水电职业技术学院学报20128(3)40-43
55
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
1 虚拟仿真平台(结构及相关技术)
根据建设远程虚拟仿真实验教学项目的要求不同的学生可以在不同的时间不同的地点不同的
客户端同时登录系统做相同的实验项目 本项目案
例采用 B S 架构即浏览器 服务器架构就可以满
足远程虚拟仿真实验教学的宏观要求[2 - 3] 1 1 平台体系结构
服务器采集 JSPJava2D 技术运行具体的虚拟
实验项目[4] 客户端(安装了 Java
虚拟机 JVM)可以
选择任意一款浏览器用以解决远程访问服务器端
虚拟仿真实验项目的需要 系统体系结构如图 1所示
图 1 系统体系结构图
1 2 平台相关技术
Java2D
API 为窗口应用程序提供丰富的二维几
何形状绘制类[5] 在 AWT 类包的基础上实现了图
形文本和图像等复杂图形的绘制能力[6] 这些图
形绘制能力与 Java 平台的 GUI 体系结构很好集成
在一起对于一般技术人员即可开发出功能强大的
用户图形接口和新的 Java 应用程序
2 铰链四杆机构实验虚拟仿真过程
2 1 实验内容
2 1 1 认识铰链四杆机构
能够分辨机架连架杆连杆等构件能够根据
连架杆的运动方式区分曲柄与摇杆的定义如图 2所示
图 2 铰链四杆机构
2 1 2 设计计算
设四杆机构中最长杆与最短杆长度分别为
Lmax 和 Lmin其余两杆长度为 L1 和 L2 则曲柄存
在的条件是1Lmax+Lmin
lt =
L1 +
L2
2Lmin 为连架杆或机架
铰链四杆机构的类型如表 1 所示[2]
表 1 铰链丝四杆机构类型
序号 类型 存在条件
1 曲柄摇杆机构 Lmin 为连架杆
2 双曲柄机构 Lmin 为机架
3 双摇杆机构 Lmin 为连杆
首先学生会计算判断铰链四杆机构是否存在然后能够根据实验要求设置杆组长度参数2 1 3 绘制运动曲线
给定铰链 A 的旋转速度 ω1计算分析其它铰链
的平面运动规律并绘制连杆曲线2 2 数学建模
本文只给出 RRR
Ⅱ级杆组的数学模型求解过
程及运动分析其它模型杆组的数学模型可以参照
本文从Ⅰ级杆组数学建模分析开始依次求解各基
本杆组的数学模型来完成[7] 2 2 1 原动件(Ⅰ级机构)数学建模及运动分析
如图 3 所示已知点 AB 为原动件上的两点距离为 l1A(xAyA )的速度加速度角位置角速
度和角加速度分别为vAaAφ1ω1ε1
图 3 原动件运动分析图
设点 B 的坐标为(xByB )速度为 vB加速度为
aB则 B 点的矢量方程为 rB = rA + l1B 点在 xy 轴
上的投影为xB = xA + l1cosφ1
yB = yA + l1sinφ1对时间求导可得出 B 点的速度方程和加速度
方程分别为vBX = vAX - ω1 l1sinφ1
vBY = vAY + ω1 l1cosφ1
35
aBX = aAX - ω12 l1cosφ1 - ε1 l1sinφ1
aBY = aAY - ω12 l1sinφ1 + ε1 l1cosφ1
2 2 2
RRRⅡ级杆组的运动分析
如图 4 所示RRR 杆组两外副 BD 的位置坐标
为
(xByB)(xDyD )速度为 vBvD 加速度 aBaD
杆长 l2l3
图 4 RRR 杆组运动分析图
设 BD 长度为 d则
d = xB - xD( ) 2 + yB - yD( ) 2
如果 d ⩽ l2 + l3 且 d ⩾ l2 - l3 则机构存在
否则重新输入杆长 矢量 drarr与 x 轴的夹角为
δ = arctan(yD - yB
xD - xB)
矢量 drarr与矢量 l
rarr
2 的夹角为
γ = arccos(d2 + l2
2 - l23
2dl2)
由图 4 可知构件 BC 的位置角为 φ2 = δ plusmnγ 引入方向系数 n则 BC 的位置角可描述为 φ2 = δ +nγ 当 BDC 位置为逆时针方向时n = +1当 BDC 位
置为顺时针方向时n = -1 求得 φ2 后C 点的位置
坐标就可以求出xC = xB + l2cosφ2
yC = yB + l2sinφ2构件 CD 的位置角为
φ3 = arctan(yC - yD
xC - xD)
C 点的速度方程和加速度方程vCX = vBX - ω2 l2sinφ2
vCY = vBY + ω2 l2cosφ2aCX = aBX - ω2
2 l2cosφ2 - ε2 l2sinφ2
aCY = aBY - ω22 l2sinφ2 + ε2 l2cosφ2
2 3 虚拟仿真程序设计与实现
根据平面四杆机构实验课教学大纲的知识目标
及能力目标的要求完成系统的需求分析然后进行
系统的概要设计按照模块化程序设计思想将系统
功能模块进行分解完成系统的详细设计主体程序流程如图 5 所示
图 5 程序流程图
程序主要用 Java 语言编写主要功能有(1)根
据用户设置的参数判断铰链四杆机构是否存在存在多少曲柄 (2)根据最短杆的位置分析是曲柄摇
杆机构双曲柄机构还是双摇杆机构 (3)根据原
动件的运动规律计算从动件上 BC 点的位移速度加速度以及传动角 ( 4) 绘制运动参数曲线(5)建立定时器线程当原动件的转角从 0 度 ~ 360度依次递加循环变换时通过原动件转角计算的其
它构件上点的运动状态就会随之变化从而完成了
机构运动的动态仿真
3 系统搭建与运行
本文采用 Eclipse3 2 作为 Java 集成开发环境用 Export 导出可执行 JAR 包文件然后将其部署在
Tomcat 服务器上[8] 学生登录ldquo虚拟仿真实验实验
室rdquo点击ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo按钮就可进行相
应的远程实验了 首先要求学生浏览ldquo实验项目
介绍rdquo页面了解本次实验的目的其次浏览ldquo预习rdquo页面复习本实验需要储备的理论知识然后浏览
ldquo虚拟仿真实验rdquo界面根据实验要求设计相关的参
45
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
数运行虚拟系统观察仿真结果验证设计要求最后浏览ldquo实验测试rdquo界面回答本实验相关问题并
提交答案 运行虚拟仿真实验界面下图 6 所示
图 6 曲柄摇杆仿真界面
4 结语
本文以ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo 实验项目为
例介绍了在开源的 Eclipse3 2 集成开发平台中使
用功能强大简单易用的 Java 语言开发具体虚拟实
验项目的一般过程并将其部署在性能稳定的 Web应用服务器 Tomcat 之上 学生通过浏览器借助现
代化的网络技术登录本校虚拟仿真系统即可完成本
次实验教学任务充分的拓展了实验教学的时间和
空间实践证明以学生自主式线上讨论线下交流
式的新型互动式实验教学模式激发了学生的学习
兴趣和潜能充分体现了ldquo以学生为中心的实验教
学理念rdquo为虚拟仿真实验室建设提供了参考实例
参考文献(References)
[1] 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教
学项目建设的通知 [ EB OL]
[ 2017 ndash 07 ndash 13] http www moe edu cn srcsite A08 s7945 s7946 201707 t20170721_309819 html
[2] 万桂怡崔建军张振果 高校虚拟实验平台的设计及实践
[J] 实验室研究与探索2011(3)386-389[3] 程海丽张敬宗王献云等 谈虚拟仿真实验教学中心建设中
的ldquo虚实结合rdquo原则[J] 甘肃科技2017(3)23-25[4] 陈立平张云清 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程
[M] 北京清华大学出版社2005[5] 伍祥生王克宏 Java2D
API 技术及其实现方法[ J] 中国图像
图形学报1998(8)698-701[6] 吕校春李玲莉
基于 Swing 的 Java
GUI 组件开发[ J]
制造
业信息化2008(5)129-131[7] 杨焱罗玉峰石志新
RRR-PRP 平面六杆Ⅱ级机构的运动
学仿真[J]
南昌大学学报(理科版)
2011(2)136-139[8] 王金龙宋斌丁锐
Node js一种新的 Web 应用构建技术
[J]
现代电子技术2015(38)70-73
10509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979(上接第 51 页)4 结语
通过以上程序对凿岩爆破过程中的打孔装药组网延时设置起爆等进行可视化的模拟可以让
学生直观感受到凿岩爆破过程以及针对不同爆破要
求设计不同爆破网络直观地观察到不同延期时间
在爆破网络中的实现过程 优点在于操作的可重复
性好安全性高成本低直观性更好缺点在于对于
爆破后的爆破效果在软件中未能实现后期的进一
步工作可以放在这一块 目前随着虚拟现实技术
的日趋成熟爆破技术的学习和检验亦可通过这一
技术实现安全高效低成本的运行
参考文献(References)
[1] 凌天龙武宇李胜林等 煤矿巷道光面爆破智能设计系统开
发与应用 [ J] 河南理工大学学报 ( 自然科学版) 201837(2)29-35
[2] 夏梁梦郑武梁孟狄 爆破网络中常见编辑功能设计与实现
[J] 电脑编程技巧与维护2015(1)18-20[3] 吴亮鲁帅磨季云等 建(构)筑物爆破拆除中的力学原理与
教学[J] 成都师范学院学报201632(9)111-116[4] 张欣
圆形及方形截面烟囱爆破拆除计算机辅助设计[ D] 包头内蒙古科技大学2007
[5] 杨仁树马鑫民李清等
煤矿巷道掘进爆破智能设计系统及
应用[J]
煤炭学报201338(7)1130-1135[6] 白润才邓超刘光伟
露天矿爆破设计三维可视化系统[ J]
金属矿山2014(9)116-120[7] 张袁娟可杰农冬灵 数值模拟在爆破工程教学中的应用探
讨[J] 西部探矿工程201628(1)195-196[8] 郁晓华肖敏王美玲等
基于可视化编程的计算思维培养模
式研究mdashmdashmdash兼论信息技术课堂中计算思维的培养[ J]
远程
教育杂志201735(6)12-20[9] 马建兴刘占虎王文才 爆破实验课的教学研究[ J] 实验室
科学201518(1)142-144[10] 何姣云 基于计算机技术的爆破工程实验教学探索[ J] 湖北
水利水电职业技术学院学报20128(3)40-43
55
aBX = aAX - ω12 l1cosφ1 - ε1 l1sinφ1
aBY = aAY - ω12 l1sinφ1 + ε1 l1cosφ1
2 2 2
RRRⅡ级杆组的运动分析
如图 4 所示RRR 杆组两外副 BD 的位置坐标
为
(xByB)(xDyD )速度为 vBvD 加速度 aBaD
杆长 l2l3
图 4 RRR 杆组运动分析图
设 BD 长度为 d则
d = xB - xD( ) 2 + yB - yD( ) 2
如果 d ⩽ l2 + l3 且 d ⩾ l2 - l3 则机构存在
否则重新输入杆长 矢量 drarr与 x 轴的夹角为
δ = arctan(yD - yB
xD - xB)
矢量 drarr与矢量 l
rarr
2 的夹角为
γ = arccos(d2 + l2
2 - l23
2dl2)
由图 4 可知构件 BC 的位置角为 φ2 = δ plusmnγ 引入方向系数 n则 BC 的位置角可描述为 φ2 = δ +nγ 当 BDC 位置为逆时针方向时n = +1当 BDC 位
置为顺时针方向时n = -1 求得 φ2 后C 点的位置
坐标就可以求出xC = xB + l2cosφ2
yC = yB + l2sinφ2构件 CD 的位置角为
φ3 = arctan(yC - yD
xC - xD)
C 点的速度方程和加速度方程vCX = vBX - ω2 l2sinφ2
vCY = vBY + ω2 l2cosφ2aCX = aBX - ω2
2 l2cosφ2 - ε2 l2sinφ2
aCY = aBY - ω22 l2sinφ2 + ε2 l2cosφ2
2 3 虚拟仿真程序设计与实现
根据平面四杆机构实验课教学大纲的知识目标
及能力目标的要求完成系统的需求分析然后进行
系统的概要设计按照模块化程序设计思想将系统
功能模块进行分解完成系统的详细设计主体程序流程如图 5 所示
图 5 程序流程图
程序主要用 Java 语言编写主要功能有(1)根
据用户设置的参数判断铰链四杆机构是否存在存在多少曲柄 (2)根据最短杆的位置分析是曲柄摇
杆机构双曲柄机构还是双摇杆机构 (3)根据原
动件的运动规律计算从动件上 BC 点的位移速度加速度以及传动角 ( 4) 绘制运动参数曲线(5)建立定时器线程当原动件的转角从 0 度 ~ 360度依次递加循环变换时通过原动件转角计算的其
它构件上点的运动状态就会随之变化从而完成了
机构运动的动态仿真
3 系统搭建与运行
本文采用 Eclipse3 2 作为 Java 集成开发环境用 Export 导出可执行 JAR 包文件然后将其部署在
Tomcat 服务器上[8] 学生登录ldquo虚拟仿真实验实验
室rdquo点击ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo按钮就可进行相
应的远程实验了 首先要求学生浏览ldquo实验项目
介绍rdquo页面了解本次实验的目的其次浏览ldquo预习rdquo页面复习本实验需要储备的理论知识然后浏览
ldquo虚拟仿真实验rdquo界面根据实验要求设计相关的参
45
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
数运行虚拟系统观察仿真结果验证设计要求最后浏览ldquo实验测试rdquo界面回答本实验相关问题并
提交答案 运行虚拟仿真实验界面下图 6 所示
图 6 曲柄摇杆仿真界面
4 结语
本文以ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo 实验项目为
例介绍了在开源的 Eclipse3 2 集成开发平台中使
用功能强大简单易用的 Java 语言开发具体虚拟实
验项目的一般过程并将其部署在性能稳定的 Web应用服务器 Tomcat 之上 学生通过浏览器借助现
代化的网络技术登录本校虚拟仿真系统即可完成本
次实验教学任务充分的拓展了实验教学的时间和
空间实践证明以学生自主式线上讨论线下交流
式的新型互动式实验教学模式激发了学生的学习
兴趣和潜能充分体现了ldquo以学生为中心的实验教
学理念rdquo为虚拟仿真实验室建设提供了参考实例
参考文献(References)
[1] 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教
学项目建设的通知 [ EB OL]
[ 2017 ndash 07 ndash 13] http www moe edu cn srcsite A08 s7945 s7946 201707 t20170721_309819 html
[2] 万桂怡崔建军张振果 高校虚拟实验平台的设计及实践
[J] 实验室研究与探索2011(3)386-389[3] 程海丽张敬宗王献云等 谈虚拟仿真实验教学中心建设中
的ldquo虚实结合rdquo原则[J] 甘肃科技2017(3)23-25[4] 陈立平张云清 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程
[M] 北京清华大学出版社2005[5] 伍祥生王克宏 Java2D
API 技术及其实现方法[ J] 中国图像
图形学报1998(8)698-701[6] 吕校春李玲莉
基于 Swing 的 Java
GUI 组件开发[ J]
制造
业信息化2008(5)129-131[7] 杨焱罗玉峰石志新
RRR-PRP 平面六杆Ⅱ级机构的运动
学仿真[J]
南昌大学学报(理科版)
2011(2)136-139[8] 王金龙宋斌丁锐
Node js一种新的 Web 应用构建技术
[J]
现代电子技术2015(38)70-73
10509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979(上接第 51 页)4 结语
通过以上程序对凿岩爆破过程中的打孔装药组网延时设置起爆等进行可视化的模拟可以让
学生直观感受到凿岩爆破过程以及针对不同爆破要
求设计不同爆破网络直观地观察到不同延期时间
在爆破网络中的实现过程 优点在于操作的可重复
性好安全性高成本低直观性更好缺点在于对于
爆破后的爆破效果在软件中未能实现后期的进一
步工作可以放在这一块 目前随着虚拟现实技术
的日趋成熟爆破技术的学习和检验亦可通过这一
技术实现安全高效低成本的运行
参考文献(References)
[1] 凌天龙武宇李胜林等 煤矿巷道光面爆破智能设计系统开
发与应用 [ J] 河南理工大学学报 ( 自然科学版) 201837(2)29-35
[2] 夏梁梦郑武梁孟狄 爆破网络中常见编辑功能设计与实现
[J] 电脑编程技巧与维护2015(1)18-20[3] 吴亮鲁帅磨季云等 建(构)筑物爆破拆除中的力学原理与
教学[J] 成都师范学院学报201632(9)111-116[4] 张欣
圆形及方形截面烟囱爆破拆除计算机辅助设计[ D] 包头内蒙古科技大学2007
[5] 杨仁树马鑫民李清等
煤矿巷道掘进爆破智能设计系统及
应用[J]
煤炭学报201338(7)1130-1135[6] 白润才邓超刘光伟
露天矿爆破设计三维可视化系统[ J]
金属矿山2014(9)116-120[7] 张袁娟可杰农冬灵 数值模拟在爆破工程教学中的应用探
讨[J] 西部探矿工程201628(1)195-196[8] 郁晓华肖敏王美玲等
基于可视化编程的计算思维培养模
式研究mdashmdashmdash兼论信息技术课堂中计算思维的培养[ J]
远程
教育杂志201735(6)12-20[9] 马建兴刘占虎王文才 爆破实验课的教学研究[ J] 实验室
科学201518(1)142-144[10] 何姣云 基于计算机技术的爆破工程实验教学探索[ J] 湖北
水利水电职业技术学院学报20128(3)40-43
55
李煜等铰链四杆机构实验远程虚拟仿真的研究与实践
数运行虚拟系统观察仿真结果验证设计要求最后浏览ldquo实验测试rdquo界面回答本实验相关问题并
提交答案 运行虚拟仿真实验界面下图 6 所示
图 6 曲柄摇杆仿真界面
4 结语
本文以ldquo铰链四杆机构虚拟仿真rdquo 实验项目为
例介绍了在开源的 Eclipse3 2 集成开发平台中使
用功能强大简单易用的 Java 语言开发具体虚拟实
验项目的一般过程并将其部署在性能稳定的 Web应用服务器 Tomcat 之上 学生通过浏览器借助现
代化的网络技术登录本校虚拟仿真系统即可完成本
次实验教学任务充分的拓展了实验教学的时间和
空间实践证明以学生自主式线上讨论线下交流
式的新型互动式实验教学模式激发了学生的学习
兴趣和潜能充分体现了ldquo以学生为中心的实验教
学理念rdquo为虚拟仿真实验室建设提供了参考实例
参考文献(References)
[1] 教育部办公厅关于 2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教
学项目建设的通知 [ EB OL]
[ 2017 ndash 07 ndash 13] http www moe edu cn srcsite A08 s7945 s7946 201707 t20170721_309819 html
[2] 万桂怡崔建军张振果 高校虚拟实验平台的设计及实践
[J] 实验室研究与探索2011(3)386-389[3] 程海丽张敬宗王献云等 谈虚拟仿真实验教学中心建设中
的ldquo虚实结合rdquo原则[J] 甘肃科技2017(3)23-25[4] 陈立平张云清 机械系统动力学分析及 ADAMS 应用教程
[M] 北京清华大学出版社2005[5] 伍祥生王克宏 Java2D
API 技术及其实现方法[ J] 中国图像
图形学报1998(8)698-701[6] 吕校春李玲莉
基于 Swing 的 Java
GUI 组件开发[ J]
制造
业信息化2008(5)129-131[7] 杨焱罗玉峰石志新
RRR-PRP 平面六杆Ⅱ级机构的运动
学仿真[J]
南昌大学学报(理科版)
2011(2)136-139[8] 王金龙宋斌丁锐
Node js一种新的 Web 应用构建技术
[J]
现代电子技术2015(38)70-73
10509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979105097910509791050979(上接第 51 页)4 结语
通过以上程序对凿岩爆破过程中的打孔装药组网延时设置起爆等进行可视化的模拟可以让
学生直观感受到凿岩爆破过程以及针对不同爆破要
求设计不同爆破网络直观地观察到不同延期时间
在爆破网络中的实现过程 优点在于操作的可重复
性好安全性高成本低直观性更好缺点在于对于
爆破后的爆破效果在软件中未能实现后期的进一
步工作可以放在这一块 目前随着虚拟现实技术
的日趋成熟爆破技术的学习和检验亦可通过这一
技术实现安全高效低成本的运行
参考文献(References)
[1] 凌天龙武宇李胜林等 煤矿巷道光面爆破智能设计系统开
发与应用 [ J] 河南理工大学学报 ( 自然科学版) 201837(2)29-35
[2] 夏梁梦郑武梁孟狄 爆破网络中常见编辑功能设计与实现
[J] 电脑编程技巧与维护2015(1)18-20[3] 吴亮鲁帅磨季云等 建(构)筑物爆破拆除中的力学原理与
教学[J] 成都师范学院学报201632(9)111-116[4] 张欣
圆形及方形截面烟囱爆破拆除计算机辅助设计[ D] 包头内蒙古科技大学2007
[5] 杨仁树马鑫民李清等
煤矿巷道掘进爆破智能设计系统及
应用[J]
煤炭学报201338(7)1130-1135[6] 白润才邓超刘光伟
露天矿爆破设计三维可视化系统[ J]
金属矿山2014(9)116-120[7] 张袁娟可杰农冬灵 数值模拟在爆破工程教学中的应用探
讨[J] 西部探矿工程201628(1)195-196[8] 郁晓华肖敏王美玲等
基于可视化编程的计算思维培养模
式研究mdashmdashmdash兼论信息技术课堂中计算思维的培养[ J]
远程
教育杂志201735(6)12-20[9] 马建兴刘占虎王文才 爆破实验课的教学研究[ J] 实验室
科学201518(1)142-144[10] 何姣云 基于计算机技术的爆破工程实验教学探索[ J] 湖北
水利水电职业技术学院学报20128(3)40-43
55