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浅谈基于vpython的机构运动仿真研究及实现.doc


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浅谈基于vpython的机构运动仿真研究及实现.doc浅谈基于VPython的机构运动仿真研究及实现摘要:近年来有许多针对机构运动学虚拟仿真技术的研究,用来辅助教学。其中,采用VPython对机构运动学教学进行三维图形编程是一种易学易用、功能强大的选择。通过建立机构运动的数学模型和参数化绘图,实现了常用平面连杆机构的运动分析和仿真,展示了VPython用于辅助教学的设计思想与实现方法,从而降低仿真开发难度,提高了机构研究设计的效率和效果。关键词:曲柄滑块机构;Python;VPython;虚拟仿真;三维图像编程1引言在机构运动学的教学中,人们经常用虚拟的三维软件来形象直观地表达机构运动过程。用于机械动态模拟的方法和软件很多,其中VPython是建构在Python程序设计语言之上的一个模块,它在可视觉化方面有丰富的功能及方便的操作介面。应用VPython我们可以创造一个能够实现交互的虚拟世界,可编写某一机构的具有交互作用的三维动画,进而更加形象地表示机构的外形、运动过程、工作状态等[1]。同时,由于VPython的简单易学,在机械设计课程中加入简单的VPython程序编写,可以使那些非程序设计人员体验到编程的乐趣。基于这样的设计思想,本文介绍了用VPython虚拟仿真曲柄滑块机构的运动设计与实现。--种面向对象的程序语言(OOP),于1990年由荷兰科学家GuidovanRossem所发明。相较于其它编程语言,Python极其简单易学。它内置了许多常用的高级数据结构(如字典、列表、集合等)和功能模块(如文本处理、网络、多媒体、数据库和GUI等),使人们可以把精力集中在要解决的问题算法上,而不用考虑低层实现细节。Python开发效率非常高,据估计,实现同样功能程序,Python的开发周期比Java开发的缩短4~6倍。初学者通过很短时间的学****即可写出复杂的程序[2,3]。2VPythonVPython是一个建立在Python上的视觉化图形模块,其创立者是美国卡内基美隆学生DavidSherer。VPython能使三维可视编程更容易。它提供了一组三维元件(素材),如球状体,柱状体和线型等。通过Vector操作函数可以很容易进行时空变换。进而,允许用户用鼠标直接操作屏幕上[1]对象。目前,VPython广泛应用于高等数学、平面几何、地理和物理等教学中,并取得了较好的教学效果[2]。3机构运动分析的数学模型1机构运动建模该曲柄滑块机构包括3个运动构件,各构件和杆矢的方位角如图1所示。构件1(0B)作匀角速圆周运动,构件2(BC)作复杂的平面运动,其运动方式可分解为随同构件1的转动和绕B点的转动。构件3(C)为往复运动[4,5]。假定C块中心点与A处于同一水平面上。,只要确定了各构件在某一时刻相对于初始位置的转动角度,就可以确定各构件在这一时刻的位置及运动方向,进而模拟出整个机构的运动。下面用矢量方程解析法来分析各构件转角之间的关系:如图1所示,在机构示意图中建立直角坐标系,以。为原点,0C为x轴,在0点垂直0C向上为y轴。并标出各杆矢的方位角。其中,B0与X轴正向夹角为a;BC与X轴正向夹角为Po杆1匀角速度转动,其转角大小随时间变化。杆1是原动件,其它各杆都随杆1运动。可视a为已知,。点坐标为(0,0),设0B与BC的长度

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  • 上传人小雄
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  • 时间2020-07-01