浅谈基于vpython的机构运动仿真研究及实现

精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创1/6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，在机械设计精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创2/6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。2基本技术介绍21PYTHONPYTHON是一种面向对象的程序语言，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和功能模块，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46倍。初学者通过很短时间的学习即可写出复杂的程序2,3。22VPYTHONVPYTHON是一个建立在PYTHON上的视觉化图形模块，精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创3/6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，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31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L所示。构件L作匀角速圆周运动，构件2作复杂的平面运动，其运动方式可分解为随同构件L的转动和绕B点的转动。构件3为往复运动4,5。假定C块中心点与A处于同一水平面上。图1曲柄滑块机构示意图32运动分析精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创4/6经分析得知，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O为原点，OC为X轴，在O点垂直OC向上为Y轴。并标出各杆矢的方位角。其中，BO与X轴正向夹角为；BC与X轴正向夹角为。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L运动。可视为已知，O点坐标为，设OB与BC的长度分别为R1与R2，且是设定量，则可求在任意时刻，B点，C点的运动轨迹。由已知可得转角与转角的关系式R1SINR2SIN精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创5/6B点坐标为XBR1COSYBR1SINC点坐标为XCR1COSR2COS由式得出ARCSIN把式代入得XCR1COSR2COSARCSIN所以可知在任意时刻，B与C点轨迹都是R1R2及的关系式。因为杆1为等角速圆周运动，设角速度为,为常精品文档2016全新精品资料全新公文范文全程指导写作独家原创6/6量，0为杆1初始角，故0T。又R1、R2已知，故B、C两点的坐标是随也即随时间T变化的函数。4仿真及实