基于UG软件的虚拟仿真实验研究与分析
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第３６卷 第３期 ２０１８年５月
西安航空学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ′ａｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ．２０１８
基于 ＵＧ 软件的虚拟仿真实验研究与分析
杨武成，马翔宇，孙俊茹，谭传洲
（西安航空学院 机械工程学院，西安 ７１００７７）
摘 要：针对公差实验中因学生仪器使用方式及读数精度对误差产生和仪 表 损 坏 的 影 响，结 合 ＵＧ 强 大 的 建 模 特 征 及分析能力，提出基于 ＵＧ 的虚拟仿真实验研究，对长度测量所使用的常用 仪 器、被 测 零 件 进 行 探 究，求 解 相 关 物 理 模型，采用 ＵＧ 中的仿真模块对长度测量进行仿真分析，并对仿真结果进行 后 处 理，模 拟 长 度 测 量 的 实 验 过 程，达 到 对学生实验引导及直观认识的目的。仿真实验表明：采用基于 ＵＧ 软件长度 测 量 的 虚 拟 实 验，学 生 既 可 轻 松 掌 握 具 体 的 实 验 步 骤 ，亦 可 对 测 量 仪 器 的 量 具 结 构 和 操 作 机 理 具 有 更 高 的 认 识 。 关 键 词 ：公 差 实 验 ；长 度 测 量 ；虚 拟 仿 真
中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００８９２３３（２０１８）０３００４５０５
０ 引 言
在公差实验中，长 度 测 量 实 验 是 ［１］ 必 做 实 验 项 目。实验过程中，主要 是 让 学 生 先 了 解 各 种 长 度 测 量工具 的 ［２］ 原理，然 后 实 际 动 手 进 行 各 种 测 量 方 法 和测量步 骤 的 训 练。 因 仪 器 使 用 方 式 和 读 数 准 确 度的影响，常常导致 一 些 随 机 误 差 产 ［３］ 生 和 仪 表 的 损坏。而公 差 实 验 中 长 度 测 量 所 用 到 的 量 具 大 多 是游标卡 尺、千 分 尺 和 高 度 尺［４］，实 验 中 由 于 操 作 失误［５］、操作者 读 数 误 差［６］、仪 器 磨 损［７］、仪 器 测 量 精度 等 ［８］ 原因很容易 产 生 较 大 的 误 差，且 这 些 常 见 的误差不易被消除。针对教学中公差实验的改革， 国内很多 学 者 做 了 相 关 研 究。 杨 琪 文 简 述 了 测 量 数据中粗大误差的 概 念，分 析 了 粗 大 误 差 产 生 的 原 因 和 消 除 方 法 ，介 绍 了 如 何 根 据３σ准 则 在 测 量 数 据 中发现 并 剔 除 粗 大 误 差 。 ［９］ 关 于 公 差 实 验 测 量 中 产生误差的研究文 献 较 少，大 多 是 对 公 差 实 验 的 教 学方法进行 改 革。 王 颖 淑 等 人 介 绍 了 公 差 ＣＡＩ实 验教学软件系统，其 中 包 括 实 验 原 理、实 验 操 作、数 据处理、实验报告、自 测 题 库 五 部 分，并 结 合 实 际 教
收 稿 日 期 ：２０１８０３２３ 基 金 项 目 ：西 安 航 空 学 院 校 级 “质 量 工 程 ”项 目 （２０１６ＺＬＧＣ０３）；西 安 航 空 学 院 校 级 高 等 教 育 研 究 项 目 （２０１８ＧＪ１００６） 作 者 简 介 ：杨 武 成 （１９７６－ ），男 ，陕 西 韩 城 人 ，副 教 授 ，主 要 从 事 制 造 系 统 集 成 及 其 自 动 化 、计 算 机 仿 真 技 术 研 究 。
学进一步论证 了 公 差 ＣＡＩ实 验 教 学 软 件 在 实 验 教 学中的作用。另外指出，将 ＣＡＩ与 传统教 学相 结合 已成为现代教学 的 重 要 手 段［１０］。 潘 淑 清 针 对 实 验 课教学质量在工科机械类专业公差课程学习中的 重要性，提 出 实 验 仪 器 的 改 造 和 实 验 方 法 的 改 革。 通过改革，充 分 调 动 了 学 生 学 习 的 积 极 性，取 得 了 良好的教学效果 。 ［１１］ 李益林结 合 学 生 特 点，对 实 验 教学实施拓展以加强实践教育为教学重点的指导 思想，最大限度地开 设 各 类 内 容 不 同 的 实 验 项 目 与 实验室半开放形式 相 结 合，保 证 学 生 有 足 够 的 实 践 操作时间 。 ［１２］ 丁爱玲 等 人 研 究 开 发 了 适 用 于 公 差 实验教 学 的 计 算 机 辅 助 教 学 （ＣＡＩ）软 件 方 法，以 ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０ 为 主 要 开 发 工 具，综 合 应 用 文 字、 图表、声 音、动 画 等 多 媒 体 技 术，设 计 了 该 应 用 软 件。结论表明：该软 件 已 满 足 部 分 实 验 内 容 的 ＣＡＩ 教学，经过 进 一 步 的 扩 展 和 完 善，可 在 公 差 实 验 教 学中使用 。 ［１３］ 汤漾平 等 人 为 了 满 足 机 械 制 造 专 业 形位公差测量实验 教 学 的 需 求，设 计 并 制 造 了 一 套 新型的形位公差综 合 测 量 设 备，该 设 备 具 有 结 构 简 单、集成度 高 的 特 点，克 服 了 传 统 教 学 设 备 的 局 限
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西安航空学院学报
第 ３６ 卷
性。在分析形位公差 测 量 原 理 的 基 础 上，详 细 介 绍 了 该 设 备 的 机 械 结 构、电 气 结 构 以 及 软 件 设 计 原 理。该设备 在 该 校 机 械 制 造 专 业 教 学 实 验 应 用 结 果表明，该设备相比 于 传 统 设 备 可 以 有 效 地 提 高 机 械零件典型 形 位 公 差 测 量 实 验 的 效 率［１４］。 上 述 文 献表明了公差实验 的 改 革 方 式 与 特 点，且 大 多 对 实 验设备进行了改革，或 者 设 计 一 种 与 公 差 实 验 相 匹 配的测 量 装 置。 针 对 以 上 情 况，本 文 提 出 了 基 于 ＵＧ 软件的虚拟 仿 真 实 验 研 究 与 分 析，结 合 ＵＧ 软 件的建模和运动仿 真 等 特 性，对 常 用 的 测 量 工 具 游 标卡 尺、圆 度 尺 和 千 分 尺 等 进 行 建 模，对 测 量 工 具 的虚拟实验进行探究。
西安航空学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ′ａｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ．２０１８
基于 ＵＧ 软件的虚拟仿真实验研究与分析
杨武成，马翔宇，孙俊茹，谭传洲
（西安航空学院 机械工程学院，西安 ７１００７７）
摘 要：针对公差实验中因学生仪器使用方式及读数精度对误差产生和仪 表 损 坏 的 影 响，结 合 ＵＧ 强 大 的 建 模 特 征 及分析能力，提出基于 ＵＧ 的虚拟仿真实验研究，对长度测量所使用的常用 仪 器、被 测 零 件 进 行 探 究，求 解 相 关 物 理 模型，采用 ＵＧ 中的仿真模块对长度测量进行仿真分析，并对仿真结果进行 后 处 理，模 拟 长 度 测 量 的 实 验 过 程，达 到 对学生实验引导及直观认识的目的。仿真实验表明：采用基于 ＵＧ 软件长度 测 量 的 虚 拟 实 验，学 生 既 可 轻 松 掌 握 具 体 的 实 验 步 骤 ，亦 可 对 测 量 仪 器 的 量 具 结 构 和 操 作 机 理 具 有 更 高 的 认 识 。 关 键 词 ：公 差 实 验 ；长 度 测 量 ；虚 拟 仿 真
中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９１．９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００８９２３３（２０１８）０３００４５０５
０ 引 言
在公差实验中，长 度 测 量 实 验 是 ［１］ 必 做 实 验 项 目。实验过程中，主要 是 让 学 生 先 了 解 各 种 长 度 测 量工具 的 ［２］ 原理，然 后 实 际 动 手 进 行 各 种 测 量 方 法 和测量步 骤 的 训 练。 因 仪 器 使 用 方 式 和 读 数 准 确 度的影响，常常导致 一 些 随 机 误 差 产 ［３］ 生 和 仪 表 的 损坏。而公 差 实 验 中 长 度 测 量 所 用 到 的 量 具 大 多 是游标卡 尺、千 分 尺 和 高 度 尺［４］，实 验 中 由 于 操 作 失误［５］、操作者 读 数 误 差［６］、仪 器 磨 损［７］、仪 器 测 量 精度 等 ［８］ 原因很容易 产 生 较 大 的 误 差，且 这 些 常 见 的误差不易被消除。针对教学中公差实验的改革， 国内很多 学 者 做 了 相 关 研 究。 杨 琪 文 简 述 了 测 量 数据中粗大误差的 概 念，分 析 了 粗 大 误 差 产 生 的 原 因 和 消 除 方 法 ，介 绍 了 如 何 根 据３σ准 则 在 测 量 数 据 中发现 并 剔 除 粗 大 误 差 。 ［９］ 关 于 公 差 实 验 测 量 中 产生误差的研究文 献 较 少，大 多 是 对 公 差 实 验 的 教 学方法进行 改 革。 王 颖 淑 等 人 介 绍 了 公 差 ＣＡＩ实 验教学软件系统，其 中 包 括 实 验 原 理、实 验 操 作、数 据处理、实验报告、自 测 题 库 五 部 分，并 结 合 实 际 教
收 稿 日 期 ：２０１８０３２３ 基 金 项 目 ：西 安 航 空 学 院 校 级 “质 量 工 程 ”项 目 （２０１６ＺＬＧＣ０３）；西 安 航 空 学 院 校 级 高 等 教 育 研 究 项 目 （２０１８ＧＪ１００６） 作 者 简 介 ：杨 武 成 （１９７６－ ），男 ，陕 西 韩 城 人 ，副 教 授 ，主 要 从 事 制 造 系 统 集 成 及 其 自 动 化 、计 算 机 仿 真 技 术 研 究 。
学进一步论证 了 公 差 ＣＡＩ实 验 教 学 软 件 在 实 验 教 学中的作用。另外指出，将 ＣＡＩ与 传统教 学相 结合 已成为现代教学 的 重 要 手 段［１０］。 潘 淑 清 针 对 实 验 课教学质量在工科机械类专业公差课程学习中的 重要性，提 出 实 验 仪 器 的 改 造 和 实 验 方 法 的 改 革。 通过改革，充 分 调 动 了 学 生 学 习 的 积 极 性，取 得 了 良好的教学效果 。 ［１１］ 李益林结 合 学 生 特 点，对 实 验 教学实施拓展以加强实践教育为教学重点的指导 思想，最大限度地开 设 各 类 内 容 不 同 的 实 验 项 目 与 实验室半开放形式 相 结 合，保 证 学 生 有 足 够 的 实 践 操作时间 。 ［１２］ 丁爱玲 等 人 研 究 开 发 了 适 用 于 公 差 实验教 学 的 计 算 机 辅 助 教 学 （ＣＡＩ）软 件 方 法，以 ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０ 为 主 要 开 发 工 具，综 合 应 用 文 字、 图表、声 音、动 画 等 多 媒 体 技 术，设 计 了 该 应 用 软 件。结论表明：该软 件 已 满 足 部 分 实 验 内 容 的 ＣＡＩ 教学，经过 进 一 步 的 扩 展 和 完 善，可 在 公 差 实 验 教 学中使用 。 ［１３］ 汤漾平 等 人 为 了 满 足 机 械 制 造 专 业 形位公差测量实验 教 学 的 需 求，设 计 并 制 造 了 一 套 新型的形位公差综 合 测 量 设 备，该 设 备 具 有 结 构 简 单、集成度 高 的 特 点，克 服 了 传 统 教 学 设 备 的 局 限
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西安航空学院学报
第 ３６ 卷
性。在分析形位公差 测 量 原 理 的 基 础 上，详 细 介 绍 了 该 设 备 的 机 械 结 构、电 气 结 构 以 及 软 件 设 计 原 理。该设备 在 该 校 机 械 制 造 专 业 教 学 实 验 应 用 结 果表明，该设备相比 于 传 统 设 备 可 以 有 效 地 提 高 机 械零件典型 形 位 公 差 测 量 实 验 的 效 率［１４］。 上 述 文 献表明了公差实验 的 改 革 方 式 与 特 点，且 大 多 对 实 验设备进行了改革，或 者 设 计 一 种 与 公 差 实 验 相 匹 配的测 量 装 置。 针 对 以 上 情 况，本 文 提 出 了 基 于 ＵＧ 软件的虚拟 仿 真 实 验 研 究 与 分 析，结 合 ＵＧ 软 件的建模和运动仿 真 等 特 性，对 常 用 的 测 量 工 具 游 标卡 尺、圆 度 尺 和 千 分 尺 等 进 行 建 模，对 测 量 工 具 的虚拟实验进行探究。