机床电器工作原理动画设计与制作.docx
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机床电器工作原理动画设计与制作
机床电气元器件工作原理动画设计
摘要
详细分析了热继电器，速度继电器，时间继电器，自动开关，转换开关，按钮开关的工作原理和机床电控课程的学习需求，设计并制作出了热继电器、速度继电器、时间继电器等的flash动画。
阐述了机床电控多媒体课件的教学设计，全面论述了开发机床电控中电气元器件结构与工作原理多媒体课件的设计和开发过程。
此flash动画很好的解决了传统教学抽象而不易理解的难题，使现代教学过程更加形象、生动、直观。
关键词:
机床电控，FLASH动画，媒体教学
Electricalcomponentsmachinedesignprincipleofanimation
Abstract
Detailedanalysisofthethermalrelays,thespeedoftherelay,timerelay,automaticswitch,switch,buttonswitch,andtheworkingprincipleofthecourseelectronicallycontrolledmachinelearningneeds,designandproducethermalrelays,thespeedoftherelay,thetimefollowingtheelectricalappliances,suchastheflashanimation.Electronicallycontrolledmachinetoolsontheinstructionaldesignofmultimediacourseware,comprehensiveexpositionofthedevelopmentofelectronicallycontrolledmachinetoolcomponentsintheelectricalstructureandworkingprincipleofmultimediacoursewaredesignanddevelopmentprocess.Thisflashanimationverygoodsolutiontothetraditionalteachingoftheabstractanddifficulttounderstandtheproblem,sothattheimageofmodernteachingandlearningprocessmorevividandintuitive.
Keyword:
ElectronicControlMachineTool,FLASHAnimation,MultimediaTeaching
1绪论
随着现代科学技术的发展，多媒体这一新的科技手段快速度渗透到教育领域。
这一新技术在呈现教学内容，创设教学情境，调动学生的多种感官方面效果越来越突出，使学习更加直观、形象、生动。
目前，多媒体教学已成为现代教育的重要组成部分，而多媒体教学的应用离不开多媒体教学课件，因此，研制开发高质量的多媒体教学课件是开展现代教育技术工作的重要内容。
2课件的教学设计
教学设计是应用系统方法分析研究教学内容和需要，确定解决它们的教学策略、教学方法和教学步骤，并对教学结果作出评价的一种计划过程与操作程序。
教学设计理论对多媒体教学软件的设计开发具有重要的意义，教学设计理论广泛应用于各类教学过程与教学资源的设计、开发与利用。
在多媒体教学软件设计方面，教学设计理论既是多媒体教学软件开发的重要理论基础，同时也是多媒体教学软件应用的重要理论基础。
所以本软件的开发也要以教学设计理论为指导进行教学设计。
2.1学习需要的分析
机床电控具有控制线路简单、维修方便、便于掌握、价格低廉等优点，且能满足生产机械一般生产的要求，目前在电器控制领域获得了广泛的应用。
但是，由于常用电器元件体积小，结构复杂，不便于甚至不可能直接观察电器元件的结构和工作原理。
传统的教学通常采用教师画图来讲授并配合相应的实习。
但这种教学方式很难表达清楚电器元件的的结构，更无法表达这些元件的工作原理，然而电器元件在装拆实习时，虽然可以了解实际元件的外型和结构，但元件内各零件之间构成的空间运动仍不可见。
这些传统教学方式中存在的不足之处，不仅严重影响了机床电控课程的教学效果还无法激发学生的学习热情。
计算机技术的发展有力的促进了教学内容和教学手段的改革，运用多媒体教学手段能使知识形象化、直观化，为解决机床电控教学中的实际问题，实现动态教学提供了可靠的技术手段。
采用多媒体技术开发机床电控CAI课件，可以形象生动的反映教学内容，电器元件及其工作原理通过文字、图形、影象、动画和声音等多种手段和方法表现课程内容，实现了传统教学方法无法获得的教学效果。
本次设计的机床电控多媒体课件主要是教师上课演示型课件。
这种类型的多媒体教学课件具有完整的知识结构，能反映一定的教学过程和教学策略设计。
许多友好的界面能让学习者进入人机交互活动，利用这个多媒体教学课件，学生也可以在个别化的教学环境下进行自主学习。
通过学习本课件可以使学生原本在课本中无法解决的难点问题得到较好的解决。
本软件主要是针对机电类专业的课程设计的，学生在掌握一定的机电方面的基础后再使用本课件，效果会更好。
此教学课件主要讲授的是机床电控的第一章第一节机床常用电器及选择，包括开关电器、主令电器、熔断器、继电器等的基本组成、表示符号以及它们的工作原理。
2.2教学目标以及教学对象的分析
本课件主要是针对高校机电专业的大学生设计的，大学生在智力上已较为成熟，他们的思维有了更高的抽象性和理论性，并由抽象逻辑思维向辩证逻辑思维发展。
他们观察事物的目的性和系统性进一步增强，已能按程序掌握事物本质属性的细节特征，思维的组织性，深刻性和批判性有了进一步发展，独立性更为增强，注意性更为稳定，集中注意的范围也进一部扩展。
大学生在情感方面已经有了稳定的价值观，渴望参与社会，相信自己的力量能加速社会的进步与发展，自我调控也已经建立在稳定的人格基础上。
根据大学生的这些特点，设计机床电控多媒体课件，使学生在学习过程中能利用本身的优势和多媒体课件的优越性，能够在较短的时间内学好机床电控这门专业课。
首先使他们通过多媒体技术能够对机床电控这门原本比较枯燥的课程产生学习兴趣，从而为后续专业课的学习打下良好的基础。
2.3教学内容
该课件介绍的是《机床电控》的基础部分：
机床常用电器及选择。
主要包括：
1、开关电器，包括刀、转换开关、自动开关；2、主令电器，包括控制按钮、行程开关；3、熔断器4、继电器，包括时间继电器、热继电器、速度继电器等元件。
详细介绍了它们的名称、组成、符号、工作原理、选用、使用方法以及常用产品。
其中转换开关、自动开关、按钮开关、时间继电器、热继电器、速度继电器等配有详细的工作原理演示动画。
演示传统的教学方式通常由老师将图画在黑板上来讲授，采用这种方法使讲解困难，学生只能凭借自己的抽象思维感受每个电器元件的动作过程，无形中增加了学生学习和老师授课的难度。
而采用多媒体技术把这些电器开关的工作原理制成动画，在演示动画的同时加以解说的方式介绍工作原理，这样就可以生动形象的反映教学内容，使学生轻松地掌握教学重点和难点。
2.4教学方法的设计
教学方法是实现教学任务的方式，也就是“怎么教”。
其中包括内容顺序安排，教学活动设计和教学的组织方式。
本课件在每一个学习内容中都设有许多知识点，反映了该单元或是项目的重点和难点，各知识点之间没有固定的次序，可以根据学习的具体情况进行选择。
整个课件可以很方便地实现元件之间的跳转，终止现行教学回到原页面中。
这样做的好处是一方面有利于激发学生的学习兴趣，培养他们独立思考问题，分析问题的能力，另一方面也体现出教学的特点。
2.5媒体的选择
媒体是用来传递和提供教学信息的平台，通过媒体的作用，要使学习者的不确定性减少，既从不确定过度到确定。
媒体能给学习者提供良好的学习环境和充分的感性材料。
它在教学过程中起到了非常重要的作用。
因此制作多媒体课件，选择媒体很重要。
多媒体教学课件中的媒体类型包括文本、图形、静态图象、动画、音频和视频。
在多媒体课件中文本承担着表意、说明、概括等作用，是表达信息的符号系统之一，并且可以随课件设计和使用者的意图实现文件内容的变换和跳转；静态图是多媒体的一个主要元素。
课件的大多数内容画面和图形构成。
因此，对课件界面的艺术设计，图文安排等倍受人们的重视。
与文本相比，静态图不具备对事物本质规律的描述和概括的功能，必须与文本一起描述和解释。
在教学过程中，动画能够激发学生的学习激情，可以对不容易表现而且枯燥的现象作模拟演示，有利于揭示复杂事物的本质和发展规律，提高了教学质量，增强了教学效果。
声音是信息交流的重要媒介，多媒体课件中的声音包括：
解说、音乐和事物发出的背景声音等，解说的声音在于说明事物和现象并进行概括和总结，对学习者给予指导和启发，补充图象和文本的不足；音乐用以烘托特定的内容和情节，对学习的节奏和氛围给予一定程度的调节，但不能不结合所设计的课件的使用场合，不加选择的给课件配上声音，否则会让学习者分心，干扰教学的进行，反而适得其反。
文本、静态图片、动画、声音在传递信息上各有自己的优点和不足，在多媒体课件设计中，要注意扬长避短，结合教学目标、任务、内容和学者的需要，综合各类媒体的特长，结合教学内容的需要，分析各媒体在教学课件中该起的作用，决定本课所选用的媒体。
表1本课件媒体选择详表
组成部分
文本
图形
图象
动画
进入界面
▲
▲
▲
▲
转换开关
▲
自动开关
▲
▲
▲
按钮开关
▲
▲
▲
速度继电器
▲
▲
时间继电器
▲
▲
▲
▲
热继电器
▲
▲
结束界面
▲
▲
▲
2.6基本知识框架
本课件的知识框架如下：
（1）开关电器
1）刀开关
2）转换开关
3）自动开关
（2）主令电器
1）控制按钮
2）行程开关
（3）熔断器
（4）交流接触器
继电器（时间继电器、热继电器、速度继电器）
3多媒体开发工具的选择
多媒体教学课件经过需求分析、教学过程设计和系统设计等阶段后，便进入了课件的制作阶段，也就是课件的具体实现。
课件的实现需要用能编程的多媒体软件创作工具来实现，但是，在大量的开发工具中选择合适的工具是很重要的。
多媒体制作工具是指用来集成、处理和统一管理文本、图形、动画等多媒体信息的编辑工具。
常见的多媒体课件的制作软件有Flash、Powerpoint、Authorware、方正奥思等。
在本课件制作时，我选择用Flash软件来完成本次设计。
Flash是美国的Macromedia公司于1999年6月推出的优秀的网页动画设计软件。
它是一种交互式动画设计工具，用它可以将音乐、声效、动画及富有新意的界面融合在一起，以制作出高品位的课件动态效果。
自从1985年5月Macromedia公司发布了Flash4，一道闪亮照亮了整个网络界，并逐渐形成了一些有影响力的FLASH技术交流团体。
目前已经有很多人会使用这个软件了，并且会有越来越多的人学习并使用它。
Flash是目前网络动画的事实标准，其文件短小，播放效果好，交互功能强，易学易用，被广泛应用于网络动画、广告制作、教学课件、娱乐游戏等方面。
选用Flash来完成本次设计是基于它的以下几方面特点：
（1）课件中需要大量动画，而用Flash制作的动画是矢量动画，不论你把它放大多少倍都不会失真，保证了画面的靓丽、清晰。
播放时，你可以随时在Flash画面上点右键，选放大画面，细看画面上的每一个细节。
（2）利用Flash生成的文件可以有载入保护功能设置，可以防止他人任意修改渗透了你心血的作品。
（3）利用Flash生成的动画播放文件（*.SWF）都非常小巧，一个精美的课件也就一、二十KB大小、复杂的也就五百KB左右。
一张课件上足够装载好几份动画，这是其它软件无法比拟的。
（4）Flash的绘画功能美妙至极，比起Windows中的画图板功能强大了许多。
绘画工具齐全，色差任意设定，还有线、圆形渐层色可设定，这样你可以在二维界面上创作有立体感的图片。
通过对Flash软件的特点的分析，并结合本次课件开发的要求和实际情况，选用Flash8作为开发本课件的工具是很合适的。
4电气元件工作原理的动画设计
通过教学设计工作基本完成了对教学目标与教学内容的确定，通过对学习者的学习特征、媒体信息、基本知识框架等的分析工作，保证了该课件的教学性和科学性的要求。
但是怎样将这些知识点在计算机上通过生动形象的形式加以表示，发挥多媒体的优势，突出教学重点，突破教学难点，培养学生的能力和素质，这就需要对电器元件工作原理进行动画设计。
我所设计电器元件工作原理动画包括各电器元件原理图及控制按钮两部分。
其中主要有按钮开关、转换开关、自动开关、热继电器、速度继电器、时间继电器等元件的结构图，以及动作过程的动画设计。
下面介绍几个典型的元器件工作原理的动画设计。
4.1按钮开关工作原理的动画设计
按钮开关是自动控制系统中常用的一种主令电器，其常用于短时接通或断开小电流控制电路。
其主要由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳组成[1]。
在演示这个按钮开关的工作原理时按下结构图下的按下按钮时，按钮开关动触点由于受外力作用而向下动作，从而达到接通线路的目的。
当按下复位按钮时，按钮开关恢复原来断开状态。
4.2转换开关工作原理的动画设计
转换开关又称组合开关，主要用作电源的引入开关，所以也称电源隔离开关。
图1转换开关工作原理结构示意图
其也可以起停5KW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过15~20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍[2]。
其图形的上半部分为转换开关的结构图，下半部分为控制按钮。
当按下接通电流按钮时，转换开关内部开始动作，接通电流。
当按下断开电流按钮时，电流断开。
转换开关的结构图如图1所示。
4.3自动开关工作原理的动画设计
自动开关又称自动空气断路器，当电流大于额定值时，双金属片上端将进一步靠近传感杆，一旦双金属片接触传感杆后，将推动传感杆顺时针方向转动，以致其卡口松开脱扣联杆，脱扣联杆随之落下，动触头在弹簧的作用下，快速脱离静触头，完成过载保护。
电流值越大，双金属片弯曲的速度越快，动作所需的时间越短，由于双金属片的动作是由其受热变形而产生的，完成动作须要一定的时间，故不宜依靠这种机构来作短路保护。
当通过电流达到额定值的七倍以上时，流过电磁脱扣线圈的大电流产生足够大的磁感应强度，使其中的铁心克服自身复位弹簧的张力，向传感杆方向推出，导致传感杆顺时针方向旋转[3]，使动触头跳开，完成保护动作。
当线路出现短路故障时，开关可以迅速动作，对线路进行保护。
因此，自动开关不但能用于正常工作时不频繁接通和断开的电路，而且当电路发生过载、短路或失压等故障时，能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电器设备。
开关的主触点是靠操作机构手动或电动合闸的，并由自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。
自动开关的内部结构及工作过程如图2所示。
图2自动开关工作原理结构示意图
如果电路出现故障，自由脱扣机构在有关脱扣器的推动下动作，使钩子拖开。
于是主触点在弹簧作用下迅速分断。
其主要可以实现过载、过热、失压、远距离控制等保护功能。
4.4时间继电器工作原理的动画设计
时间继电器的电气控制系统中是一个非常重要的元器件。
一般分为通电延时和断电延时两种类型。
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。
它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。
本动画设计的是一个延时型时间继电器，当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。
但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时[4]，橡皮膜随之向下凹,上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。
经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。
从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。
延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。
吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。
空气经出气孔被迅速排出。
时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器。
本动画中的时间继电器的结构主要有电磁系统、延时机构和工作触点三部分组成。
时间继电器的内部结构图如图3所示。
图3时间继电器工作原理结构图
当线圈断电时，衔铁在复位弹簧的作用下将活塞推向最下端，因活塞被往下推时，橡皮膜下方气室内的空气都通过橡皮膜，弱弹簧和活塞肩部所形成的单项阀，经上气室缝隙顺利排掉，因此延时与不延时的微动开关与都迅速复位。
4.5速度继电器工作原理的动画设计
速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制。
主要由转子、定子和触点组。
转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环；由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。
速度继电器转子轴与电动机轴相连，定子空套在转子上，当电动机转动时，转子随之转动，在空间产生旋转磁场，切割定子绕组，而在其中感应出电流，此电流又在旋转的转子磁场作用下产生转距，使定子随转子转动方向转动，和钉子装在一起的摆锤推动主触头动作，使常闭触点断开，使常开触电闭合，当电动机转速低于某一值时，定子产生的转距减小，主触头复位。
速度继电器的内部结构如图4所示。
图4速度继电器工作原理结构示意图
4.6热继电器工作原理的动画设计
热继电器有各种各样的结构形式，最常用的是双金属片式结构，图"为热继电器的结构原理图。
双金属片!
是用两种不同线膨胀系数的金属片，通过机械辗压在一起制成的，一端固定，另一端为自由端。
当双金属片的温度升高时，由于两种金属的线膨胀系数不同，所以它将弯曲。
热元件串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流即为流过热元件的电流。
当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片!
弯曲，但不足以使继电器动作；当电动机过载时，热元件产生的热量增大，使双金属片弯曲位移量增大，经过一段时间后，双金属片弯曲推动导板，并通过补偿双金属片与推杆'将触点（和）分开，触点（和）为热继电器串于接触器线圈回路的动断触点，断开后使接触器失电，接触器的动合触点断开电动机等负载回路，保护了电动机等负载。
电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中电流将增大，使得电动机的绕组温度升高。
若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁[5]。
所以，这种过载是电动机不能承受的。
热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
如图5所示。
图5热继电器工作原理结构示意图
在所有动画设计制作过程中，我都使用了ActionScript函数，其它的动画中的函数我在本毕业设计里不在写出，而把热继电器的函数我写出来，以显示函数在动画使用中的重要作用和使用中的便利，要使用函数首先要做的是把各个需要调用的元件用一个名字加以命名，以便于函数的调用和自己的使用，在这里我把“通电”按钮用bt1命名，“断电”按钮用bt2命名，“过载”按钮用bt3命名，“复位”按钮用bt4命名。
再把“通电”的动画设计出来，然后用mc1命名，把“断电”的动画设计出来，然后用mc2命名，把“过载”的动画设计出来，然后用mc3命名，把“复位”的动画设计出来，然后用mc4命名，同时让他们在同一个场景里面出现，但要注意他们之间的出现次序和隐藏，避免出现场景的混乱，然后开始写函数，在热继电器中使用的函数如下：
mc1.gotoAndStop
（1）;
mc2.gotoAndStop
（1）;
mc3.gotoAndStop
（1）;
mc4.gotoAndStop
（1）;
bt1.onPress=function（）{
play（）
mc1.play（）;
mc2.gotoAndStop
（1）;
mc3.gotoAndStop
（1）;
mc4.gotoAndStop
（1）;
}
bt2.onPress=function（）{
mc1.gotoAndstop
（1）;
mc2.gotoAndStop
（1）;
mc3.gotoAndStop
（1）;
mc4.gotoAndStop
（1）;
}
bt3.onPress=function（）{
play（）;
mc1.gotoAndStop
（1）;
mc2.stop（）;
mc3.gotoAndPlay（50）;
mc4.gotoAndStop
（1）;
}
bt4.onPress=function（）{
mc1.stop（）;
mc2.stop（）;
mc3.stop（）;
mc4.gotoAndStop（70）;
}
热继电器是利用电流的热效应而动作的电器。
它主要作用是对电动机实现过载保护，以免电动机因长时间超负荷运行而损坏电机绝缘。
双金属片由热膨胀系数不同的两种金属材料轧压而成。
绕在双金属片上的发热元件串联在电动机的主回路中，当通过发热元件的电动机电流超过允许值时，使双金属片受热变形向上弯曲而使扣板脱扣，在拉簧的作用下，通过连板将常闭触头打开。
由于发热存在热惯性，热继电器不能作为短路保护元件。
因为发生短路事故时，要求电路立即断开，而热继电器是不能立即动作的。
但是这个热惯性也是符合要求的，在电动机起动或短时过载时，热继电器不会动作，从而避开电动机起动电流，保证电动机可正常工作。
5课件的系统设计
在对Flash软件的使用掌握后，根据对课件设计的整体构思，本课件总的设计流程包括3个部分，分别为封面、主体、结束。
封面部分采用一个动画；主体部分主要由动画、文本和图形符号构成；我在动画里直接加了一个返回主页按钮，通过点击这个按钮可以直接进入开始界面。
下面逐一介绍各部分的具体流程设计。
5.1多媒体素材的准备
多媒体课件中可以使用的信息有文本、图形、静态图象、动画、视频、声音和音乐等，这些信息符号称之为多媒体素材。
对这些素材的获取、创作和加工是整个课件制作过程中时间和人力最多的一个环节，多媒体数据资源的获取是比较复杂的，一般需要有专门的设备和软件。
不同类型的数据，其采集方法也是不同的，利用各种功能强大的多媒体素材创作软件，可以使课件制作者获得良好的效果。
本课件采用的多媒体素材有文本、背景图片、动画、图形。
下面介绍各种素材的准备过程。
5.1.1文本的准备
课件中的文本主要来自于教材，包括机床电控的常用电器元件的名称、组成、符号、工作原理和选用。
这些内容都是通过对书中知识的分析概括而成的。
还有一些特殊的文本，比如说课件进入界面上的标题和结束界面上的提示语这两个文本是用Flash中的写字工具自己设计的。
这样做便于实现自己所想要的功能，节省时间。
5.1.2背景图片的准备
本课件中共有3个背景图片。
进入界面和结束界面分别使用了颜色较鲜艳的蓝色的图画作为背景图片，这个图片是用Flash制作的动画。
其余的介绍课件内容的背景图片均为从Flash素材库中选取的从网上下载的背景图片。
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