基于仿真與試驗平臺的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)急回特性教學(xué)研究

張蔚 喬生紅 張永其

摘 要 以擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)急回特性的教學(xué)為例，設(shè)計了結(jié)合虛擬樣機(jī)仿真手段與實物樣機(jī)試驗手段的教學(xué)環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供了一種便捷和開放的互動學(xué)習(xí)途徑，增進(jìn)了學(xué)生對急回特性的感性認(rèn)識和理性理解，為強(qiáng)化以學(xué)生為主體的教學(xué)模式和提高課堂教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了嘗試。

關(guān)鍵詞 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 急回特性 虛擬樣機(jī) 探索者

中圖分類號：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.011

Abstract In this paper， based on the quick-return characteristic of swinging guide rod mechanism， the teaching link combining virtual prototype simulation method and real prototype test method is designed， which provides a convenient and open way of interactive learning for students， and improves perceptual knowledge and rational understanding of the quick-return characteristic. Strengthening the teaching mode of with students as the main body and improve the quality of classroom teaching were made.

Keywords swinging guide rod mechanism; quick-return characteristic; virtual prototype; explorer

0 引言

急回特性是平面連桿機(jī)構(gòu)的重要運動特性之一，在實際應(yīng)用中，可以用來調(diào)節(jié)執(zhí)行件的往復(fù)運動速度，縮短空行程的時間，提高生產(chǎn)效率。[1-4]

擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)選取不同的構(gòu)件作為機(jī)架演化而成的，這種機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點是當(dāng)曲柄為主動件時，傳動角始終為90?；夹角寿Z沾笥？埃讜碩討瀉閿屑被靨匭裕虼斯惴旱撓τ糜諗M放俅病⒓蛞撞宕?、驮~皆聳浠突刈接捅玫然蕩爸彌小5]

1 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性

2 急回特性仿真研究

借助Solidworks軟件中的Motion多體動力學(xué)插件對擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模和仿真分析，有助于引導(dǎo)學(xué)生從“設(shè)計者”的角度參與到機(jī)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)。[6，7]

利用Solidworks建立的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型如圖2所示，機(jī)構(gòu)包含機(jī)架、曲柄、滑塊和導(dǎo)桿四個構(gòu)件。

在曲柄與機(jī)架連接的鉸鏈處添加一個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，設(shè)置其角速度 1為60rpm;設(shè)置仿真計算時間為1s。分別針對曲柄和機(jī)架的長度參數(shù)進(jìn)行單因素變化，通過運動學(xué)仿真，直觀比較各參數(shù)對擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)急回特性的影響情況。

2.1 曲柄長度對急回特性的影響

按表1所提供的三組機(jī)構(gòu)參數(shù)分別進(jìn)行建模，仿真得到不同曲柄長度Lab下從動件導(dǎo)桿的角速度變化情況，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著曲柄長度Lab的增加，導(dǎo)桿在慢行程所經(jīng)歷的時間（導(dǎo)桿角速度大于0的時間）占整個運動周期的比重也相應(yīng)增加，同時，快行程的最大返程速度也增大，即機(jī)構(gòu)急回特性更加明顯。

2.2 機(jī)架長度對急回特性的影響

按表2所提供的三組機(jī)構(gòu)參數(shù)分別進(jìn)行建模，仿真得到不同機(jī)架長度Lac下從動件導(dǎo)桿的角速度變化情況，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著機(jī)架長度Lac的縮短，導(dǎo)桿在慢行程所經(jīng)歷的時間占整個運動周期的比重也相應(yīng)增加，同時，快行程的最大返程速度也增大，即機(jī)構(gòu)急回特性更加明顯。

3 急回特性試驗研究

為驗證上述仿真分析的結(jié)論，采用“探索者”創(chuàng)新平臺模塊組件搭建的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖5所示。通過直流電機(jī)驅(qū)動曲柄，即可實現(xiàn)擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運動。

按照前文仿真實例的參數(shù)構(gòu)建不同的實物樣機(jī)。為獲得從動件導(dǎo)桿的急回特性，在導(dǎo)桿雙側(cè)極限位置（擺角最大位置）設(shè)置光電傳感器，記錄導(dǎo)桿每次運行到極限位置的時間，從而進(jìn)一步可計算出擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)快、慢行程所經(jīng)歷的時間。為降低試驗中時間測試誤差，為電機(jī)設(shè)置較低轉(zhuǎn)速6r/min。

表3為各組機(jī)構(gòu)參數(shù)下擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)快、慢行程用時的多次測試的平均值，以及根據(jù)式（1）計算得到的相應(yīng)行程變化系數(shù)K。

表3中實測數(shù)據(jù)反映的擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的急回特性與機(jī)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系與前文中仿真結(jié)論一致。

4 結(jié)束語

本文以擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為例，利用Solidworks Motion提供的仿真手段，通過對從動件導(dǎo)桿角加速度曲線的跟蹤，定性分析了不同機(jī)構(gòu)參數(shù)對機(jī)構(gòu)急回特性的影響規(guī)律。隨后，基于“探索者”創(chuàng)新平臺，通過實物樣機(jī)的構(gòu)建和試驗，為仿真結(jié)論提供了進(jìn)一步佐證。

通過在教學(xué)過程中引入仿真分析和實物試驗的實踐環(huán)節(jié)，相比傳統(tǒng)理論教學(xué)，提供了更加便捷和開放的學(xué)習(xí)途徑，加深了學(xué)生對機(jī)構(gòu)急回特性的感性認(rèn)識和理性理解，強(qiáng)化了以學(xué)生為主體的知識、理論、實踐一體化的教學(xué)，獲得了更好的教學(xué)效果。

2019年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目：基于虛擬樣機(jī)的多足行走機(jī)構(gòu)設(shè)計開發(fā)（201912807022Y）

參考文獻(xiàn)

[1] 曲輝，毛君，席本強(qiáng).平面連桿機(jī)構(gòu)急回特性討論[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005.24（4）：206-208.

[2] 王美蓉.具有急回特性的平面四桿機(jī)構(gòu)的比較與應(yīng)用研究[J].機(jī)械制造，2014.43（6）：43-45.

[3] 謝響明.平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的分析與應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2008（7）：55-56.

[4] 程引正.平面四桿機(jī)構(gòu)急回特性的討論及應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013（6）：154-155.

[5] 鄭文緯，吳克堅.機(jī)械原理（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2013.4.

[6] 劉文超.Solidworks在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018.7（32）：220-221.

[7] 李啟鵬，劉萬俊，仝崇樓，等.SolidWorks運動仿真的平面八連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械傳動，2009.33（1）：63-64.