四桿機(jī)構(gòu)案例在機(jī)械原理教學(xué)中的應(yīng)用

胡寧寧 王崧全

摘要：機(jī)械原理是機(jī)械專業(yè)中研究機(jī)械共性的一門主干技術(shù)課。它的任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本理論和基本技能，并初步具有擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案、分析和設(shè)計(jì)的能力。此次機(jī)械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓形的四桿機(jī)構(gòu)，將四桿機(jī)構(gòu)案例設(shè)計(jì)穿插于整個(gè)學(xué)期。用機(jī)械原理知識(shí)點(diǎn)負(fù)責(zé)物料輸送裝置的設(shè)計(jì)及工作原理，第一組查找四桿機(jī)構(gòu)圖譜，得到軌跡類似橢圓的桿件尺寸，第二組三維軟件Pro/E5.0中裝配機(jī)構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS/View中，驗(yàn)證物料輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)中構(gòu)件布局提供一定參照依據(jù)。

Abstract： Mechanical principle is a main technical course for the study of mechanical commonality in mechanical majors. Its task is to enable students to master the basic theories and basic skills of mechanism and mechanical dynamics， and initially have the ability to draw up mechanical motion schemes， analyze and design. The teaching reform of mechanical principles guided students to design a four-bar mechanism with a motion trajectory similar to an ellipse， and the case design of the four-bar mechanism was interspersed throughout the semester. Responsible for the design and working principle of the material conveying device with the knowledge points of mechanical principles. The first group searches for the four-bar mechanism map and obtains the size of the rods with elliptical trajectories. The second group assembles the mechanism model in the 3D software Pro/E5.0 and imports it into ADAMS In /View， verify the relationship between the movement pairs of the material conveying mechanism and provide a certain reference basis for the component layout in actual production.

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;四桿機(jī)構(gòu);橢圓軌跡;ADAMS/View

Key words： mechanical principle;four-bar mechanism;elliptical trajectory;ADAMS/View

中圖分類號(hào)：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0237-02

1? 現(xiàn)狀與背景

機(jī)械原理是一門以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象的學(xué)科。它是以高等數(shù)學(xué)、普通物理、機(jī)械制圖級(jí)理論力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又為以后學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和有關(guān)專業(yè)課程以及掌握新的科學(xué)技術(shù)成就打好工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并能使學(xué)生受到一些必要的、嚴(yán)格的基本技能和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。因此，《高等工業(yè)學(xué)校機(jī)械原理課程數(shù)學(xué)基本要求（機(jī)械類專業(yè)適用）》明確指出：機(jī)械原理是機(jī)械專業(yè)中研究機(jī)械共性的一門主干技術(shù)課。教學(xué)目標(biāo)分別為：理解機(jī)構(gòu)的組成原理，根據(jù)已有機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析該機(jī)構(gòu)或由其組成的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性;能夠根據(jù)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求，確定機(jī)構(gòu)和機(jī)器的型式、結(jié)構(gòu)尺寸和主要參數(shù);能夠根據(jù)機(jī)器的特定功能需求，擬定其運(yùn)動(dòng)方案，設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu)。但是課堂教學(xué)中的例子間相對(duì)獨(dú)立，沒有完整的案例分析，學(xué)生考試成績只能反映對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解程度，并不能反應(yīng)出對(duì)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用獨(dú)立創(chuàng)作能力。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性、提高學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力，在教學(xué)過程中結(jié)合新型設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中綜合運(yùn)用課堂教學(xué)中學(xué)到的獨(dú)立機(jī)構(gòu)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中結(jié)合自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，啟發(fā)思維，開拓創(chuàng)新。

平面連桿機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)，其他多桿機(jī)構(gòu)都是在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充桿組而成，此次機(jī)械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓形的四桿機(jī)構(gòu)，將課程設(shè)計(jì)穿插于整個(gè)學(xué)期，將課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度分為幾個(gè)階段進(jìn)行，將其穿插于整個(gè)學(xué)期之中。

以江蘇師范大學(xué)18機(jī)61班學(xué)生為對(duì)象，組織16名學(xué)生進(jìn)行了生產(chǎn)線送料機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案。學(xué)生分為兩組，每組8人，用機(jī)械原理知識(shí)點(diǎn)負(fù)責(zé)鐵殼輸送裝置的設(shè)計(jì)及工作原理。通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固及不同方法的學(xué)習(xí)。第一組用圖解法，第二組用解析法。

2? 鐵殼輸送裝置設(shè)計(jì)及工作原理

此鐵殼輸送裝置主要構(gòu)件為電機(jī)、軸承座、帶輪、連架桿、推桿。動(dòng)力部分是由伺服電機(jī)提供，連接帶同步帶實(shí)現(xiàn)兩組四桿機(jī)構(gòu)的并行運(yùn)動(dòng)，要求軌跡與預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡吻合，達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)效果。其中四桿機(jī)構(gòu)是輸送部分的主要部分，“L”型推抓是四桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上的演化，共同實(shí)現(xiàn)物料輸送程序。

2.1 圖譜法進(jìn)行預(yù)期軌跡四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最簡單、應(yīng)用最廣泛的四桿機(jī)構(gòu)。低副面接觸使其承載能力強(qiáng)，磨損較低，并且四桿機(jī)構(gòu)的接觸靠本身的幾何封閉來維系，不需要力封閉保持連續(xù)接觸。此次設(shè)計(jì)要解決的問題為實(shí)現(xiàn)已知運(yùn)動(dòng)軌跡，即要求機(jī)構(gòu)上某點(diǎn)精確或近似按給定軌跡運(yùn)動(dòng)。桿件機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有解析法、圖解法、建模實(shí)驗(yàn)法三種方法。

圖解法是利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)副之間的幾何關(guān)系，作圖獲得機(jī)構(gòu)位置、尺寸、運(yùn)動(dòng)規(guī)律，工作量大，精度不高。因此設(shè)計(jì)中，建議學(xué)生選擇圖譜法，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到類似橢圓軌跡的桿件尺寸，進(jìn)而繪制四桿機(jī)構(gòu)簡圖，最后選擇合適比例尺，圖1為四桿機(jī)構(gòu)簡圖，具體參數(shù)為曲柄167mm，連桿285mm，搖桿125mm，機(jī)架292mm。四桿機(jī)構(gòu)的桿件尺寸之間的關(guān)系c+d？燮a+b滿足桿長之和條件，其中最短桿c連接機(jī)架，所以所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上連接“L”型推抓，完成四桿機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上的演化，共同實(shí)現(xiàn)物料輸送程序。

2.2 解析法進(jìn)行預(yù)期軌跡四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二組采用解析法，精度高，直觀性差，計(jì)算量大。因此先用三維軟件Pro/E5.0建立模型，然后將三維軟件Pro/E5.0中裝配完成的模型導(dǎo)入ADAMS/View中，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與求解、模型與求解結(jié)果可視化處理。與此同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖2為Pro/E5.0中鐵殼輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副圖，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到圖3中四個(gè)位置，分別為物料輸送機(jī)構(gòu)在推程、下降、回程和休止四個(gè)過程中的位置關(guān)系，完成運(yùn)動(dòng)軌跡可控間歇運(yùn)動(dòng)。從圖3可知機(jī)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件空間位置基本合理，不存在運(yùn)動(dòng)干涉，進(jìn)而對(duì)前一組圖譜法設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。兩組設(shè)計(jì)都為實(shí)際生產(chǎn)中構(gòu)件布局提供一定參照依據(jù)。

3? 總結(jié)

此次機(jī)械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓形的四桿機(jī)構(gòu)，分別采用了圖解法和解析法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足了連桿機(jī)構(gòu)中某一構(gòu)件精確或近似的運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到了課程教學(xué)最高目標(biāo)。教學(xué)改革的宗旨是以學(xué)生為中心，對(duì)教學(xué)目標(biāo)提出更高要求，應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)優(yōu)秀畢業(yè)生與合格工程師為落腳點(diǎn)，再接再厲，設(shè)計(jì)更多優(yōu)秀案例與課堂教學(xué)相輔相成，推動(dòng)機(jī)械原理課程的教學(xué)改革、激勵(lì)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]浮宗霞，陳凡.地方應(yīng)用型高校機(jī)械類專業(yè)機(jī)械原理課程教學(xué)改革與探索[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（10）：47-48.

[2]楊帆.軌跡生成四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化及仿真研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2016（10）：35-39.

[3]周坪，胡寧寧，何貞志，等.一種油漆刷鐵殼自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)及方法[P]：CN106424329A，2017-02-22.

[4]安軍，汪建曉，陳就，范勁.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革綜述及探討[J].高教學(xué)刊，2020（30）：134-137.

[5]陳雪輝，袁根福.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革的實(shí)踐[J].中小企業(yè)管理與科技，2012（06）：224-225.