虛擬教學儀器在平面連桿機構教學中的應用

【摘要】機構學是開啟“機械智慧”的一把金鑰匙。平面連桿機構作為最基本的機構，其教學效果的好壞將直接影響到學生對機械專業的興趣。本文旨在探索一種新穎的平面連桿機構教學方法，以曲柄滑塊機構為例，根據機構運動學分析結果，利用MATLAB語言，制作了曲柄滑塊機構的虛擬教學儀器。達到教學效果的同時，激發學生對機械學的興趣，并且可以鍛煉學生的邏輯思維和形象思維能力。

【關鍵詞】機構教學 虛擬教學儀器 平面連桿 曲柄滑塊

一、前言

平面連桿機構是《機械基礎》的基本內容，也是教學的重點和難點之一。為了達到良好的教學效果，可以通過實物教學儀器或者機構運動動畫，讓學生更直觀地感受平面連桿機構各個桿件之間的運動傳遞過程，但實物教學儀器往往在種類和數量上有所限制。運用三維繪圖軟件SolidWorks、pro/e等可以直接做出各種平面連桿機構的運動動畫，并且不受種類和數量上的限制。然而，利用三維軟件制作動畫“重結果，輕過程”，不益于鍛煉學生的邏輯思維能力，也不益于鍛煉學生的分析問題和解決問題的能力。針對這一問題，本文探索性地將虛擬教學儀器引入到平面連桿機構的教學中。

二、機構運動分析

在平面連桿機構中，對心曲柄滑塊機構的運動復雜程度較適中，在充分考慮教學效果和學生可接受能力的前提下，選定曲柄滑塊機構作為機構運動分析的對象。根據基本的幾何學和三角函數知識，曲柄滑塊機構的運動分析如下。

三、虛擬教學儀器的編制

MATLAB語言語法規則簡單，計算功能強大，具有強大的圖形繪制和處理功能。本文利用MATLAB語言來制作曲柄滑塊機構的虛擬教學儀器，使得學生對計算機編程技術有個初步的認識和了解，讓學生知道當前處理數學問題的基本手段和方法。根據式（2），編制相應的計算程序（源程序見附錄），可以得到曲柄滑塊機構的運動動畫。

選取曲柄長度r=1，連桿長度l=5，代入式（2）中，可以模擬出曲柄滑塊機構的運動情況。圖（2）給出了曲柄滑塊機構在一個周期內的運動情況。

從圖2中可以清晰地看出曲柄滑塊機構的運動過程。圖2（a）和圖2（e）分別給出了曲柄滑塊機構在曲柄和連桿“拉直共線”位置，也就是滑塊在兩個極限位置的機構運動情況。圖2（c）和圖2（g）還給出了連桿與滑塊運動軌跡所成夾角為最大值的機構運動情況。這些特殊的機構運動位置，都可以從機構運動動畫中直觀地得到。

四、總結

本文提出了一種新穎的平面連桿機構教學方法，探索性地將虛擬教學儀器運用到平面連桿機構的教學中。以曲柄滑塊機構為例，分析了曲柄滑塊機構的運動方程，并編制了相應的分析程序。通過虛擬教學儀器，可以直觀方便地得到曲柄滑塊機構的運動過程，以及機構在運動過程的特殊位置。在虛擬教學儀器的編制過程中，可以鍛煉學生的邏輯思維能力，訓練學生分析問題的能力，激發學生對機械學的興趣。