四桿機構(gòu)案例在機械原理教學(xué)中的應(yīng)用

胡寧寧 王崧全

摘要：機械原理是機械專業(yè)中研究機械共性的一門主干技術(shù)課。它的任務(wù)是使學(xué)生掌握機構(gòu)學(xué)和機械動力學(xué)的基本理論和基本技能，并初步具有擬定機械運動方案、分析和設(shè)計的能力。此次機械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構(gòu)，將四桿機構(gòu)案例設(shè)計穿插于整個學(xué)期。用機械原理知識點負責(zé)物料輸送裝置的設(shè)計及工作原理，第一組查找四桿機構(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中裝配機構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS/View中，驗證物料輸送機構(gòu)運動副關(guān)系，為實際生產(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：機械原理;四桿機構(gòu);橢圓軌跡;ADAMS/View

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

中圖分類號：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0237-02

1? 現(xiàn)狀與背景

機械原理是一門以機器和機構(gòu)為研究對象的學(xué)科。它是以高等數(shù)學(xué)、普通物理、機械制圖級理論力學(xué)等課程為基礎(chǔ)，同時又為以后學(xué)習(xí)機械設(shè)計和有關(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)校機械原理課程數(shù)學(xué)基本要求（機械類專業(yè)適用）》明確指出：機械原理是機械專業(yè)中研究機械共性的一門主干技術(shù)課。教學(xué)目標(biāo)分別為：理解機構(gòu)的組成原理，根據(jù)已有機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析該機構(gòu)或由其組成的機器的運動學(xué)和動力學(xué)特性;能夠根據(jù)預(yù)期的運動學(xué)和動力學(xué)要求，確定機構(gòu)和機器的型式、結(jié)構(gòu)尺寸和主要參數(shù);能夠根據(jù)機器的特定功能需求，擬定其運動方案，設(shè)計新的機構(gòu)。但是課堂教學(xué)中的例子間相對獨立，沒有完整的案例分析，學(xué)生考試成績只能反映對基礎(chǔ)知識的理解程度，并不能反應(yīng)出對知識點的應(yīng)用獨立創(chuàng)作能力。為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性、提高學(xué)生的知識應(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，在設(shè)計過程中綜合運用課堂教學(xué)中學(xué)到的獨立機構(gòu)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中結(jié)合自主創(chuàng)新設(shè)計，啟發(fā)思維，開拓創(chuàng)新。

平面連桿機構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機構(gòu)，其他多桿機構(gòu)都是在此基礎(chǔ)上擴充桿組而成，此次機械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構(gòu)，將課程設(shè)計穿插于整個學(xué)期，將課程設(shè)計的進度分為幾個階段進行，將其穿插于整個學(xué)期之中。

以江蘇師范大學(xué)18機61班學(xué)生為對象，組織16名學(xué)生進行了生產(chǎn)線送料機構(gòu)的機械系統(tǒng)設(shè)計的總體方案。學(xué)生分為兩組，每組8人，用機械原理知識點負責(zé)鐵殼輸送裝置的設(shè)計及工作原理。通過對知識點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)計及工作原理

此鐵殼輸送裝置主要構(gòu)件為電機、軸承座、帶輪、連架桿、推桿。動力部分是由伺服電機提供，連接帶同步帶實現(xiàn)兩組四桿機構(gòu)的并行運動，要求軌跡與預(yù)期運動軌跡吻合，達到設(shè)計運動效果。其中四桿機構(gòu)是輸送部分的主要部分，“L”型推抓是四桿機構(gòu)基礎(chǔ)上的演化，共同實現(xiàn)物料輸送程序。

2.1 圖譜法進行預(yù)期軌跡四桿機構(gòu)設(shè)計

考慮機構(gòu)運動精度，設(shè)計結(jié)構(gòu)最簡單、應(yīng)用最廣泛的四桿機構(gòu)。低副面接觸使其承載能力強，磨損較低，并且四桿機構(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)計要解決的問題為實現(xiàn)已知運動軌跡，即要求機構(gòu)上某點精確或近似按給定軌跡運動。桿件機構(gòu)的設(shè)計方法有解析法、圖解法、建模實驗法三種方法。

圖解法是利用機構(gòu)運動過程中運動副之間的幾何關(guān)系，作圖獲得機構(gòu)位置、尺寸、運動規(guī)律，工作量大，精度不高。因此設(shè)計中，建議學(xué)生選擇圖譜法，依據(jù)經(jīng)驗得到類似橢圓軌跡的桿件尺寸，進而繪制四桿機構(gòu)簡圖，最后選擇合適比例尺，圖1為四桿機構(gòu)簡圖，具體參數(shù)為曲柄167mm，連桿285mm，搖桿125mm，機架292mm。四桿機構(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連接機架，所以所設(shè)計機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)。在此基礎(chǔ)上連接“L”型推抓，完成四桿機構(gòu)基礎(chǔ)上的演化，共同實現(xiàn)物料輸送程序。（表1）

2.2 解析法進行預(yù)期軌跡四桿機構(gòu)設(shè)計

第二組采用解析法，精度高，直觀性差，計算量大。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。與此同時優(yōu)化結(jié)構(gòu)、完善產(chǎn)品設(shè)計。

圖2為Pro/E5.0中鐵殼輸送機構(gòu)的運動副圖，對模型進行動態(tài)仿真，得到圖3中四個位置，分別為物料輸送機構(gòu)在推程、下降、回程和休止四個過程中的位置關(guān)系，完成運動軌跡可控間歇運動。從圖3可知機構(gòu)中各個構(gòu)件空間位置基本合理，不存在運動干涉，進而對前一組圖譜法設(shè)計機構(gòu)的合理性進行了驗證。兩組設(shè)計都為實際生產(chǎn)中構(gòu)件布局提供一定參照依據(jù)。

3? 總結(jié)

此次機械原理教學(xué)改革就引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構(gòu)，分別采用了圖解法和解析法，實現(xiàn)了設(shè)定運動軌跡，滿足了連桿機構(gòu)中某一構(gòu)件精確或近似的運動軌跡，達到了課程教學(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，再接再厲，設(shè)計更多優(yōu)秀案例與課堂教學(xué)相輔相成，推動機械原理課程的教學(xué)改革、激勵創(chuàng)新。

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