基于NX運(yùn)動(dòng)仿真的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性教學(xué)研究

蔡舒旻 盛希寧

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213000）

基于NX運(yùn)動(dòng)仿真的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性教學(xué)研究

蔡舒旻 盛希寧

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213000）

文章就UG_NX軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能在四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索與研究，充分利用仿真軟件直觀、感性的優(yōu)勢(shì)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生利用軟件提供的功能進(jìn)行探索與學(xué)習(xí)，取得良好的教學(xué)效果。

運(yùn)動(dòng)仿真；急回特性；四桿機(jī)構(gòu)

四桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備中常見(jiàn)的典型機(jī)構(gòu)，在機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，是機(jī)械原理、機(jī)械基礎(chǔ)等機(jī)械專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程中的教學(xué)重點(diǎn)。在教學(xué)中，由于學(xué)生對(duì)該類(lèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)缺乏感性認(rèn)知，對(duì)于枯燥抽象的四桿機(jī)構(gòu)特性特性的推導(dǎo)難于理解，更是教學(xué)中的難點(diǎn)。

而作者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)在教學(xué)實(shí)踐中不斷摸索，發(fā)現(xiàn)通過(guò)引入機(jī)械設(shè)計(jì)CAD/CAE軟件并合理地通過(guò)信息化手段將四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)從抽象的公式推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為成為形象的動(dòng)畫(huà)演示過(guò)程，可以取得很好的教學(xué)效果。

一、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的建模與運(yùn)動(dòng)仿真

利用UG_NX軟件的造型功能，可以很容易地為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架、曲柄、搖桿和連架桿進(jìn)行單獨(dú)的建模，并用軟件的裝配功能將整個(gè)機(jī)構(gòu)裝配起來(lái)（如圖1所示）。

圖1 四桿機(jī)構(gòu)

其中AB為曲柄是最短桿、BC為連桿、CD為搖桿、AD為機(jī)架。為滿(mǎn)足曲柄存在條件，故設(shè)定AB桿的長(zhǎng)度為30mm，BC桿的長(zhǎng)度為100mm，CD桿的長(zhǎng)度為80mm，AD桿的長(zhǎng)度為120mm。

在裝配的過(guò)程中，AD桿為機(jī)架，因此需要完全約束，約束方式選擇固定；而其余三桿之間都是通過(guò)鉸鏈聯(lián)接，屬于旋轉(zhuǎn)副，因此約束方式可以選擇同心或同軸。

裝配完成以后，利用NX的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真，并在曲柄與機(jī)架的連接約束處設(shè)定運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式與參數(shù)。

通常情況下，曲柄由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)形式設(shè)定為繞A點(diǎn)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖2所示）。

具體步驟如下：選擇A點(diǎn)的聯(lián)接形式為旋轉(zhuǎn)副，選擇連桿為AB桿，指定坐標(biāo)系的原點(diǎn)暨旋轉(zhuǎn)中心為A點(diǎn)，選擇基座為機(jī)架AD桿。由于運(yùn)動(dòng)形式是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)形式為恒定，初始位移可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，默認(rèn)為零度；初始速度為便于學(xué)生觀察可以設(shè)定的慢一點(diǎn)，通常是1度每秒或2度每秒，加速度則為零。

圖2 設(shè)定驅(qū)動(dòng)形式

在教學(xué)中，可選擇2-3個(gè)運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行仿真；仿真的步長(zhǎng)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，步數(shù)越高則步長(zhǎng)越短，運(yùn)動(dòng)仿真的精度也越高，為保證仿真的準(zhǔn)確性通常不低于每秒2步的步長(zhǎng)。

以上參數(shù)設(shè)定完成以后，可通過(guò)UG_NX軟件的仿真計(jì)算進(jìn)行求解，生成該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)、運(yùn)動(dòng)軌跡及觀測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的位移、速度、加速度等參數(shù)值，并繪制出相關(guān)的s-t、v-t、a-t圖線(xiàn)等。

二、運(yùn)動(dòng)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式中，急回特性是通過(guò)繪圖分析極位

夾角的方式進(jìn)行講授的，這種講授的方式對(duì)于大多數(shù)學(xué)生過(guò)于抽象，難于在短時(shí)間內(nèi)理解和掌握。

引入NX仿真后可以將整個(gè)教學(xué)過(guò)程通過(guò)信息化手段從以下幾個(gè)方面具象出來(lái)呈現(xiàn)給學(xué)生。

（一）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)

通NX軟件可將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程生成仿真動(dòng)畫(huà)，在教學(xué)的過(guò)程中利用數(shù)字投影展示給學(xué)生。給學(xué)生以非常形象和直觀的第一印象。相交于傳統(tǒng)的教學(xué)手段，更容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生所接受而非抵觸。

通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示，除了讓學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有直觀印象外，還可以用暫停功能找出機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)往返行程達(dá)到極限位置的各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的對(duì)比，來(lái)發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中搖桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)行程中存在用時(shí)不等的情況，從而導(dǎo)入到急回特性的課題中。

（二）s-t及v-t曲線(xiàn)

通過(guò)NX的仿真計(jì)算，可以生成改機(jī)構(gòu)上某個(gè)指定點(diǎn)的位移與時(shí)間、速度與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的s-t及v-t曲線(xiàn)，利用NX的雙窗口功能，可以將機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)與s-t或v-t曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，觀察任一時(shí)間點(diǎn)機(jī)構(gòu)上某點(diǎn)的位移或速度。

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)與v-t圖像同步顯示

圖3展示的是該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的中搖桿上C點(diǎn)的v-t曲線(xiàn)和機(jī)構(gòu)動(dòng)畫(huà)在某一特殊時(shí)刻的截圖，從動(dòng)畫(huà)截圖中可以看出該機(jī)構(gòu)中搖桿正處于回程結(jié)束的極限位置（曲柄和連桿重疊）；同時(shí)通過(guò)v-t曲線(xiàn)可以觀察到此時(shí)C點(diǎn)的瞬時(shí)速度為最小值，同時(shí)也能讀出運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)所需要的時(shí)間為t=222s。

在教學(xué)過(guò)程中教師可以引導(dǎo)學(xué)生觀察極限位置左右的兩個(gè)v-t曲線(xiàn)的半波幅值和波形來(lái)分析搖桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)特性。左側(cè)半波的曲線(xiàn)較右側(cè)半波的曲線(xiàn)形狀來(lái)得陡峭，學(xué)生結(jié)合其數(shù)學(xué)和物理相關(guān)課程的知識(shí)很快能分析出搖桿往復(fù)行程的速度不同，左側(cè)行程的平均速度明顯要快于右側(cè)平均速度。

利用v-t曲線(xiàn)圖像可以很容易地將原本復(fù)雜的幾何關(guān)系分析和公式推導(dǎo)轉(zhuǎn)換成形象直觀的圖表，讓學(xué)生非常容易地從定性分析上形成急回特性的相關(guān)概念和印象。

在學(xué)生獲得形象感知和定性認(rèn)識(shí)以后，教師再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行定量的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證其定性分析的結(jié)果是否正確。

教師指導(dǎo)學(xué)生利用UG_NX軟件測(cè)量得出各個(gè)極限位置的時(shí)刻T1、T2、T3，然后利用公式：

計(jì)算出該機(jī)構(gòu)搖桿的行程速比系數(shù)K。

通過(guò)計(jì)算，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)回程所需時(shí)間小于工作行程所需時(shí)間，由于兩個(gè)行程位移相同，即可得出回程的平均速度大于工作行程平均速度的結(jié)論，其比值可用行程速比系數(shù)K來(lái)表征。

通過(guò)以上定性分析和定量計(jì)算，可以使學(xué)生從感性認(rèn)知到理性分析更加全面和深入地理解四桿機(jī)構(gòu)的急回特性這一特點(diǎn)，達(dá)到理想的教學(xué)效果。

三、結(jié)論

通過(guò)教學(xué)中的實(shí)踐和探索，作者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在機(jī)械基礎(chǔ)課程中引入U(xiǎn)G_NX的運(yùn)動(dòng)仿真功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)方式有如下優(yōu)勢(shì)：1.可以更好地創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；2.提供更加直觀地感性認(rèn)知呈現(xiàn)，便于學(xué)生理解和接受；3.利用仿真功能可以很輕易地改變機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便學(xué)生探索機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；4.引入行業(yè)前沿技術(shù)，拓展學(xué)生專(zhuān)業(yè)視野。從而起到更好的教學(xué)效果。

[1]李蘇紅，劉記，左春檉.基于CATIAV5的四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（6）.

[2]王孝平，龍偉，耿靜華，等.平面四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械工程師，2009（1）.

[3]謝朝暉.Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真在平面四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2010（4）.

[4]余海寧.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].現(xiàn)代機(jī)械，2007（1）.

The paper researched the application of movement simulation of UG_NX software in the teaching of the motion characteristics of four-bar mechanisms.We made full use of the advantages of this software to create teaching situations and guided students to explore and study with the help of its various functions,which has achieved good teaching effect.

motion simulation;quick return characteristics;four bar mechanisms

G642

A

2096-000X（2016）23-0091-02

蔡舒旻 （1982，10-），男，籍貫：江蘇常州，學(xué)歷：本科，講師，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化；盛希寧（1981-），女，籍貫：江蘇常州，學(xué)歷：碩士研究生，講師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。