一種動(dòng)感的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究綜述

熊艷紅+朱志強(qiáng)

【摘 要】鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)一直是機(jī)械課堂教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而傳統(tǒng)的教學(xué)方式晦澀難懂，教學(xué)效果差。為激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，挖掘?qū)W生的潛能，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力和激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，并將生硬的課本知識(shí)具體化、生動(dòng)化、形象化地展示給學(xué)生，項(xiàng)目組擬研制一種動(dòng)感的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，重點(diǎn)對(duì)擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的研究背景、研究目的和意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，并項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；綜述

0 研究背景

百年大計(jì)，教育為本。隨著人們對(duì)教育的日益重視，教育教學(xué)質(zhì)量成為人們?cè)桨l(fā)關(guān)注的問(wèn)題。現(xiàn)今學(xué)校的教學(xué)方式多為黑板或投影儀教學(xué)，過(guò)程枯燥，缺乏趣味性和娛樂(lè)性，往往老師花費(fèi)很大的氣力講解，學(xué)生卻不能很好地理解所講的知識(shí)，雖然也有到實(shí)驗(yàn)室利用教具上課的課時(shí)，但現(xiàn)有的教學(xué)器材普遍存在外形呆板、功能單一、體積龐大、缺乏生動(dòng)活潑性等等問(wèn)題，這不僅使教學(xué)工作無(wú)法順利展開(kāi)，而且大大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。為了解決以上問(wèn)題，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了奔騰的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，挖掘?qū)W生的潛能，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力，激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，并將學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)碎片整理融合為一體從而更好的應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，因此，設(shè)計(jì)出能夠使課堂教學(xué)更加豐富、更具吸引力的機(jī)械實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這也將是未來(lái)課堂教具發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 研究目的和意義

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)一直是機(jī)械原理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，但目前高校在機(jī)械原理課程教學(xué)中對(duì)該知識(shí)點(diǎn)仍普遍釆用傳統(tǒng)教學(xué)模式，對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析、演示和實(shí)驗(yàn)主要采用圖解法和解析法。圖解法雖形象直觀但一張圖紙只能了解機(jī)構(gòu)的某個(gè)或某幾個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)特性且準(zhǔn)確性差，當(dāng)對(duì)機(jī)構(gòu)一系列位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，需要反復(fù)作圖，真正進(jìn)行起來(lái)也很繁瑣、采用解析法并借助計(jì)算機(jī)雖能精確的獲得一系列位置的分析結(jié)果，但計(jì)算機(jī)程序編制十分繁瑣，且不能實(shí)現(xiàn)變參數(shù)分析由于這兩種方法的局限性，很大程度上影響了學(xué)生的積極性和教學(xué)質(zhì)量。加之學(xué)校每年購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的經(jīng)費(fèi)有限，陳舊老化和復(fù)雜昂貴的教學(xué)儀器己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的硬件要求，尤其隨著學(xué)生人數(shù)的增加，大型實(shí)驗(yàn)儀器在數(shù)量上也經(jīng)受著巨大挑戰(zhàn)，這樣不可避免地會(huì)影響教學(xué)質(zhì)量。另外在機(jī)械原理課程教學(xué)中，由于學(xué)校場(chǎng)所及教學(xué)環(huán)境的限制，往往很難在課堂上配備相應(yīng)的大型機(jī)械實(shí)體模型和大型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)中缺乏對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直觀了解。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)用計(jì)算機(jī)程序和仿真軟件對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和虛擬模擬的，但這往往是紙上談兵，許多現(xiàn)象和規(guī)律往往和實(shí)際情況是不相符的。國(guó)外文獻(xiàn)有關(guān)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)這一領(lǐng)域的研究主要停留在理論研究與分析，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究以及實(shí)驗(yàn)到目前為止在相關(guān)文獻(xiàn)中沒(méi)有查詢(xún)到。部分文獻(xiàn)對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的研究主要停留在手動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一次只能簡(jiǎn)單的演示鉸鏈四個(gè)機(jī)構(gòu)的多個(gè)狀態(tài)的其中一個(gè)狀態(tài)，缺乏連貫性和生動(dòng)趣味性。綜上，目前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置都不能自動(dòng)一條龍的演示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的所有狀態(tài)，不能實(shí)時(shí)數(shù)字顯示漸變的桿長(zhǎng)和實(shí)時(shí)激光描繪桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，也不能沿光桿可隨意的向上奔騰，資料文獻(xiàn)也沒(méi)有相關(guān)理論研究，這和大學(xué)生的生動(dòng)活潑的天性不相匹配，不利于激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，挖掘?qū)W生的潛能，激活學(xué)生的創(chuàng)造力，不便于將生硬的課本知識(shí)具體化、生動(dòng)化、形象化地展示給學(xué)生，達(dá)到事半功倍的效果， 為此本項(xiàng)目組研制一套動(dòng)感的鉸鏈四個(gè)機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

研究?jī)?nèi)容：

本課題在三維建模和動(dòng)畫(huà)仿真的基礎(chǔ)上，研制一套動(dòng)感的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可自動(dòng)一條龍的演示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的所有狀態(tài)，具體內(nèi)容如下：

1）研制一套四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)漸變伸長(zhǎng)裝置，該裝置可使桿長(zhǎng)逐漸的伸長(zhǎng)和縮短，從而促使四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)和條件發(fā)生改變，進(jìn)而保證鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各個(gè)狀態(tài)的逐漸變化；

2）研制一套四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)突變伸長(zhǎng)裝置，該裝置可使桿長(zhǎng)突然的伸長(zhǎng)和縮短，從而促使四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)和條件發(fā)生突變，進(jìn)而保證鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各個(gè)狀態(tài)的突然變化。

3）研制一套單向滑塊裝置，該滑塊向上自動(dòng)解鎖，向下自動(dòng)鎖死，從而使機(jī)構(gòu)主體在曲柄滑塊狀態(tài)時(shí)沿光桿能夠自由的向上奔騰。

4）研制一套螺旋卡環(huán)離合裝置，該裝置可使相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩根桿輕松自動(dòng)對(duì)接為一根桿，實(shí)現(xiàn)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)快速自動(dòng)變換。

5）研制一套鎖緊機(jī)構(gòu)，利用該機(jī)構(gòu)使實(shí)驗(yàn)臺(tái)在演示雙曲柄、曲柄搖桿狀態(tài)時(shí)在導(dǎo)向桿上固定不動(dòng)，而在演示雙曲柄滑塊狀態(tài)時(shí)在導(dǎo)線桿上自動(dòng)解鎖上下滑動(dòng)。

6）研制一套數(shù)顯裝置，利用該裝置可實(shí)時(shí)數(shù)字顯示不斷變動(dòng)的桿長(zhǎng)。

7）研制一套激光描述軌跡裝置，利用該裝置可實(shí)時(shí)動(dòng)感的描繪桿運(yùn)動(dòng)軌跡。

8）研制一套控制和電氣系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可自由的控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：

1）解決鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)狀態(tài)自動(dòng)連貫動(dòng)感演示的問(wèn)題。四桿機(jī)構(gòu)的單個(gè)狀態(tài)易于演示，但將四桿機(jī)構(gòu)的各種變化狀態(tài)生動(dòng)活潑的展示給學(xué)生，使學(xué)生“玩中學(xué)，學(xué)中玩”是本課題的一個(gè)難點(diǎn)。

2）解決相對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的兩根桿在某一時(shí)刻輕松自動(dòng)在規(guī)定角度對(duì)接為一根桿的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)快速自動(dòng)變換，只有兩桿順利合一，才能使自由度為2的不具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的五桿機(jī)構(gòu)順利轉(zhuǎn)化為自由度為1具有確定運(yùn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)。

3）解決沿光桿自由的向上奔騰的難題。該裝置應(yīng)向上自動(dòng)解鎖，向下自動(dòng)鎖死，向上自動(dòng)解鎖和向下自動(dòng)鎖死是一對(duì)相互矛盾的問(wèn)題，如何找到兩者的平衡點(diǎn)相當(dāng)重要。

4）解決在演示雙曲柄、曲柄搖桿狀態(tài)時(shí)在導(dǎo)向桿上固定不動(dòng)，而在演示雙曲柄滑塊狀態(tài)時(shí)在導(dǎo)線桿上自動(dòng)解鎖上下滑動(dòng)的問(wèn)題。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：田吉捷]