基于仿真與試驗平臺的擺動導桿機構急回特性教學研究

張蔚 喬生紅 張永其

摘 要 以擺動導桿機構急回特性的教學為例，設計了結合虛擬樣機仿真手段與實物樣機試驗手段的教學環節，為學生提供了一種便捷和開放的互動學習途徑，增進了學生對急回特性的感性認識和理性理解，為強化以學生為主體的教學模式和提高課堂教學質量進行了嘗試。

關鍵詞 擺動導桿機構 急回特性 虛擬樣機 探索者

中圖分類號：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.10.011

Abstract In this paper， based on the quick-return characteristic of swinging guide rod mechanism， the teaching link combining virtual prototype simulation method and real prototype test method is designed， which provides a convenient and open way of interactive learning for students， and improves perceptual knowledge and rational understanding of the quick-return characteristic. Strengthening the teaching mode of with students as the main body and improve the quality of classroom teaching were made.

Keywords swinging guide rod mechanism; quick-return characteristic; virtual prototype; explorer

0 引言

急回特性是平面連桿機構的重要運動特性之一，在實際應用中，可以用來調節執行件的往復運動速度，縮短空行程的時間，提高生產效率。[1-4]

擺動導桿機構是由曲柄滑塊機構選取不同的構件作為機架演化而成的，這種機構最大的優點是當曲柄為主動件時，傳動角始終為90埃患薪鞘賈沾笥？埃讜碩討瀉閿屑被靨匭裕虼斯惴旱撓τ糜諗M放俅病⒓蛞撞宕病⑼詞皆聳浠突刈接捅玫然蕩爸彌小5]

1 擺動導桿機構的急回特性

2 急回特性仿真研究

借助Solidworks軟件中的Motion多體動力學插件對擺動導桿機構進行虛擬樣機建模和仿真分析，有助于引導學生從“設計者”的角度參與到機構設計的教學環節。[6，7]

利用Solidworks建立的擺動導桿機構虛擬樣機模型如圖2所示，機構包含機架、曲柄、滑塊和導桿四個構件。

在曲柄與機架連接的鉸鏈處添加一個旋轉馬達，設置其角速度 1為60rpm;設置仿真計算時間為1s。分別針對曲柄和機架的長度參數進行單因素變化，通過運動學仿真，直觀比較各參數對擺動導桿機構急回特性的影響情況。

2.1 曲柄長度對急回特性的影響

按表1所提供的三組機構參數分別進行建模，仿真得到不同曲柄長度Lab下從動件導桿的角速度變化情況，如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著曲柄長度Lab的增加，導桿在慢行程所經歷的時間（導桿角速度大于0的時間）占整個運動周期的比重也相應增加，同時，快行程的最大返程速度也增大，即機構急回特性更加明顯。

2.2 機架長度對急回特性的影響

按表2所提供的三組機構參數分別進行建模，仿真得到不同機架長度Lac下從動件導桿的角速度變化情況，如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著機架長度Lac的縮短，導桿在慢行程所經歷的時間占整個運動周期的比重也相應增加，同時，快行程的最大返程速度也增大，即機構急回特性更加明顯。

3 急回特性試驗研究

為驗證上述仿真分析的結論，采用“探索者”創新平臺模塊組件搭建的擺動導桿機構，如圖5所示。通過直流電機驅動曲柄，即可實現擺動導桿機構的運動。

按照前文仿真實例的參數構建不同的實物樣機。為獲得從動件導桿的急回特性，在導桿雙側極限位置（擺角最大位置）設置光電傳感器，記錄導桿每次運行到極限位置的時間，從而進一步可計算出擺動導桿機構快、慢行程所經歷的時間。為降低試驗中時間測試誤差，為電機設置較低轉速6r/min。

表3為各組機構參數下擺動導桿機構快、慢行程用時的多次測試的平均值，以及根據式（1）計算得到的相應行程變化系數K。

表3中實測數據反映的擺動導桿機構的急回特性與機構參數的關系與前文中仿真結論一致。

4 結束語

本文以擺動導桿機構為例，利用Solidworks Motion提供的仿真手段，通過對從動件導桿角加速度曲線的跟蹤，定性分析了不同機構參數對機構急回特性的影響規律。隨后，基于“探索者”創新平臺，通過實物樣機的構建和試驗，為仿真結論提供了進一步佐證。

通過在教學過程中引入仿真分析和實物試驗的實踐環節，相比傳統理論教學，提供了更加便捷和開放的學習途徑，加深了學生對機構急回特性的感性認識和理性理解，強化了以學生為主體的知識、理論、實踐一體化的教學，獲得了更好的教學效果。

2019年江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目：基于虛擬樣機的多足行走機構設計開發（201912807022Y）

參考文獻

[1] 曲輝，毛君，席本強.平面連桿機構急回特性討論[J].遼寧工程技術大學學報，2005.24（4）：206-208.

[2] 王美蓉.具有急回特性的平面四桿機構的比較與應用研究[J].機械制造，2014.43（6）：43-45.

[3] 謝響明.平面四桿機構急回特性的分析與應用[J].裝備制造技術，2008（7）：55-56.

[4] 程引正.平面四桿機構急回特性的討論及應用[J].機械研究與應用，2013（6）：154-155.

[5] 鄭文緯，吳克堅.機械原理（第7版）[M].北京：高等教育出版社，2013.4.

[6] 劉文超.Solidworks在曲柄搖桿機構設計教學中的應用研究[J].中國戰略新興產業，2018.7（32）：220-221.

[7] 李啟鵬，劉萬俊，仝崇樓，等.SolidWorks運動仿真的平面八連桿機構優化設計[J].機械傳動，2009.33（1）：63-64.