基于3D打印的曲柄搖桿機構(gòu)實驗設(shè)計

雷蔓 何曉芬 丁學(xué)鳳 張衛(wèi)華 仇磊 聶祥榮

摘要：對《機械原理》課程中的 “平面機構(gòu)分析與設(shè)計”內(nèi)容設(shè)計了實驗，選取一個曲柄搖桿機構(gòu)為例，對其進行三維建模、運動仿真、運動分析及3D打印，從仿真驗證理論、實物模型驗證仿真這樣一條主線進行實驗設(shè)計，使學(xué)生邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊做，學(xué)生除了學(xué)到曲柄搖桿機構(gòu)的知識外，還掌握了三維建模技術(shù)、運動仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)，該實驗?zāi)軌蚴箤W(xué)習(xí)對象更為具體，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：曲柄搖桿機構(gòu);運動仿真;3D打印;實驗設(shè)計

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1 ?引言

在《機械原理》課程教學(xué)過程中，平面機構(gòu)的特性、運動分析及其設(shè)計是一個教學(xué)重點，也是一個教學(xué)難點，其中曲柄搖桿機構(gòu)又是平面機構(gòu)的典型，掌握好曲柄搖桿機構(gòu)的特性、運動分析與設(shè)計尤為重要。

《機械原理》課程是培養(yǎng)機械類人才創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵課程，設(shè)計基于3D打印的曲柄搖桿機構(gòu)的實驗并對學(xué)生開設(shè)，可以提升學(xué)生對曲柄搖桿機構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣、鍛煉學(xué)生的動手能力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

學(xué)以致用、用以促學(xué)、學(xué)用相長是對現(xiàn)在提倡的OBE教學(xué)理念的最好詮釋。要把“平面連桿機構(gòu)的分析與設(shè)計”內(nèi)容教給學(xué)生，最好的辦法就是把“教”與“學(xué)”聯(lián)系起來，具體方法就是介紹完曲柄搖桿機構(gòu)的特性后，開設(shè)“基于3D打印的曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計”實驗，在學(xué)生對曲柄搖桿機構(gòu)有一定的認識后，再介紹其運動分析和設(shè)計。

2 ?曲柄搖桿機構(gòu)的建模

曲柄搖桿機構(gòu)的教學(xué)過程中，因平面動畫簡單、方便、容易找，通常是采用圖 1所示的動畫來作為教學(xué)模型。如果讓學(xué)生用3D打印技術(shù)把該動畫變?yōu)橐粋€實物，那這個教學(xué)過程就會變得更加生動。

該曲柄搖桿機構(gòu)的建模要考慮3D打印機的性能、3D打印的工藝。一般來說，零件的尺寸不要超過3D打印機的最大打印尺寸，模型厚度（或壁厚）不要小于2mm，否則可能打印失敗或者強度不夠。

該模型曲柄長、連桿長、搖桿長、機架長，^[1]，桿長符合曲柄存在的條件。考慮到3D打印完成后方便裝配，轉(zhuǎn)動副采用直徑差0.1mm的間隙配合，需要卡緊的部位比如轉(zhuǎn)動銷釘?shù)纳w帽等采用直徑差為0的過渡配合。在NX8.0里面所建好的模型及其爆炸圖如圖 2所示。

3 ?曲柄搖桿機構(gòu)的運動仿真

進入NX8.0運動仿真模塊，建立曲柄、連桿、搖桿、機架（固定）四個連桿（NX8.0里面的連桿相當(dāng)于機械原理中構(gòu)建的概念，即運動最小單元），建立四個轉(zhuǎn)動副，其中連桿與曲柄連接的轉(zhuǎn)動副要與曲柄嚙合、與搖桿連接的轉(zhuǎn)動副要與搖桿嚙合，添加驅(qū)動，建立解算方案，就可以進行運動仿真了。

仿真過程中可以查看有無干涉，驗證運動的可行性，添加曲柄與搖桿的角度測量，可以得到曲柄搖桿機構(gòu)的相關(guān)特性（圖 3）。

（3）計算行程速比變化系數(shù)，根據(jù)下式^[1]：

（4）仿真時選取曲柄的角速度為每秒6度，可知曲柄旋轉(zhuǎn)周期為60s，對搖桿角位移及角速度仿真分析結(jié)果如圖 4、圖 5所示。

從搖桿角位移圖（圖 4）和搖桿角速度圖（圖 5）可以看出，搖桿角位移大概在38s處達到最大值，搖桿的角速度在大概38s處也有突變，0-38s的這段時間為搖桿從右極限擺到左極限的時間，即，38-60s的這段時間為搖桿急回的時間，即。

與前面計算的行程速比變化系數(shù)一樣，可以證明該仿真的方法是正確的。

從圖 5也可以看出，一個周期內(nèi)38s后的急回速度比搖桿從右極限擺到左極限的速度要大，這正是曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性。

4 ?曲柄搖桿機構(gòu)的3D打印

將所建曲柄搖桿機構(gòu)的各個零件導(dǎo)出成stl文件，再將模型文件導(dǎo)入3D打印軟件，按照節(jié)約打印時間、節(jié)約支撐材料、方便去除支撐材料等3D打印的工藝要求，布置好各個零件，如圖 6所示。

做好模型切片、3D打印機的準(zhǔn)備等，就可以對曲柄搖桿機構(gòu)的各個零件進行3D打印了，打印完成后把模型取下、去除支撐材料、進行裝配，就得到了所設(shè)計的曲柄搖桿機構(gòu)模型，如圖 7所示。

得到曲柄搖桿機構(gòu)模型后，可以進一步的測量該機構(gòu)的極位夾角、搖桿的擺角等特性，驗證仿真的正確性，為后續(xù)平面連桿機構(gòu)的分析與設(shè)計提供模型支持，做到在實踐中學(xué)習(xí)理論知識。

5 ?總結(jié)

將3D打印技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)、三維建模技術(shù)與機械原理課程相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計新型基于OBE理念的綜合性設(shè)計性實驗，能夠拓展學(xué)生的知識面。使學(xué)生認識到每個知識點、每門課程的重要性，使學(xué)生認識到所學(xué)知識是一個系統(tǒng)，是有聯(lián)系的而不是孤立的。

該實驗的設(shè)計使學(xué)生掌握了曲柄搖桿機構(gòu)的基本知識、建模技術(shù)、運動仿真、3D打印技術(shù)，鍛煉了學(xué)生的綜合能力，符合OBE的教學(xué)理念，對其他課程的教學(xué)改革及實驗設(shè)計具有借鑒意義。

參考文獻

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