四桿機構案例在機械原理教學中的應用

胡寧寧 王崧全

摘要：機械原理是機械專業中研究機械共性的一門主干技術課。它的任務是使學生掌握機構學和機械動力學的基本理論和基本技能，并初步具有擬定機械運動方案、分析和設計的能力。此次機械原理教學改革就引導學生設計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構，將四桿機構案例設計穿插于整個學期。用機械原理知識點負責物料輸送裝置的設計及工作原理，第一組查找四桿機構圖譜，得到軌跡類似橢圓的桿件尺寸，第二組三維軟件Pro/E5.0中裝配機構模型，導入ADAMS/View中，驗證物料輸送機構運動副關系，為實際生產中構件布局提供一定參照依據。

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.

關鍵詞：機械原理;四桿機構;橢圓軌跡;ADAMS/View

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

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

1? 現狀與背景

機械原理是一門以機器和機構為研究對象的學科。它是以高等數學、普通物理、機械制圖級理論力學等課程為基礎，同時又為以后學習機械設計和有關專業課程以及掌握新的科學技術成就打好工程技術的理論基礎，并能使學生受到一些必要的、嚴格的基本技能和創新思維的訓練。因此，《高等工業學校機械原理課程數學基本要求（機械類專業適用）》明確指出：機械原理是機械專業中研究機械共性的一門主干技術課。教學目標分別為：理解機構的組成原理，根據已有機構的結構參數，分析該機構或由其組成的機器的運動學和動力學特性;能夠根據預期的運動學和動力學要求，確定機構和機器的型式、結構尺寸和主要參數;能夠根據機器的特定功能需求，擬定其運動方案，設計新的機構。但是課堂教學中的例子間相對獨立，沒有完整的案例分析，學生考試成績只能反映對基礎知識的理解程度，并不能反應出對知識點的應用獨立創作能力。為了激發學生學習興趣和主觀能動性、提高學生的知識應用能力，在教學過程中結合新型設備的創新設計，在設計過程中綜合運用課堂教學中學到的獨立機構，學生在學習過程中結合自主創新設計，啟發思維，開拓創新。

平面連桿機構是應用最廣泛的機構，其他多桿機構都是在此基礎上擴充桿組而成，此次機械原理教學改革就引導學生設計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構，將課程設計穿插于整個學期，將課程設計的進度分為幾個階段進行，將其穿插于整個學期之中。

以江蘇師范大學18機61班學生為對象，組織16名學生進行了生產線送料機構的機械系統設計的總體方案。學生分為兩組，每組8人，用機械原理知識點負責鐵殼輸送裝置的設計及工作原理。通過對知識點的鞏固及不同方法的學習。第一組用圖解法，第二組用解析法。

2? 鐵殼輸送裝置設計及工作原理

此鐵殼輸送裝置主要構件為電機、軸承座、帶輪、連架桿、推桿。動力部分是由伺服電機提供，連接帶同步帶實現兩組四桿機構的并行運動，要求軌跡與預期運動軌跡吻合，達到設計運動效果。其中四桿機構是輸送部分的主要部分，“L”型推抓是四桿機構基礎上的演化，共同實現物料輸送程序。

2.1 圖譜法進行預期軌跡四桿機構設計

考慮機構運動精度，設計結構最簡單、應用最廣泛的四桿機構。低副面接觸使其承載能力強，磨損較低，并且四桿機構的接觸靠本身的幾何封閉來維系，不需要力封閉保持連續接觸。此次設計要解決的問題為實現已知運動軌跡，即要求機構上某點精確或近似按給定軌跡運動。桿件機構的設計方法有解析法、圖解法、建模實驗法三種方法。

圖解法是利用機構運動過程中運動副之間的幾何關系，作圖獲得機構位置、尺寸、運動規律，工作量大，精度不高。因此設計中，建議學生選擇圖譜法，依據經驗得到類似橢圓軌跡的桿件尺寸，進而繪制四桿機構簡圖，最后選擇合適比例尺，圖1為四桿機構簡圖，具體參數為曲柄167mm，連桿285mm，搖桿125mm，機架292mm。四桿機構的桿件尺寸之間的關系c+d？燮a+b滿足桿長之和條件，其中最短桿c連接機架，所以所設計機構為曲柄搖桿機構。在此基礎上連接“L”型推抓，完成四桿機構基礎上的演化，共同實現物料輸送程序。

2.2 解析法進行預期軌跡四桿機構設計

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入ADAMS/View中，進行參數設定與求解、模型與求解結果可視化處理。與此同時優化結構、完善產品設計。

圖2為Pro/E5.0中鐵殼輸送機構的運動副圖，對模型進行動態仿真，得到圖3中四個位置，分別為物料輸送機構在推程、下降、回程和休止四個過程中的位置關系，完成運動軌跡可控間歇運動。從圖3可知機構中各個構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計機構的合理性進行了驗證。兩組設計都為實際生產中構件布局提供一定參照依據。

3? 總結

此次機械原理教學改革就引導學生設計運動軌跡類似橢圓形的四桿機構，分別采用了圖解法和解析法，實現了設定運動軌跡，滿足了連桿機構中某一構件精確或近似的運動軌跡，達到了課程教學最高目標。教學改革的宗旨是以學生為中心，對教學目標提出更高要求，應當以培養優秀畢業生與合格工程師為落腳點，再接再厲，設計更多優秀案例與課堂教學相輔相成，推動機械原理課程的教學改革、激勵創新。

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