刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备的开发

黄新明，李 敏，冯大鹏

(湖北理工学院 机电工程学院,湖北 黄石 435003)

1 问题的提出

金工实习作为培养学生动手能力、创新能力和综合素质的一种有效途径[1]，在其教学理念不断发展的同时，其教学对象也在迅速扩充，已从包括机械类各专业学生在内的工科类各专业学生发展到理科类很多专业的学生。这样一来，金工实习的教学方法就应作出一些相应的改变，特别是对于一些复杂机械传动的讲解就应该做到更加通俗易懂。

刨床实习是金工实习的一个重要环节，刨床实习过程中，刨床传动系统的工作过程和工作原理是实习大纲的重点教学内容，该部分内容也是学生学习时的难点[2-3]。其中，刨床摆杆机构的工作过程和工作原理更是难点中的难点，刨床摆杆机械简图如图1所示。

目前，由于还没有一种能够浅显易懂的演示刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备，使得本身就没有多少机械专业知识的实习学生，很难理解刨床的摆杆机构如何将齿轮的旋转运动转换成滑枕的往复直线运动[4]，特别是对于完全没有机械专业知识的非机械类专业的实习学生，这种运动转换的空洞讲解更是难以想象与理解。

为帮助学生直观地、较好地理解刨床摆杆机构的运动转换过程和原理，必须开发出一种能够演绎这种运动转换的教学设备。

图1 刨床摆杆机构简图

2 开发的运动演化教学设备的结构和工作原理

开发的刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备如图2所示,它由相对布置的变异对心曲柄滑块机构(图2中左半部分)和简化的刨床摆杆机构(图2中右半部分)两大部分组成。在曲柄端变异加长的连杆端部设计有安装画笔的弹性笔座，可将画笔牢牢地压在安放笔端处的画板上，这样，在曲柄转动时，画笔就可将加长连杆端部的椭圆运动轨迹记录在画板上。连杆端部的运动轨迹表明，加长连杆端部的运动由水平方向的(椭圆的长轴)大幅往复运动和垂直方向的(椭圆的短轴)小幅上下运动所组成，水平方向的往复运动与刨床的主运动形式相同，应予以保留，而垂直方向的上下运动在刨床的主运动中是不存在的，应予以消除。如何消除呢？这可以通过在曲柄的连接销上套上一个正方形的偏心滑块，相应的，连杆上的销孔就要扩充成宽等于正方形滑块边长的矩形滑槽(当然，此时的连杆因其宽、厚都要相应的增加而变为了较为厚重的摆杆)。如此一来，通过偏心滑块在滑槽中的滑动就可抵消掉原来连杆端部的上下运动，使其只做水平方向的往复运动，这就演化为了该设备另一边的简化刨床摆杆机构，开放的简化刨床摆杆机构可以直观明了地演示刨床摆杆机构的运动过程和运动细节[5]。

图2 刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备

3 运动演化教学设备的特点

刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备具有如下特点：

1)结构简单。该教学设备只用了相对布置的变异对心曲柄滑块机构和简化的刨床摆杆机构两个简单的部分，就将刨床摆杆机构功能实现的原理，通过化繁为简，逐步推进演化的过程清晰明了的表现了出来。

2)直观可视。这表现在两个方面:一方面，用于讲解演化方法的加长连杆端部(对应刨床滑枕与摆杆的铰接点)的椭圆运动轨迹被画笔记录在画板上，直观可视，以方便推导出正确的演化方法；另一方面，简化刨床摆杆机构的运动过程直观可视，以方便学生对刨床摆杆机构工作原理的观察与理解。

3)柔性记录。安装画笔的弹性笔座，保证了加长连杆端部运动轨迹的记录不会受到画板表面不平度的影响，从而完整地记录在画板上，以实现椭圆运动轨迹记录的柔性操作。

4 运动演化教学设备的应用

刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备，将复杂的、难以想象的、不好理解的刨床摆杆机构的工作原理(运动过程)，在一台教学设备中，由简单的、常见的对心曲柄滑块机构的运动(类似于日常生活中的推磨过程)直观、逐步地演绎转化而来。这就使得教学内容更加直观、更加容易理解，从而帮助学生更好地学习刨床的传动知识，同时，该教学设备的应用，还可帮助实习教师在教学过程中轻易地做到如下几点：

1)提高学生的学习兴趣。航空发动机、船用柴油机、汽车发动机、蒸汽机车发动机、制冷压缩机、缝纫机等与生活息息相关的对心曲柄滑块机构的应用实例[6-7]，可以极大地激发学生对机械传动的学习兴趣。

2)扩展学生的工程视野。对心曲柄滑块机构的应用范围非常广泛，除了上述与生活息息相关的应用实例，在工业中还有空气压缩机、活塞泵、剪板机、冲床、鄂式破碎机、自动送料机构与活塞式气动马达等应用实例[8]，这些应用实例的列举可以很好地扩展学生的工程视野。

3)培养学生的空间想象能力。通过学生心目中变异对心曲柄滑块机构上，变异加长连杆端部的运动轨迹与其曲柄转动时记录在画板上的实际运动轨迹对比，可以很好地培养学生的空间想象能力。

4)培养学生分析问题、解决问题的能力。刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备所演绎的化繁为简，逐步推进演化的过程，为学生提供了一种全新的思考问题的方法，培养了学生分析问题、解决问题的能力。

5)培养学生的创新精神。通过对心曲柄滑块机构不同使用条件下，在工程实际中的应用[9]，以及该教学设备所展示的对心曲柄滑块机构的变化应用，可以激发学生的创新意识，培养学生的创新精神。

5 结束语

刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备的开发与应用，降低了学生学习刨床传动知识的入门门槛，适应了参与金工实习的各类专业学生学习刨床传动知识的教学要求，且锻炼了学生的各种工程实践能力，不失为一种培养学生创新意识和创新能力，全面提高学生综合素质、提升金工实习教学质量的有效手段[10]。

刨床摆杆机构功能实现的运动演化教学设备已获实用新型专利(专利号：201420407977.0)。

参考文献

[1] 黄新明.应用型机械类本科生金工实习教学改革的探索与实践[J].湖北理工学院学报,2013,29(2)，61-63.

[2] 牛永江.金工实习教程[M].成都：西南交通大学出版社，2010:85-92.

[3] 徐永礼,涂清湖.金工实习[M].北京：北京理工大学出版社，2009:168-171.

[4] 吴鉴,任翀.工程实践[M].武汉：华中科技大学出版社，2009:79-84.

[5] 王越.现代机械制造装备[M].北京：清华大学出版社，2009:73-75.

[6] 高奇.基于Pro/E的曲柄滑块机构运动仿真分析[J].起重运输机械，2011(4):45-47.

[7] 韩刚,龚灯.偏置曲柄滑块机构的运动仿真与分析[J].机械工程与自动化，2012(5):57-58.

[8] 起雪梅.铰链四杆机构的基本型式及其演化[J].科海故事博览(科教论坛)，2011(11):67.

[9] 张永宇,陆宁.机械设计基础[M].北京：清华大学出版社，2009:24-32.

[10] 曹晓飞,刘岩.金工实习素质教育和创新能力的培养[J].辽宁工业大学学报，2009(5):136-137.