四杆机构案例在机械原理教学中的应用

胡宁宁 王崧全

摘要：机械原理是机械专业中研究机械共性的一门主干技术课。它的任务是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论和基本技能，并初步具有拟定机械运动方案、分析和设计的能力。此次机械原理教学改革就引导学生设计运动轨迹类似椭圆形的四杆机构，将四杆机构案例设计穿插于整个学期。用机械原理知识点负责物料输送装置的设计及工作原理，第一组查找四杆机构图谱，得到轨迹类似椭圆的杆件尺寸，第二组三维软件Pro/E5.0中装配机构模型，导入ADAMS/View中，验证物料输送机构运动副关系，为实际生产中构件布局提供一定参照依据。

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.

关键词：机械原理;四杆机构;椭圆轨迹;ADAMS/View

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

中圖分类号：G71                                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0237-02

1  现状与背景

机械原理是一门以机器和机构为研究对象的学科。它是以高等数学、普通物理、机械制图级理论力学等课程为基础，同时又为以后学习机械设计和有关专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理论基础，并能使学生受到一些必要的、严格的基本技能和创新思维的训练。因此，《高等工业学校机械原理课程数学基本要求（机械类专业适用）》明确指出：机械原理是机械专业中研究机械共性的一门主干技术课。教学目标分别为：理解机构的组成原理，根据已有机构的结构参数，分析该机构或由其组成的机器的运动学和动力学特性;能够根据预期的运动学和动力学要求，确定机构和机器的型式、结构尺寸和主要参数;能够根据机器的特定功能需求，拟定其运动方案，设计新的机构。但是课堂教学中的例子间相对独立，没有完整的案例分析，学生考试成绩只能反映对基础知识的理解程度，并不能反应出对知识点的应用独立创作能力。为了激发学生学习兴趣和主观能动性、提高学生的知识应用能力，在教学过程中结合新型设备的创新设计，在设计过程中综合运用课堂教学中学到的独立机构，学生在学习过程中结合自主创新设计，启发思维，开拓创新。

平面连杆机构是应用最广泛的机构，其他多杆机构都是在此基础上扩充杆组而成，此次机械原理教学改革就引导学生设计运动轨迹类似椭圆形的四杆机构，将课程设计穿插于整个学期，将课程设计的进度分为几个阶段进行，将其穿插于整个学期之中。

以江苏师范大学18机61班学生为对象，组织16名学生进行了生产线送料机构的机械系统设计的总体方案。学生分为两组，每组8人，用机械原理知识点负责铁壳输送装置的设计及工作原理。通过对知识点的巩固及不同方法的学习。第一组用图解法，第二组用解析法。

2  铁壳输送装置设计及工作原理

此铁壳输送装置主要构件为电机、轴承座、带轮、连架杆、推杆。动力部分是由伺服电机提供，连接带同步带实现两组四杆机构的并行运动，要求轨迹与预期运动轨迹吻合，达到设计运动效果。其中四杆机构是输送部分的主要部分，“L”型推抓是四杆机构基础上的演化，共同实现物料输送程序。

2.1 图谱法进行预期轨迹四杆机构设计

考虑机构运动精度，设计结构最简单、应用最广泛的四杆机构。低副面接触使其承载能力强，磨损较低，并且四杆机构的接触靠本身的几何封闭来维系，不需要力封闭保持连续接触。此次设计要解决的问题为实现已知运动轨迹，即要求机构上某点精确或近似按给定轨迹运动。杆件机构的设计方法有解析法、图解法、建模实验法三种方法。

图解法是利用机构运动过程中运动副之间的几何关系，作图获得机构位置、尺寸、运动规律，工作量大，精度不高。因此设计中，建议学生选择图谱法，依据经验得到类似椭圆轨迹的杆件尺寸，进而绘制四杆机构简图，最后选择合适比例尺，图1为四杆机构简图，具体参数为曲柄167mm，连杆285mm，摇杆125mm，机架292mm。四杆机构的杆件尺寸之间的关系c+d？燮a+b满足杆长之和条件，其中最短杆c连接机架，所以所设计机构为曲柄摇杆机构。在此基础上连接“L”型推抓，完成四杆机构基础上的演化，共同实现物料输送程序。（表1）

2.2 解析法进行预期轨迹四杆机构设计

第二组采用解析法，精度高，直观性差，计算量大。因此先用三维软件Pro/E5.0建立模型，然后将三维软件Pro/E5.0中装配完成的模型导入ADAMS/View中，进行参数设定与求解、模型与求解结果可视化处理。与此同时优化结构、完善产品设计。

图2为Pro/E5.0中铁壳输送机构的运动副图，对模型进行动态仿真，得到图3中四个位置，分别为物料输送机构在推程、下降、回程和休止四个过程中的位置关系，完成运动轨迹可控间歇运动。从图3可知机构中各个构件空间位置基本合理，不存在运动干涉，进而对前一组图谱法设计机构的合理性进行了验证。两组设计都为实际生产中构件布局提供一定参照依据。

3  总结

此次机械原理教学改革就引导学生设计运动轨迹类似椭圆形的四杆机构，分别采用了图解法和解析法，实现了设定运动轨迹，满足了连杆机构中某一构件精确或近似的运动轨迹，达到了课程教学最高目标。教学改革的宗旨是以学生为中心，对教学目标提出更高要求，应当以培养优秀毕业生与合格工程师为落脚点，再接再厉，设计更多优秀案例与课堂教学相辅相成，推动机械原理课程的教学改革、激励创新。

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