基于3D打印的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

雷蔓 何曉芬 丁學(xué)鳳 張衛(wèi)華 仇磊 聶祥榮

摘要：對(duì)《機(jī)械原理》課程中的 “平面機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)”內(nèi)容設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，選取一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例，對(duì)其進(jìn)行三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真、運(yùn)動(dòng)分析及3D打印，從仿真驗(yàn)證理論、實(shí)物模型驗(yàn)證仿真這樣一條主線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(jī)構(gòu)的知識(shí)外，還掌握了三維建模技術(shù)、運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)和3D打印技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)習(xí)對(duì)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(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)仿真;3D打印;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?????文章編號(hào)：

1 ?引言

在《機(jī)械原理》課程教學(xué)過(guò)程中，平面機(jī)構(gòu)的特性、運(yùn)動(dòng)分析及其設(shè)計(jì)是一個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，其中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)又是平面機(jī)構(gòu)的典型，掌握好曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性、運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)尤為重要。

《機(jī)械原理》課程是培養(yǎng)機(jī)械類人才創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵課程，設(shè)計(jì)基于3D打印的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)并對(duì)學(xué)生開(kāi)設(shè)，可以提升學(xué)生對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣、鍛煉學(xué)生的動(dòng)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(zhǎng)是對(duì)現(xiàn)在提倡的OBE教學(xué)理念的最好詮釋。要把“平面連桿機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)”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(lái)，具體方法就是介紹完曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性后，開(kāi)設(shè)“基于3D打印的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有一定的認(rèn)識(shí)后，再介紹其運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)。

2 ?曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的建模

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)過(guò)程中，因平面動(dòng)畫(huà)簡(jiǎn)單、方便、容易找，通常是采用圖 1所示的動(dòng)畫(huà)來(lái)作為教學(xué)模型。如果讓學(xué)生用3D打印技術(shù)把該動(dòng)畫(huà)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)物，那這個(gè)教學(xué)過(guò)程就會(huì)變得更加生動(dòng)。

該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的建模要考慮3D打印機(jī)的性能、3D打印的工藝。一般來(lái)說(shuō)，零件的尺寸不要超過(guò)3D打印機(jī)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(qiáng)度不夠。

該模型曲柄長(zhǎng)、連桿長(zhǎng)、搖桿長(zhǎng)、機(jī)架長(zhǎng)，^[1]，桿長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)銷(xiāo)釘?shù)纳w帽等采用直徑差為0的過(guò)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)入NX8.0運(yùn)動(dòng)仿真模塊，建立曲柄、連桿、搖桿、機(jī)架（固定）四個(gè)連桿（NX8.0里面的連桿相當(dāng)于機(jī)械原理中構(gòu)建的概念，即運(yùn)動(dòng)最小單元），建立四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中連桿與曲柄連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副要與曲柄嚙合、與搖桿連接的轉(zhuǎn)動(dòng)副要與搖桿嚙合，添加驅(qū)動(dòng)，建立解算方案，就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真了。

仿真過(guò)程中可以查看有無(wú)干涉，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的可行性，添加曲柄與搖桿的角度測(cè)量，可以得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的相關(guān)特性（圖 3）。

（3）計(jì)算行程速比變化系數(shù)，根據(jù)下式^[1]：

（4）仿真時(shí)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(duì)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(dá)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(shí)間為搖桿從右極限擺到左極限的時(shí)間，即，38-60s的這段時(shí)間為搖桿急回的時(shí)間，即。

與前面計(jì)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(gè)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(jī)構(gòu)的急回特性。

4 ?曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的3D打印

將所建曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)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(shí)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(gè)零件，如圖 6所示。

做好模型切片、3D打印機(jī)的準(zhǔn)備等，就可以對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件進(jìn)行3D打印了，打印完成后把模型取下、去除支撐材料、進(jìn)行裝配，就得到了所設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)模型，如圖 7所示。

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

5 ?總結(jié)

將3D打印技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、三維建模技術(shù)與機(jī)械原理課程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型基于OBE理念的綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，能夠拓展學(xué)生的知識(shí)面。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到每個(gè)知識(shí)點(diǎn)、每門(mén)課程的重要性，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到所學(xué)知識(shí)是一個(gè)系統(tǒng)，是有聯(lián)系的而不是孤立的。

該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)、建模技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(duì)其他課程的教學(xué)改革及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]郭衛(wèi)東. 機(jī)械原理[M]?.北京：科學(xué)出版社.2013.

[2]劉勁松.便攜式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)教學(xué)裝置的設(shè)計(jì)[J].襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（04）：67-69.

[3]韓書(shū)葵，節(jié)茂巖，林傳熙，張勝杰.“雙8字”無(wú)碳小車(chē)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020（03）：241-245+249.

[4]王鵬程，王浩，顧光健.單曲柄雙搖桿無(wú)相差撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2020，49（01）：94-96+126.

[5]文昌俊，王虹量，王冕，張恒.水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，34（02）：36-39.