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

        2020-05-27 04:13:33雷蔓何曉芬丁學(xué)鳳張衛(wèi)華仇磊聶祥榮
        中阿科技論壇(中英阿文) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:搖桿曲柄建模

        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,具體方法就是介紹完曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性后,開設(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)過程中,因平面動(dòng)畫簡(jiǎn)單、方便、容易找,通常是采用圖 1所示的動(dòng)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(dòng)畫變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)物,那這個(gè)教學(xué)過程就會(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。一般來說,零件的尺寸不要超過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??紤]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(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。

        仿真過程中可以查看有無干涉,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].襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2019,18(04):67-69.

        [3]韓書葵,節(jié)茂巖,林傳熙,張勝杰.“雙8字”無碳小車關(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.

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