网站原创【摘 要 】机构学是开启“机械智慧”的一把金钥匙.平面连杆机构作为最基本的机构,其教学效果的好坏将直接影响到学生对机械专业的兴趣.本文旨在探索一种新颖的平面连杆机构教学方法,以曲柄滑块机构为例,根据机构运动学分析结果,利用MATLAB语言,制作了曲柄滑块机构的虚拟教学仪器.达到教学效果的同时,激发学生对机械学的兴趣,并且可以锻炼学生的逻辑思维和形象思维能力.
【关 键 词 】机构教学 虚拟教学仪器 平面连杆 曲柄滑块
一、前言
平面连杆机构是《机械基础》的基本内容,也是教学的重点和难点之一.为了达到良好的教学效果,可以通过实物教学仪器或者机构运动动画,让学生更直观地感受平面连杆机构各个杆件之间的运动传递过程,但实物教学仪器往往在种类和数量上有所限制.运用三维绘图软件SolidWorks、pro/e等可以直接做出各种平面连杆机构的运动动画,并且不受种类和数量上的限制.然而,利用三维软件制作动画“重结果,轻过程”,不益于锻炼学生的逻辑思维能力,也不益于锻炼学生的分析问题和解决问题的能力.针对这一问题,本文探索性地将虚拟教学仪器引入到平面连杆机构的教学中.
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二、机构运动分析
在平面连杆机构中,对心曲柄滑块机构的运动复杂程度较适中,在充分考虑教学效果和学生可接受能力的前提下,选定曲柄滑块机构作为机构运动分析的对象.根据基本的几何学和三角函数知识,曲柄滑块机构的运动分析如下.
三、虚拟教学仪器的编制
MATLAB语言语法规则简单,计算功能强大,具有强大的图形绘制和处理功能.本文利用MATLAB语言来制作曲柄滑块机构的虚拟教学仪器,使得学生对计算机编程技术有个初步的认识和了解,让学生知道当前处理数学问题的基本手段和方法.根据式（2）,编制相应的计算程序（源程序见附录）,可以得到曲柄滑块机构的运动动画.
选取曲柄长度r等于1,连杆长度l等于5,代入式（2）中,可以模拟出曲柄滑块机构的运动情况.图（2）给出了曲柄滑块机构在一个周期内的运动情况.
从图2中可以清晰地看出曲柄滑块机构的运动过程.图2（a）和图2（e）分别给出了曲柄滑块机构在曲柄和连杆“拉直共线”位置,也就是滑块在两个极限位置的机构运动情况.图2（c）和图2（g）还给出了连杆与滑块运动轨迹所成夹角为最大值的机构运动情况.这些特殊的机构运动位置,都可以从机构运动动画中直观地得到.
四、总结
本文提出了一种新颖的平面连杆机构教学方法,探索性地将虚拟教学仪器运用到平面连杆机构的教学中.以曲柄滑块机构为例,分析了曲柄滑块机构的运动方程,并编制了相应的分析程序.通过虚拟教学仪器,可以直观方便地得到曲柄滑块机构的运动过程,以及机构在运动过程的特殊位置.在虚拟教学仪器的编制过程中,可以锻炼学生的逻辑思维能力,训练学生分析问题的能力,激发学生对机械学的兴趣.