基于NX运动仿真的四杆机构运动特性教学研究

蔡舒旻 盛希宁

（江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213000）

基于NX运动仿真的四杆机构运动特性教学研究

蔡舒旻 盛希宁

（江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏 常州 213000）

文章就UG_NX软件的运动仿真功能在四杆机构运动特性的教学中的应用进行了探索与研究，充分利用仿真软件直观、感性的优势创设教学情境，引导学生利用软件提供的功能进行探索与学习，取得良好的教学效果。

运动仿真；急回特性；四杆机构

四杆机构是机械设备中常见的典型机构，在机械设备中有着广泛的应用，是机械原理、机械基础等机械专业基础课程中的教学重点。在教学中，由于学生对该类机械结构缺乏感性认知，对于枯燥抽象的四杆机构特性特性的推导难于理解，更是教学中的难点。

而作者所在教学团队在教学实践中不断摸索，发现通过引入机械设计CAD/CAE软件并合理地通过信息化手段将四杆机构的运动从抽象的公式推导转化为成为形象的动画演示过程，可以取得很好的教学效果。

一、曲柄摇杆机构的建模与运动仿真

利用UG_NX软件的造型功能，可以很容易地为曲柄摇杆机构的机架、曲柄、摇杆和连架杆进行单独的建模，并用软件的装配功能将整个机构装配起来（如图1所示）。

图1 四杆机构

其中AB为曲柄是最短杆、BC为连杆、CD为摇杆、AD为机架。为满足曲柄存在条件，故设定AB杆的长度为30mm，BC杆的长度为100mm，CD杆的长度为80mm，AD杆的长度为120mm。

在装配的过程中，AD杆为机架，因此需要完全约束，约束方式选择固定；而其余三杆之间都是通过铰链联接，属于旋转副，因此约束方式可以选择同心或同轴。

装配完成以后，利用NX的运动仿真模块，新建一个运动仿真，并在曲柄与机架的连接约束处设定运动的驱动形式与参数。

通常情况下，曲柄由电动机带动，作匀速转动，因此驱动形式设定为绕A点作匀速转动（如图2所示）。

具体步骤如下：选择A点的联接形式为旋转副，选择连杆为AB杆，指定坐标系的原点暨旋转中心为A点，选择基座为机架AD杆。由于运动形式是匀速转动，所以驱动形式为恒定，初始位移可以根据需要进行调整，默认为零度；初始速度为便于学生观察可以设定的慢一点，通常是1度每秒或2度每秒，加速度则为零。

图2 设定驱动形式

在教学中，可选择2-3个运动周期进行仿真；仿真的步长可根据需要进行设置，步数越高则步长越短，运动仿真的精度也越高，为保证仿真的准确性通常不低于每秒2步的步长。

以上参数设定完成以后，可通过UG_NX软件的仿真计算进行求解，生成该曲柄摇杆机构的运动动画、运动轨迹及观测点实时的位移、速度、加速度等参数值，并绘制出相关的s-t、v-t、a-t图线等。

二、运动仿真在教学中的应用

在传统课堂教学模式中，急回特性是通过绘图分析极位

夹角的方式进行讲授的，这种讲授的方式对于大多数学生过于抽象，难于在短时间内理解和掌握。

引入NX仿真后可以将整个教学过程通过信息化手段从以下几个方面具象出来呈现给学生。

（一）机构运动动画

通NX软件可将机构运动的过程生成仿真动画，在教学的过程中利用数字投影展示给学生。给学生以非常形象和直观的第一印象。相交于传统的教学手段，更容易引起学生的学习兴趣，为学生所接受而非抵触。

通过动画展示，除了让学生对机构的运动有直观印象外，还可以用暂停功能找出机构在一个周期内往返行程达到极限位置的各个时间节点，通过对时间节点的对比，来发现机构中摇杆在往复运动的两个行程中存在用时不等的情况，从而导入到急回特性的课题中。

（二）s-t及v-t曲线

通过NX的仿真计算，可以生成改机构上某个指定点的位移与时间、速度与时间相对应的s-t及v-t曲线，利用NX的双窗口功能，可以将机构动画与s-t或v-t曲线对应起来，观察任一时间点机构上某点的位移或速度。

图3 机构运动动画与v-t图像同步显示

图3展示的是该曲柄摇杆机构的中摇杆上C点的v-t曲线和机构动画在某一特殊时刻的截图，从动画截图中可以看出该机构中摇杆正处于回程结束的极限位置（曲柄和连杆重叠）；同时通过v-t曲线可以观察到此时C点的瞬时速度为最小值，同时也能读出运动到该点所需要的时间为t=222s。

在教学过程中教师可以引导学生观察极限位置左右的两个v-t曲线的半波幅值和波形来分析摇杆往复运动的相关特性。左侧半波的曲线较右侧半波的曲线形状来得陡峭，学生结合其数学和物理相关课程的知识很快能分析出摇杆往复行程的速度不同，左侧行程的平均速度明显要快于右侧平均速度。

利用v-t曲线图像可以很容易地将原本复杂的几何关系分析和公式推导转换成形象直观的图表，让学生非常容易地从定性分析上形成急回特性的相关概念和印象。

在学生获得形象感知和定性认识以后，教师再引导学生进行定量的计算来验证其定性分析的结果是否正确。

教师指导学生利用UG_NX软件测量得出各个极限位置的时刻T1、T2、T3，然后利用公式：

计算出该机构摇杆的行程速比系数K。

通过计算，学生可以发现回程所需时间小于工作行程所需时间，由于两个行程位移相同，即可得出回程的平均速度大于工作行程平均速度的结论，其比值可用行程速比系数K来表征。

通过以上定性分析和定量计算，可以使学生从感性认知到理性分析更加全面和深入地理解四杆机构的急回特性这一特点，达到理想的教学效果。

三、结论

通过教学中的实践和探索，作者所在教学团队发现在机械基础课程中引入UG_NX的运动仿真功能，相对于传统的教学方式有如下优势：1.可以更好地创设教学情境，激发学生的学习兴趣；2.提供更加直观地感性认知呈现，便于学生理解和接受；3.利用仿真功能可以很轻易地改变机构设计，方便学生探索机构的运动规律；4.引入行业前沿技术，拓展学生专业视野。从而起到更好的教学效果。

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[3]谢朝晖.Pro/E的运动仿真在平面四杆机构教学中的应用[J].中国科技信息，2010（4）.

[4]余海宁.铰链四杆机构的计算机辅助设计及运动仿真[J].现代机械，2007（1）.

The paper researched the application of movement simulation of UG_NX software in the teaching of the motion characteristics of four-bar mechanisms.We made full use of the advantages of this software to create teaching situations and guided students to explore and study with the help of its various functions,which has achieved good teaching effect.

motion simulation;quick return characteristics;four bar mechanisms

G642

A

2096-000X（2016）23-0091-02

蔡舒旻 （1982，10-），男，籍贯：江苏常州，学历：本科，讲师，研究方向：机械工程及自动化；盛希宁（1981-），女，籍贯：江苏常州，学历：硕士研究生，讲师，研究方向：检测技术与自动化装置。