基于3D打印的曲柄摇杆机构实验设计

雷蔓 何晓芬 丁学凤 张卫华 仇磊 聂祥荣

摘要：对《机械原理》课程中的 “平面机构分析与设计”内容设计了实验，选取一个曲柄摇杆机构为例，对其进行三维建模、运动仿真、运动分析及3D打印，从仿真验证理论、实物模型验证仿真这样一条主线进行实验设计，使学生边做边学、边学边做，学生除了学到曲柄摇杆机构的知识外，还掌握了三维建模技术、运动仿真技术和3D打印技术，该实验能够使学习对象更为具体，能够提升学生的学习兴趣与学习效率。

关键词：曲柄摇杆机构;运动仿真;3D打印;实验设计

中图分类号：TP391     文献标识码：A      文章编号：

1  引言

在《机械原理》课程教学过程中，平面机构的特性、运动分析及其设计是一个教学重点，也是一个教学难点，其中曲柄摇杆机构又是平面机构的典型，掌握好曲柄摇杆机构的特性、运动分析与设计尤为重要。

《机械原理》课程是培养机械类人才创新思维和创新能力的关键课程，设计基于3D打印的曲柄摇杆机构的实验并对学生开设，可以提升学生对曲柄摇杆机构学习的兴趣、锻炼学生的动手能力、培养学生的创新思维。

学以致用、用以促学、学用相长是对现在提倡的OBE教学理念的最好诠释。要把“平面连杆机构的分析与设计”内容教给学生，最好的办法就是把“教”与“学”联系起来，具体方法就是介绍完曲柄摇杆机构的特性后，开设“基于3D打印的曲柄摇杆机构的设计”实验，在学生对曲柄摇杆机构有一定的认识后，再介绍其运动分析和设计。

2  曲柄摇杆机构的建模

曲柄摇杆机构的教学过程中，因平面动画简单、方便、容易找，通常是采用图 1所示的动画来作为教学模型。如果让学生用3D打印技术把该动画变为一个实物，那这个教学过程就会变得更加生动。

该曲柄摇杆机构的建模要考虑3D打印机的性能、3D打印的工艺。一般来说，零件的尺寸不要超过3D打印机的最大打印尺寸，模型厚度（或壁厚）不要小于2mm，否则可能打印失败或者强度不够。

该模型曲柄长、连杆长、摇杆长、机架长，^[1]，杆长符合曲柄存在的条件。考虑到3D打印完成后方便装配，转动副采用直径差0.1mm的间隙配合，需要卡紧的部位比如转动销钉的盖帽等采用直径差为0的过渡配合。在NX8.0里面所建好的模型及其爆炸图如图 2所示。

3  曲柄摇杆机构的运动仿真

進入NX8.0运动仿真模块，建立曲柄、连杆、摇杆、机架（固定）四个连杆（NX8.0里面的连杆相当于机械原理中构建的概念，即运动最小单元），建立四个转动副，其中连杆与曲柄连接的转动副要与曲柄啮合、与摇杆连接的转动副要与摇杆啮合，添加驱动，建立解算方案，就可以进行运动仿真了。

仿真过程中可以查看有无干涉，验证运动的可行性，添加曲柄与摇杆的角度测量，可以得到曲柄摇杆机构的相关特性（图 3）。

（3）计算行程速比变化系数，根据下式^[1]：

（4）仿真时选取曲柄的角速度为每秒6度，可知曲柄旋转周期为60s，对摇杆角位移及角速度仿真分析结果如图 4、图 5所示。

从摇杆角位移图（图 4）和摇杆角速度图（图 5）可以看出，摇杆角位移大概在38s处达到最大值，摇杆的角速度在大概38s处也有突变，0-38s的这段时间为摇杆从右极限摆到左极限的时间，即，38-60s的这段时间为摇杆急回的时间，即。

与前面计算的行程速比变化系数一样，可以证明该仿真的方法是正确的。

从图 5也可以看出，一个周期内38s后的急回速度比摇杆从右极限摆到左极限的速度要大，这正是曲柄摇杆机构的急回特性。

4  曲柄摇杆机构的3D打印

将所建曲柄摇杆机构的各个零件导出成stl文件，再将模型文件导入3D打印软件，按照节约打印时间、节约支撑材料、方便去除支撑材料等3D打印的工艺要求，布置好各个零件，如图 6所示。

做好模型切片、3D打印机的准备等，就可以对曲柄摇杆机构的各个零件进行3D打印了，打印完成后把模型取下、去除支撐材料、进行装配，就得到了所设计的曲柄摇杆机构模型，如图 7所示。

得到曲柄摇杆机构模型后，可以进一步的测量该机构的极位夹角、摇杆的摆角等特性，验证仿真的正确性，为后续平面连杆机构的分析与设计提供模型支持，做到在实践中学习理论知识。

5  总结

将3D打印技术、虚拟样机技术、三维建模技术与机械原理课程相结合，开发设计新型基于OBE理念的综合性设计性实验，能够拓展学生的知识面。使学生认识到每个知识点、每门课程的重要性，使学生认识到所学知识是一个系统，是有联系的而不是孤立的。

该实验的设计使学生掌握了曲柄摇杆机构的基本知识、建模技术、运动仿真、3D打印技术，锻炼了学生的综合能力，符合OBE的教学理念，对其他课程的教学改革及实验设计具有借鉴意义。

参考文献

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