四杆机构
熊艳红+朱志强
【摘 要】铰链四杆机构知识点一直是机械课堂教学的重点和难点，而传统的教学方式晦涩难懂，教学效果差。为激发学生的兴趣，调动学生积极性，挖掘学生的潜能，增强学生的创造力和激活学生的创新思维，并将生硬的课本知识具体化、生动化、形象化地展示给学生，项目组拟研制一种动感的铰链四杆机构综合实验平台，重点对拟设计平台的研究背景、研究目的和意义、国内外研究现状、水平和发展趋势进行了综述，并项目的研究内容及拟解决的关键问题进行了阐述。
【关键词】铰链四杆机构；实验平台；综述
0 研究背景
百年大计，教育为本。随着人们对教育的日益重视，教育教学质量成为人们越发关注的问题。现今学校的教学方式多为黑板或投影仪教学，过程枯燥，缺乏趣味性和娱乐性，往往老师花费很大的气力讲解，学生却不能很好地理解所讲的知识，虽然也有到实验室利用教具上课的课时，但现有的教学器材普遍存在外形呆板、功能单一、体积庞大、缺乏生动活泼性等等问题，这不仅使教学工作无法顺利展开，而且大大影响了学生的学习兴趣，从而达不到预期的教学效果。为了解决以上问题，项目组设计了奔腾的铰链四杆机构综合实验平台，以便激发学生的兴趣，调动学生积极性，挖掘学生的潜能，增强学生的创造力，激活学生的创新思维，并将学生学习的知识碎片整理融合为一体从而更好的应用于现实生活中，因此，设计出能够使课堂教学更加丰富、更具吸引力的机械实验平台，这也将是未来课堂教具发展的必然趋势。
1 研究目的和意义
铰链四杆机构知识点一直是机械原理教学的重点和难点，但目前高校在机械原理课程教学中对该知识点仍普遍釆用传统教学模式，对铰链四杆机构进行运动、动力分析、演示和实验主要采用图解法和解析法。图解法虽形象直观但一张图纸只能了解机构的某个或某几个位置的运动特性且准确性差，当对机构一系列位置进行运动分析时，需要反复作图，真正进行起来也很繁琐、采用解析法并借助计算机虽能精确的获得一系列位置的分析结果，但计算机程序编制十分繁琐，且不能实现变参数分析由于这两种方法的局限性，很大程度上影响了学生的积极性和教学质量。加之学校每年购买实验设备的经费有限，陈旧老化和复杂昂贵的教学仪器己经不能满足现代教学的硬件要求，尤其随着学生人数的增加，大型实验仪器在数量上也经受着巨大挑战，这样不可避免地会影响教学质量。另外在机械原理课程教学中，由于学校场所及教学环境的限制，往往很难在课堂上配备相应的大型机械实体模型和大型实验平台，导致学生在学习中缺乏对机械运动规律的直观了解。
2 国内外研究现状、水平和发展趋势
国内用计算机程序和仿真软件对铰链四杆机构进行运动仿真和虚拟模拟的，但这往往是纸上谈兵，许多现象和规律往往和实际情况是不相符的。国外文献有关铰链四杆机构这一领域的研究主要停留在理论研究与分析，开展实验研究以及实验到目前为止在相关文献中没有查询到。部分文献对铰链四杆机构的研究主要停留在手动状态，每个实验平台一次只能简单的演示铰链四个机构的多个状态的其中一个状态，缺乏连贯性和生动趣味性。综上，目前相关的实验装置都不能自动一条龙的演示铰链四杆机构的所有状态，不能实时数字显示渐变的杆长和实时激光描绘杆的运动轨迹，也不能沿光杆可随意的向上奔腾，资料文献也没有相关理论研究，这和大学生的生动活泼的天性不相匹配，不利于激发学生的兴趣，调动学生积极性，挖掘学生的潜能，激活学生的创造力，不便于将生硬的课本知识具体化、生动化、形象化地展示给学生，达到事半功倍的效果， 为此本项目组研制一套动感的铰链四个机构综合实验平台。
3 项目的研究内容及拟解决的关键问题
研究内容：
本课题在三维建模和动画仿真的基础上，研制一套动感的铰链四杆机构综合实验平台，该平台可自动一条龙的演示铰链四杆机构的所有状态，具体内容如下：
1）研制一套四杆机构杆长渐变伸长装置，该装置可使杆长逐渐的伸长和缩短，从而促使四杆机构杆长和条件发生改变，进而保证铰链四杆机构各个状态的逐渐变化；
2）研制一套四杆机构杆长突变伸长装置，该装置可使杆长突然的伸长和缩短，从而促使四杆机构杆长和条件发生突变，进而保证铰链四杆机构各个状态的突然变化。
3）研制一套单向滑块装置，该滑块向上自动解锁，向下自动锁死，从而使机构主体在曲柄滑块状态时沿光杆能够自由的向上奔腾。
4）研制一套螺旋卡环离合装置，该装置可使相对转动的两根杆轻松自动对接为一根杆，实现由曲柄摇杆机构和双曲柄滑块机构快速自动变换。
5）研制一套锁紧机构，利用该机构使实验台在演示双曲柄、曲柄摇杆状态时在导向杆上固定不动，而在演示双曲柄滑块状态时在导线杆上自动解锁上下滑动。
6）研制一套数显装置，利用该装置可实时数字显示不断变动的杆长。
7）研制一套激光描述轨迹装置，利用该装置可实时动感的描绘杆运动軌迹。
8）研制一套控制和电气系统，利用该系统可自由的控制整个实验平台的运动。
拟解决的关键问题：
1）解决铰链四杆机构的各个状态自动连贯动感演示的问题。四杆机构的单个状态易于演示，但将四杆机构的各种变化状态生动活泼的展示给学生，使学生“玩中学，学中玩”是本课题的一个难点。
2）解决相对高速转动的两根杆在某一时刻轻松自动在规定角度对接为一根杆的问题，实现由曲柄摇杆机构和双曲柄滑块机构快速自动变换，只有两杆顺利合一，才能使自由度为2的不具有确定相对运动的五杆机构顺利转化为自由度为1具有确定运动的四杆机构。
3）解决沿光杆自由的向上奔腾的难题。该装置应向上自动解锁，向下自动锁死，向上自动解锁和向下自动锁死是一对相互矛盾的问题，如何找到两者的平衡点相当重要。
4）解决在演示双曲柄、曲柄摇杆状态时在导向杆上固定不动，而在演示双曲柄滑块状态时在导线杆上自动解锁上下滑动的问题。
【参考文献】
[1]金德闻，张济川，廖金声，张晓雪.四杆机构运动弹性动力学实验台[J].实验技术与管理，1991，8（5）：71-74.
[2]陈文音，唐锡宽.四杆机构运动综合实验装置[J].实验技术与管理，1995，34（12）：34-37.
[3]赖德华，张建辉，赵京，李杨.机构创新设计实验的探索[J].实验技术与管理，2005，22（2）：118-124.
[责任编辑：田吉捷]
