摘要：为提高机械原理和机械设计基础等课程中平面机构部分内容的教学质量，提高学生的学习兴趣，结合教学实践，利用LISP语言开发了基于AutoCAD的平面机构运动仿真和运动特性分析软件。实际教学应用表明，本软件的使用可使任课教师在有限的课堂时间内分析多种不同平面机构的运动特性，提高了教学效率，强化了教学重点，并可使学生参与到实例的设计与分析中，提高课堂教学的直观性和互动性，提高学生学习的兴趣和积极性，加深对教学内容的理解和接受程度。
关键词：平面机构；CAD；LISP；教学软件
作者简介：吴锐（1974-），男，河南洛阳人，洛阳理工学院机电工程系，讲师。（河南洛阳471023）
基金项目：本文系2010年洛阳理工学院重点教研项目（项目编号：10-JY010）的研究成果。
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）07-0059-02
平面机构是各种机器中应用最为广泛的机构，也是机械原理和机械设计基础课程教学工作中的重点和难点。因此，在教学中把平面机构的组成、工作原理、演化形式和运动特性讲解清楚，对学生学习平面机构设计，提高其分析和解决实际问题的能力具有重大作用。
目前在国内多数高校的机械设计基础课程教学中，平面机构教学是围绕教材内容，以简图形式对典型实例进行演示，然后通过解析法或图解法对其进行运动分析，而每一个实例分析都要涉及运动轨迹、速度和加速度等方面，需耗费较多的课堂教学时间，使得教师无法在有限的授课时间内进行大量的实例演示和分析。平面机构在实现形式上多样性，为了便于学生理解，授课教师只能是增加平面机构的静态演示图片，即便是可以利用多媒体手段制作一些动态演示视频，由于演示内容有限，学生也很难对平面机构的结构和运动有一个直观和全面的认识。
为了提高机械设计基础课程中平面机构部分内容的教学效果，给教师提供一个可以在课堂上根据学生实际情况，灵活、直观地演示平面机构运动方式及运动特性的教学手段，笔者利用AutoLISP语言编制了基于AutoCAD的平面机构运动仿真和运动特性分析软件。利用该软件可根据教学内容在CAD环境中快速绘制平面机构简图，自动判断该简图是否符合设计准则，动态演示运动过程，绘出运动轨迹，绘制位移、速度、加速度等运动参数曲线；使教师不必进行烦琐运动分析过程，直观、快速地得到不同机构的运动演示和运动特性曲线，把授课重点放在介绍不同形式平面机构运动特性上；并可使学生参与到实例的设计与分析上，提高课堂教学的直观性和互动性，加深学生对教学内容的理解和接受程度。
一、平面机构运动分析的主要教学内容
机构的运动分析是对机构中从动件的运动轨迹、位移、速度和加速度等参数进行分析。目前，各种教材中运动分析的方法一般为解析法和图解法。图解法的特点是形象直观、概念清楚，但要逐个运动位置点作图，分析过程相当烦琐；解析法是在机构运动参数和尺寸参数之间建立起函数关系式，然后求解，求解精度较高，但求解过程抽象、复杂。图解法和解析法都只是对机构某一瞬时位置的运动情况进行分析，而对机构整个运动循环过程的运动变化规律，即运动特性分析则需要对一系列瞬时位置的运动进行分析，然后绘制机构运动线图并进行描述。运动线图可以直观反映出机构的急回特性和行程速度变化特性等，对各种机构运动线图的分析，有利于学生对各种机构运动特性的理解，在以后的工作中有的放矢地选择设计合理的机构形式。
二、平面机构运动演示分析教学软件的开发
随着计算机技术和计算机辅助设计软件的快速发展，CAD软件应用已成为各高校机械相关专业学生的基础课程，在机械制图和设计的各个实践教学环节中得到了普遍的应用。本文所介绍的平面机构运动演示分析教学软件就是运用机构运动的图解法分析原理，利用LISP语言开发是基于CAD平台的软件，而没有采用Matlab等对学生比较陌生的工具。虽然LISP语言的计算能力不如Matlab等工具，难以进行精确的解析法运动分析，但是作为教学软件，其目的是辅助教师在课堂教学中进行平面机构的运动演示和运动分析，不要求很高的求解精度，而且在CAD环境下设计平面机构简图、演示机构运动和绘制机构的运动线更便于学生理解其设计和分析过程。
平面机构运动演示分析教学软件结构，可对八种在教学中常见的平面机构类型及其变异机构的运动进行动画演示分析，如图1所示。
在软件中，每一种机构类型或其变异机构形式都作为一个相对独立的模块进行编程处理。为便于课堂使用，笔者首先利用AutoCAD中的对话框控制语言（DCL）编制了用户界面，如图2所示。
使用软件时，首先在此用户界面中选择所要讲授的模块，确定后进入相应软件模块进行教学演示和分析。
下面以四杆机构为例说明软件的工作流程。首先进入CAD界面，运行本软件后出现图2所示用户界面，在界面上点击四杆机构图标后单击“OK”按钮，这时会在CAD界面的命令区出现提示，要求使用者在绘图区域随意画出一个四杆机构简图。然后软件对图形中的点、线要素进行分析，自动判断所设计的机构是否符合四杆机构的设计准则，即是否能够运动，若不符合设计准则，则会在CAD命令区给出错误信息，要求设计者重新设计四杆机构简图；若符合设计准则，则根据给定的约束条件驱动CAD依次顺序绘制所设计机构在不同瞬时的图形。当绘制的各个瞬间机构简图时间间隔小于一定值之后，在CAD绘图区中就呈现出所设计机构连续运动的动画效果。软件在计算和绘制各个瞬间机构简图的同时，分别记录各个瞬间机构上设定点的位移情况，结合机构中主动件的转动约束条件就可得到该点的位移-时间曲线，对位移-时间曲线进行“积分”即可得到该点的速度-时间曲线，进一步对速度-时间曲线进行“积分”就可得到该点的加速度-时间曲线，从而获得反映所设计机构运动特性的运动线图。
三、平面机构运动演示分析教学软件的教学应用
1.课堂教学
在讲授平面四杆机构工作特性这一章节时，机构的急回特性和行程速度变化情况是授课的主要内容，也是学生理解的难点所在。而急回特性在以往的课堂教学中只能通过PPT来演示一些机构简图及其运动线图或数量不多的机构运动视频资料，这些运动线图或视频都是事先制作好的，不能根据课堂教学情况灵活地举例分析，学生学起来比较枯燥，不便于理解。而如果要用解析法或图解法分析和绘制机构的运动线图，则要耗费大量的时间，这又是有限课堂时间所不允许的。如果使用本文的平面机构运动演示分析教学软件辅助课堂教学，教师就可以在课堂上利用多媒体教学设备，在CAD环境中随意设计不同的平面四杆机构及其变形机构进行运动特性分析，如图3所示，分别设计几种不同的平面四杆机构，并对其运动特性进行分析。
当机架连杆在四个杆件中最长时（图a），从机构运动的动画演示和运动参数曲线，可以直观地看出急回特性不明显；当机架连杆长度不是四杆杆件中最长时（图b），急回特性开始明显，当机架连杆的长度进一步变小，则急回特性进一步加大；如果机架连杆最短时（图c），机构转化为双曲柄机构，运动特性发生质的改变。通过软件的机构运动动画演示和运动线图，学生可以对不同平面四杆机构的急回特性和行程速度变化情况有一个直观的认识。教师则可根据讲授机构的类型，方便地向学生介绍机构的变形及其对运动特性的影响，从而使授课重点放在不同机构运动特性上，并可使学生参与到机构的设计与分析上，提高课堂教学的直观性和互动性，拓展学生的思路，激发学生学习兴趣，加深学生对教学内容的理解和接受程度，从而提高教学质量和教学效率。
2.实践教学
在机械相关专业的一些实践环节教学中，可能会涉及平面机构的设计，这时就需要对所设计机构的运动约束条件和运动特性进行分析。利用这个软件交互式的机构简图设计过程和自动生成运动线图的功能，学生可以快速设计、分析和选择正确的机构设计方案，提高实践教学环节的教学效率。
四、结语
本文以提高机械原理、机械设计基础等课程中平面机构部分教学内容的教学质量和教学效率为目标，利用LISP语言开发了基于CAD平台的平面机构运动演示分析教学软件，该教学软件的开发符合新时期高校教学的要求，不仅可以提高教学手段的现代化水平，同时贴合学生学习的需要。通过该教学软件的应用，教师可以把课堂重点放在各种平面机构运动特性分析上，最大限度地利用好课堂时间，提高了教学效率，学生也参与到机构的设计和运动特性分析中来，提高学生的学习兴趣和主动性，推动了教学质量的提高。
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（责任编辑：宋秀丽）