機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)的研制

陳瑞林，丁 頌

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130032)

1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)由智能載重車、三角支架和旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)構(gòu)成(圖1)。在圖1中，位置1為航母發(fā)動(dòng)機(jī)，位置2為空間四桿機(jī)構(gòu)，位置3為內(nèi)燃機(jī)，位置4為鄂式破碎機(jī)，位置5為變速器，位置6為鏈帶傳動(dòng)，位置7為智能載重車。在程序的控制下，智能載重車通過(guò)傳感器反饋?zhàn)饔?，能夠?qū)崿F(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)、智能壁障;三角形支架采用三角形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、自重輕、承載能力大，可以有效地聯(lián)系智能載重車和旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)，為旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)提供穩(wěn)固的支撐作用和足夠的運(yùn)轉(zhuǎn)空間;旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)，由六個(gè)面構(gòu)成，形成立體式平臺(tái)，該平臺(tái)展示內(nèi)容可以任意擴(kuò)展，本文以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例，在六個(gè)面上分別展示了變速器機(jī)構(gòu)、平面連桿機(jī)構(gòu)、多級(jí)變速器、凸輪機(jī)構(gòu)、帶和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及空間四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；诨埕~模型搭建機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)，如圖2所示。

圖1 機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)

圖2 機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)

1.1 智能載重車的設(shè)計(jì)

車體用四個(gè)長(zhǎng)度相同的桿件搭建，由四個(gè)大小相同的電機(jī)帶動(dòng)，運(yùn)用圓柱蝸桿蝸輪傳動(dòng)，其傳動(dòng)比大，體積小，承載能力大。同時(shí)當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面當(dāng)量摩擦角時(shí)，蝸桿蝸輪傳動(dòng)具有自鎖性，不可倒轉(zhuǎn)，此時(shí)蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)只能用蝸桿驅(qū)動(dòng)，并能阻止蝸輪反驅(qū)動(dòng)，能夠在沒(méi)有任何附加制動(dòng)裝置的情況下使用。同時(shí)選擇履帶傳輸，使車體底面與地面接觸面積增大，壓強(qiáng)減小，增大了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

1.2 支架設(shè)計(jì)

在支架設(shè)計(jì)中要考慮到兩方面:穩(wěn)定性和足夠的空間。三角形具有穩(wěn)定性，首先確定支架的形狀為三角形，支架由加強(qiáng)筋加固。關(guān)于支架的尺寸設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)量得到旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)單個(gè)面板長(zhǎng)度L=250m，寬度B=180mm，確定支架高度h=460mm，長(zhǎng)度l=380mm，寬度b=410mm，由tanα=460/205≈1.699計(jì)算可得角α=30°。為使支架穩(wěn)定，全部采用三角形結(jié)構(gòu)，在支架最外輪廓用強(qiáng)度較高的空心粗桿搭建，以減輕整體的重量，內(nèi)部用細(xì)實(shí)桿，使整個(gè)支架牢固且穩(wěn)定。

1.3 旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)六個(gè)面的設(shè)計(jì)

基于本專業(yè)的課程內(nèi)容，在六個(gè)不同的面板上分別設(shè)計(jì)了不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖3)，分別為內(nèi)燃機(jī)、航母發(fā)動(dòng)機(jī)、破碎機(jī)、變速器、鏈帶傳動(dòng)和平面連桿機(jī)構(gòu)等。程序控制式旋轉(zhuǎn)六面體，結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作，由此全面系統(tǒng)地展示了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖3 旋轉(zhuǎn)六面體六個(gè)面板

2 運(yùn)動(dòng)原理分析

本平臺(tái)由一個(gè)控制面板、三個(gè)電源組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)將編輯程序?qū)肟刂泼姘逯校每刂泼姘逯械某绦驅(qū)φ麄€(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制，使“機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)”自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。智能載重車上的兩個(gè)電源分別連接兩側(cè)的四個(gè)直流電動(dòng)機(jī)使其左右履帶運(yùn)轉(zhuǎn)，另一個(gè)電源為旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)的六個(gè)面板上不同傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供運(yùn)轉(zhuǎn)能源。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障的功能，在車體前端和兩側(cè)裝有超聲波檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)來(lái)自前方不同方向的障礙。通過(guò)程序設(shè)計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到前方15～35cm范圍內(nèi)有障礙時(shí)，根據(jù)兩側(cè)傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)，車體向無(wú)障礙一側(cè)轉(zhuǎn)彎。在相同情況下，向左轉(zhuǎn)，車體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，當(dāng)檢測(cè)到前方小于10cm范圍內(nèi)有障礙時(shí)，車體停止前進(jìn)，向后運(yùn)動(dòng)，退后15cm，檢測(cè)轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，在保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由此也可以通過(guò)遙控器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

在支架上安裝兩個(gè)超聲波探測(cè)器，一個(gè)超聲波探測(cè)器的作用是對(duì)旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，使旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)能夠精確停止，并通過(guò)自動(dòng)開關(guān)對(duì)處于最上端一個(gè)面的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行展示;另一個(gè)超聲波探測(cè)器的作用是:小車在行走過(guò)程中，學(xué)生伸手在傳感器正前方15～35cm處時(shí)，小車便會(huì)在控制面板的操作下停止，然后旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)上的六個(gè)支架上分別有相同的接觸開關(guān)，可以使旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)支架的接觸開關(guān)與小車支發(fā)生接觸時(shí)，回路閉合，六面體停止旋轉(zhuǎn)，面板上的機(jī)構(gòu)則開始運(yùn)動(dòng)展示。

3 程序設(shè)計(jì)

主程序如圖4所示，避障子程序如圖5所示，旋轉(zhuǎn)六面體子程序如圖6所示。程序中符號(hào)含義如下:MI、M3為車體左側(cè)電機(jī);M2、M4為車體右側(cè)電機(jī);I1為支架右側(cè)超聲波感應(yīng)器;I3、I4為車體前端左右超聲波感應(yīng)器;I2為支架正左側(cè)超聲波感應(yīng)器。

圖4 主程序示意圖

程序含義如下:

主程序開始進(jìn)入避障程序，當(dāng)I2感應(yīng)強(qiáng)度不超過(guò)30時(shí)，執(zhí)行轉(zhuǎn)彎避障的子程序，當(dāng)I3感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)11時(shí)，M1、M3繼續(xù)正轉(zhuǎn)，M2、M4減速反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)避障左轉(zhuǎn)的過(guò)程，同理I4可控制右轉(zhuǎn)。程序循環(huán)可完成轉(zhuǎn)彎避障的過(guò)程。

當(dāng)I2感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)30時(shí)，主程序停止運(yùn)行，進(jìn)入使旋轉(zhuǎn)六面體轉(zhuǎn)動(dòng)的子程序，執(zhí)行子程序，M1、M2、M3、M4四個(gè)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，車體停止行進(jìn)，同時(shí)I3、I4停止，車體避障停止，觸動(dòng)開關(guān)開啟，旋轉(zhuǎn)六面體轉(zhuǎn)動(dòng)，I1感應(yīng)器開始運(yùn)行，當(dāng)感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)7時(shí)，旋轉(zhuǎn)六面體轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)強(qiáng)度低于7時(shí)，旋轉(zhuǎn)六面體停止，同時(shí)觸動(dòng)開關(guān)開啟，處于旋轉(zhuǎn)六面體最上端的面板開始轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行展示。

六個(gè)面板展示結(jié)束后，再次進(jìn)入轉(zhuǎn)彎避障的子程序，程序循環(huán)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)智能避障行走展示，也可通過(guò)遙控器控制機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)以及單個(gè)面板上機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

圖5 避障子程序

圖6 旋轉(zhuǎn)六面體子程序

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)構(gòu)原理智能可視化平臺(tái)能很好地解決目前高校大班上課中存在的占座問(wèn)題。另外，該設(shè)備開辟了一條教具途徑，對(duì)旋轉(zhuǎn)六面體平臺(tái)可以任意擴(kuò)展，使之成為理工科類教學(xué)人員的有利助手，相信在未來(lái)該設(shè)備將得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

［1］孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］安琦，顧大強(qiáng).機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［3］朱健民，吳翊，李建平，等.從教具談大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)方法改革［J］.中國(guó)大學(xué)教育，2010(3):55－57.

［4］關(guān)曉佳.自制教具讓物理教學(xué)充滿活力［J］.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與教具制作，2014(4):45－47.

［5］張啟森.淺談職業(yè)學(xué)校汽車專業(yè)教具的發(fā)展［J］.汽車維修與保養(yǎng)，2013(9):100－101.

［6］李俊.淺談如何利用自制教具激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［J］.價(jià)值工程，2013(34):286－287.

［7］翁海珊，王晶.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課外實(shí)踐選題匯編——第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品集［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［8］王晶.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課外實(shí)踐選題匯編——第二屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品集(附光盤)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［9］王晶.第三屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽決賽作品選集(附光盤)［M］.北京:高等教育出版社，2010.