基于三維空間機(jī)構(gòu)的教學(xué)用拆裝實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

徐英帥，萬智輝，黃偉莉，趙杰

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌330013）

0 引言

當(dāng)前高校人才培養(yǎng)質(zhì)量最突出的問題主要體現(xiàn)在學(xué)生實(shí)踐能力不強(qiáng)、創(chuàng)新精神不足，因此在教學(xué)當(dāng)中通過實(shí)踐課程培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力尤為重要[1-2]。開設(shè)機(jī)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力的有效措施[3]。

機(jī)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)裝置落后是學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙，因此需要有功能完善且拆裝操作方便、靈活的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件。目前，高校的機(jī)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)裝置還主要局限于單一動(dòng)力源、一個(gè)自由度等平面機(jī)構(gòu)，由于經(jīng)費(fèi)不足等原因，設(shè)備老舊及更新困難的現(xiàn)象還普遍存在[4]。另外，傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)拆裝實(shí)驗(yàn)裝置通常還具有體積大、操作繁瑣等特點(diǎn)，不利于達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

1 拆裝實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，設(shè)計(jì)一種基于三維空間機(jī)構(gòu)的教學(xué)用拆裝實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、拆裝操作方便、靈活及經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)，不但可以提高現(xiàn)有機(jī)構(gòu)拼裝實(shí)驗(yàn)裝置水平，而且可以改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方法。

基于三維空間機(jī)構(gòu)的教學(xué)用拆裝實(shí)驗(yàn)裝置的各構(gòu)件不全部在同一個(gè)平面或者平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，它具有運(yùn)動(dòng)多樣、結(jié)構(gòu)緊湊、靈活可靠的特點(diǎn)。一些用平面機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及空間軌跡曲線可以通過三維空間機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因而三維空間機(jī)構(gòu)在各種工作機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，完全可以滿足相關(guān)課程的教學(xué)需求[5-6]。

結(jié)合相關(guān)理論和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在基于三維空間機(jī)構(gòu)的教學(xué)用拆裝實(shí)驗(yàn)裝置上集成了帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、外齒輪機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)等，可以根據(jù)實(shí)際需要拼裝平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)，有助于加強(qiáng)學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新意識(shí)，提高機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力。針對(duì)不同的教學(xué)目的，可以利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行拆卸實(shí)驗(yàn)和拼裝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。

2 拆裝實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為一組拼裝好的三維空間機(jī)構(gòu)，在此空間機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上便可以練習(xí)拆卸實(shí)驗(yàn)，并可通過觀察整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)一步掌握該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。圖中的三維空間機(jī)構(gòu)主要由立體支架、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電氣盒子，以及相配套的若干組機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電氣盒子和機(jī)械結(jié)構(gòu)均可拆卸地設(shè)置在立體支架上。為了保證使用安全、操作方便和設(shè)備美觀，配備了電氣盒子，并在電氣盒子的面板上設(shè)置了電動(dòng)機(jī)調(diào)試旋鈕和電源開關(guān)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為16.9 N·m，最大轉(zhuǎn)速為18 r/min，電源為AC220 V、50 Hz，功率為0.9 kW，與電氣盒子電連接后開啟電源便可驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作，并可檢驗(yàn)空間機(jī)構(gòu)創(chuàng)新模型的設(shè)計(jì)是否合理。這里面的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以是帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、外齒輪機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、平行四邊形機(jī)構(gòu)、馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)等中的一種或幾種組成，每種機(jī)構(gòu)也可以是一組或多組，上述各機(jī)構(gòu)直接或間接通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，最終使所有機(jī)構(gòu)一起協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 拼裝好的典型三維空間機(jī)構(gòu)

每種機(jī)構(gòu)也是由若干個(gè)不同的零部件拼裝組成的，如果要進(jìn)行拼裝實(shí)驗(yàn)就需要熟悉都有哪些零部件，以及各機(jī)構(gòu)是由哪些零部件組成的。主要的零部件包括V帶輪、皮帶、大錐齒輪、小錐齒輪、蝸輪、蝸桿、大直齒輪、小直齒輪、搖桿、車輪、主槽輪、從槽輪、齒條、連桿、滑塊、連接軸、軸承支座、支座導(dǎo)軌等。其中，在搖桿上還設(shè)置有移動(dòng)槽，在大直齒輪上設(shè)置有用于伸入到移動(dòng)槽內(nèi)的凸柱。上述各零部件至少設(shè)置一個(gè)，根據(jù)實(shí)際需要可以設(shè)置有多個(gè)，需要操作者提前構(gòu)思好所要拼裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)，再利用相關(guān)零部件進(jìn)行拼裝。利用相關(guān)零部件在立體支架上可以拼裝出多種不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所拼裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)，打開電氣盒子的開關(guān)就可使整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。

帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由V帶輪、皮帶和連接軸拼裝組成；圓錐齒輪機(jī)構(gòu)主要由大錐齒輪、小錐齒輪和連接軸拼裝組成；蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)主要由蝸輪、蝸桿和軸承支座拼裝組成；外齒輪機(jī)構(gòu)主要是由大直齒輪、小直齒輪和連接軸拼裝組成；擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)主要是由搖桿、大直齒輪和軸承支座拼裝組成；平行四邊形機(jī)構(gòu)主要是由車輪、連桿、連接軸和軸承支座拼裝組成；馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)主要由主槽輪、從槽輪、連接軸和軸承支座拼裝而成；齒輪齒條機(jī)構(gòu)主要是由齒條、車輪、連桿、滑塊、小直齒輪、連接軸、軸承支座和支座導(dǎo)軌拼裝組成；曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)主要由連桿、滑塊、連接軸、軸承支座和支座導(dǎo)軌拼裝組成。另外，也可以根據(jù)相關(guān)零部件在立體支架上拼裝出其他機(jī)械結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行拼裝實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要在立體支架上進(jìn)行拼裝，立體支架由底架、頂架和中部支架組成，其最大外形長(zhǎng)×寬×高尺寸為1200 mm×350 mm×650 mm。底架的寬度大于頂架的寬度，底架的長(zhǎng)度與頂架的長(zhǎng)度相同，底架由10根橫梁拼接組成，頂架由4根橫梁組成矩形形狀。中部支架通過8根立柱將底架和頂架聯(lián)接到一起，另外還配備了一些長(zhǎng)度相對(duì)較短的立柱和橫梁用來支撐相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。立體支架的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，在實(shí)際拼裝時(shí)可以適當(dāng)增加一些短橫梁和短立柱，但只能改變中部支架，底架和頂架是固定不變的。

圖2 立體支架的主體結(jié)構(gòu)

綜上所述，如果要進(jìn)行拆卸實(shí)驗(yàn)可以在圖1的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)操作，如果要進(jìn)行拼裝實(shí)驗(yàn)可以在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)操作。另外，所設(shè)計(jì)的拆裝實(shí)驗(yàn)裝置中連桿與連桿之間的聯(lián)接部分可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)滑塊偏心距也可以進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，從而可以在機(jī)械拆裝的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析，分析參數(shù)改變對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，以及機(jī)構(gòu)上某些點(diǎn)的軌跡、速度、位移等。不但有助于學(xué)生理解相關(guān)的理論知識(shí)，還可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新及動(dòng)手能力。

3 拆裝實(shí)驗(yàn)方案分析

拆裝實(shí)驗(yàn)方案有很多種，實(shí)際上拆卸實(shí)驗(yàn)和拼裝實(shí)驗(yàn)是兩個(gè)完全相反的過程，二者只要掌握其一就能夠摸索完成另一種實(shí)驗(yàn)，但兩種實(shí)驗(yàn)可以從不同角度鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。下面以拼裝實(shí)驗(yàn)為例來敘述其中一種典型的方案，在掌握此方案的基礎(chǔ)上容易構(gòu)思出更多的拆裝實(shí)驗(yàn)方案，有利于開發(fā)設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)。

為了使所拼裝的機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須首先將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電氣盒子安裝到立體支架的合適位置。如圖3所示，在立體支架的端部安裝電氣盒子，在底架中部的兩個(gè)短橫梁上安裝驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然也可選擇其他的適當(dāng)位置進(jìn)行安裝。

圖3 安裝驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電氣盒子

如圖4所示，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)左斜上方立體支架的相應(yīng)位置設(shè)置連接軸，并用軸承支座固定，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及連接軸上各設(shè)置一個(gè)V帶輪，用皮帶連接2個(gè)V帶輪構(gòu)成帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上方借助3個(gè)軸承支座將蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)安裝在立體支架上。在蝸桿的端部連接小錐齒輪，大錐齒輪通過連接軸固定到立體支架上，并與小錐齒輪相互嚙合構(gòu)成圓錐齒輪機(jī)構(gòu)。同時(shí)，在安裝大錐齒輪的連接軸上安裝1個(gè)V帶輪，與第一個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接軸同軸再安裝1個(gè)V帶輪，將2個(gè)V帶輪通過皮帶相連又構(gòu)成一個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。開啟電氣盒子的電源開關(guān)并調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)調(diào)試旋鈕，即可使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)第一個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，同時(shí)帶動(dòng)第二個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)及蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)一起動(dòng)作。

圖4 拼裝帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和圓錐齒輪機(jī)構(gòu)

如圖5所示，在立體支架的合適位置安裝1根連接軸，并在連接軸上安裝大直齒輪，與第一個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接軸同軸再安裝1個(gè)小直齒輪，大直齒輪和小直齒輪相互嚙合構(gòu)成外齒輪機(jī)構(gòu)，外齒輪機(jī)構(gòu)可以隨帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。在大直齒輪下側(cè)立體支架的底架橫梁上安裝軸承支座，軸承支座與設(shè)置有移動(dòng)槽的搖桿的一端相連，搖桿的另一端與大直齒輪相連，在大直齒輪上設(shè)置有用于伸入到移動(dòng)槽內(nèi)的凸柱，這樣便構(gòu)成擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在外齒輪機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下即可運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5 拼裝外齒輪機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

如圖6所示，在立體支架的另外一側(cè)與小直齒輪同軸安裝1個(gè)車輪，再利用軸承支座與剛安裝好的車輪在同一水平的位置處左右兩側(cè)各固定1個(gè)車輪，3個(gè)車輪在一條水平線上并用連桿聯(lián)接到一起構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，在帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)便可帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)一起運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 拼裝平行四邊形機(jī)構(gòu)

如圖7所示，在立體支架安裝蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的一側(cè)面上借助軸承支座安裝1個(gè)主槽輪和1個(gè)從槽輪，并使主槽輪和從槽輪相互嚙合構(gòu)成馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)。與主槽輪同軸安裝1個(gè)V帶輪，與平行四邊形機(jī)構(gòu)靠近馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)的車輪同軸安裝1個(gè)V帶輪，在2個(gè)V帶輪的中間位置用2個(gè)軸承支座固定1根連接軸到立體支架上，并用皮帶連接同一平面內(nèi)的2個(gè)V帶輪，組成2組互相平行的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣便可使平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 拼裝馬爾他槽輪機(jī)構(gòu)

如圖8所示，在立體支架安裝平行四邊形的一側(cè)與大直齒輪同軸安裝1個(gè)車輪，同時(shí)在立體支架的合適位置安裝1根支座導(dǎo)軌，支座導(dǎo)軌上滑動(dòng)設(shè)置有2個(gè)滑塊，滑塊的下端固定連接有齒條，齒條的一端通過連桿與車輪連接，另外再利用軸承支座固定1個(gè)小直齒輪到立體支架上，使小直齒輪與齒條相互嚙合而組成齒輪齒條機(jī)構(gòu)，外齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)即可帶動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖8 拼裝齒輪齒條機(jī)構(gòu)

如圖1所示，是在圖8的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上增添了曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。在立體支架的合適位置垂直安裝1根支座導(dǎo)軌，并在支座導(dǎo)軌上安裝1個(gè)滑塊，另外安裝2個(gè)軸承支座到立體支架上，通過1個(gè)滑塊和2個(gè)軸承支座將4根連桿聯(lián)接到一起，其中有1組3根連桿的一端共軸，還有1組2根連桿的一端共軸，這樣便構(gòu)成曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。利用1個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)與平行四邊形機(jī)構(gòu)相連，所以在平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)也會(huì)跟著一起運(yùn)轉(zhuǎn)。

上述拼裝方案可以構(gòu)成完整的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，將電源開關(guān)打開后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)便可帶動(dòng)整個(gè)三維空間機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。上述方法是相對(duì)較優(yōu)的拼裝方案，利用此套拆裝實(shí)驗(yàn)裝置可以拼裝出多種不同的三維空間機(jī)構(gòu)。如果要進(jìn)行拆卸實(shí)驗(yàn)可由教師提前拼裝好一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后由學(xué)生來完成拆卸操作。無論是拆卸實(shí)驗(yàn)還是拼裝實(shí)驗(yàn)，都需要讓整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)起來讓學(xué)生觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，以加深對(duì)機(jī)構(gòu)組成的理解，達(dá)到機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)論

利用所提供的零部件結(jié)合幾種機(jī)械結(jié)構(gòu)能創(chuàng)造出多種拆裝方案，所有零部件采用迭加組合原理自由拆裝，能充分培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，加深對(duì)機(jī)構(gòu)組成原理與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征的理解和認(rèn)識(shí)。三維空間機(jī)構(gòu)是很多種機(jī)械的主體機(jī)構(gòu)，在機(jī)械工程中具有廣泛的應(yīng)用。由于單一機(jī)構(gòu)性能的局限性，以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)雜性與多樣性，所以只拆裝其中任意一種機(jī)械結(jié)構(gòu)難以滿足機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的要求，通常需要將多種機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行變異或組合拆裝，以獲得新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和組合機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到真正意義上的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。