機械設(shè)計理實一體化實驗平臺的設(shè)計

田姍姍 郭夢強 孫成安 劉曉寅 張 茜

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學，石家莊 050011）

機械教學平臺設(shè)計現(xiàn)階段存在“部分機械演示平臺”的缺陷。多數(shù)機械類教學平臺存在演示類型過于單一和學生實訓時對機械機構(gòu)運動原理與設(shè)計了解不全面的問題，僅能進行PPT演示，很難在實際課堂教學中進行結(jié)構(gòu)或原理演示、實際操作[1]。此機械設(shè)計理實一體化實驗平臺可以讓學生在學習課程內(nèi)容時實際了解一些基礎(chǔ)機械結(jié)構(gòu)的裝配形式、運動方式以及連接方式等。此實驗平臺運用虛實結(jié)合，既能在電腦中運用軟件仿真又能在實際中動手操作，既可以根據(jù)已有的機械裝置進行裝配又可以發(fā)揮自己想象自由組合。此平臺操作簡便，可幫助學生鞏固理論知識，拓寬知識面，提高分析問題與解決問題的能力。該機械平臺可以很好地實現(xiàn)“教+學”，利用軟件和實際的結(jié)合，既學習軟件又鍛煉動手能力，達到了更好的教學效果，為平臺類的教學用具研究演示提供了一個新選擇，為開設(shè)機械教學實訓課程的學校提供了一個新的技術(shù)產(chǎn)品。

1 拆裝平臺設(shè)計

1.1 平面平臺設(shè)計

機械拆裝實驗平臺要求有一定的承重能力，具有固定機構(gòu)零件的位置，滿足零件位置可以隨意移動且固定的要求，且要求桌面不易磨損[2]。拆裝實驗平臺設(shè)計尺寸范圍為1 500～2 000 mm，寬度為800～1 000 mm，高度可調(diào)節(jié)。根據(jù)實際的操作環(huán)境和教室面積，初步計劃實驗平臺長度1 880 mm、寬度900 mm、高度800～850 mm，高度可調(diào)節(jié)。根據(jù)需求，最后決定桌面板采用工業(yè)鋁型材歐標3030為原材料。工業(yè)鋁型材抗刮擦、耐腐蝕，切割方便無毛刺，具有高承載能力。AL-Mg-Si合金擠壓型材具有梯形凹槽結(jié)構(gòu)，使得其承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極強，可作為桌面面板。此型材帶有梯形槽，配合鏈接間可以在任意位置固定所需零件。平臺桌面和桌面連接方式分別如圖1和圖2所示。

1.2 平臺工具箱設(shè)計

機械拆裝平臺桌面下的空間作為平時拆裝實訓專門的工具放置區(qū)。將桌面下的空間分成兩個部分，一邊做推拉門，另一邊做側(cè)開門[3]。兩側(cè)對稱設(shè)計，方便學生在平臺兩側(cè)取用工具。將推拉門一側(cè)空間用隔板分成6塊區(qū)域，分別放置各種機構(gòu)零件、框架支撐零件、連接件以及各種配件等。側(cè)開門區(qū)域分為上下兩層。上層為抽屜，兩側(cè)都可抽取，專門放置拆裝所需的常規(guī)工具，如常用的各種規(guī)格螺絲刀、多種規(guī)格扳手、尖嘴鉗以及錘子等。下層專門放置平時使用的工具和零件的保養(yǎng)工具，如擦拭工具、潤滑工具以及調(diào)整工具等，以便定期對實驗平臺的零件和工具進行保養(yǎng)，以延長零件的使用壽命[4]。工具箱如圖3所示。

2 典型拆裝設(shè)備的選擇

2.1 桿機構(gòu)選擇可變四桿機構(gòu)教具板

此教具板可變化調(diào)節(jié)桿的鏈接長度為曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)[5]。通過改變機架長度和更換桿件展示出雙曲柄機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)，完整展示了四桿機構(gòu)的運動情況及其運功軌跡。它可動態(tài)演示傳動角和壓力角的變化，并顯示出死點位置和極位夾角的位置。它還可動態(tài)演示曲柄搖桿到曲線導軌曲柄滑塊再到直線導軌曲柄滑塊的變化。此教具具有兩面[6]。對于正面，它展示了四桿機構(gòu)傳動、壓力角的動態(tài)變化和死點位置、極位夾角的位置，如圖4所示。它由四根桿件組成的曲柄搖桿機構(gòu)、受力分析箭頭和極位夾角板組成，受力分析箭頭跟隨原動件和連桿的轉(zhuǎn)動而變化，動態(tài)表示出壓力角和傳動角的變化。后面極位夾角板表示曲柄搖桿機構(gòu)的兩個死點位置和曲柄搖桿機構(gòu)的極位夾角。對于反面，它可演示四桿機構(gòu)的動力學過程。由于桿長的變化它形成了不同的機構(gòu)，并發(fā)展了一種曲軸機構(gòu)，用于曲軸纏繞，然后從曲線導引到線性導引，如圖5所示。

2.2 絲杠機構(gòu)選擇小型銑床模型

本次選用的小型銑床模型包含滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，如圖6所示。它的平臺的前后移動和主軸的上下左右移動均通滾珠絲杠結(jié)構(gòu)完成。它的xyz軸利用滾珠絲杠進行驅(qū)動。通過3個電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使平臺和主軸進行移動。通過銑床模型的拆卸，學生可以了解滾珠絲桿的原理和結(jié)構(gòu)特點。滾珠絲杠可以改變運動方向，將電機的旋轉(zhuǎn)運動改變成平臺和主軸的直線運動[7]。該銑床的整體框架由工業(yè)鋁型材搭建而成，輕巧且裝配簡便，適合學生在拆裝實訓課程中使用。

3 機械拆裝平臺整體結(jié)構(gòu)

基于SolidWorks虛擬仿真機械拆裝平臺由電腦和實訓平臺組成。電腦中下載安裝SolidWorks軟件，并安裝Motion插件和邁迪工具集插件[8]。平臺配備機械零件、拆裝工具和保養(yǎng)工具。

使用軟件模擬仿真機構(gòu)，機構(gòu)運轉(zhuǎn)正常后，在平臺工具箱取出組裝機構(gòu)所需的零件和工具，在平臺桌面上進行實際動手裝配。裝配完成效果，如圖7所示。下課前將組裝的機構(gòu)拆除，所用的零件和拆裝工具保養(yǎng)完成后放回工具箱。

4 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機械拆裝實訓課程教學，設(shè)計了基于SolidWorks虛擬仿真機械拆裝的實訓平臺。利用此平臺有效提升了學生的學習效果，緩解了高校機械拆裝實訓設(shè)備緊缺、時間和場地有限等問題，為機械拆裝提供了新型且有效的教學手段，值得進一步研究和應(yīng)用。

本文在分析機械拆裝課程學習與實訓需求的基礎(chǔ)上進行機械拆裝實驗平臺的研發(fā)，通過SolidWorks對實驗平臺和典型的機械結(jié)構(gòu)零件進行建模，運用SolidWorks軟件Motion插件進行運動算例仿真。仿真完成后，在實驗平臺上進行實際的動手拆裝操，有助于增強教學多樣性，使教學過程更加生動，有效提高教學質(zhì)量，有助于學生更加牢固地掌握機構(gòu)的構(gòu)造和相關(guān)的機械原理，熟悉機構(gòu)拆裝過程。本機械拆裝實驗平臺初步滿足了機械拆裝實訓課程的教學需求，但也存在一些不足，如典型機構(gòu)模型較少，只能展現(xiàn)部分簡單的機械原理和機械結(jié)構(gòu)，還需要在后續(xù)的學習工作中不斷完善。