“夢幻接力”機械原理演示教具設計說明書(2014.5.13)

1、 “夢幻接力”機械原理演示教具設計說明書設計者：王建峰 焦智贏 楊旭 高宬宬 張振平指導老師：楊曉輝 毛力（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，沈陽 110000）作品內(nèi)容簡介機械原理（theory of machines and mechanisms）是研究機械中機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動，以及機器的結(jié)構(gòu)、受力、質(zhì)量和運動的學科。作為機械類專業(yè)大學生最先接觸的專業(yè)基礎課，也是機械類專業(yè)的入門課程?！皺C械原理”對機械專業(yè)，乃至今后從事機械方面的工作具有重要意義?！皦艋媒恿Α睓C械原理演示教具，是以小球和軌道作為媒介，將幾個生產(chǎn)生活中常用的典型機構(gòu)有機結(jié)合，通過小球在各個機構(gòu)間的傳送，演示各種典型機構(gòu)在實際中的應用。

2、小球的使用不僅增加了教具的趣味性，演示形式的多變性，也起到使理論與實踐結(jié)合的橋梁作用，并且對鍛煉機械思維和培養(yǎng)其對機械行業(yè)的興趣都有積極效果。“夢幻接力”機械原理演示教具，不僅能夠完成多種機構(gòu)運動演示，還配有語音講解，還可以用它開設出許多實驗課，完成理論實踐理論的學習過程?？蓭椭鷮W生更好的理解機械結(jié)構(gòu)及其應用，有效地增加學生自主學習的興趣?！皦艋媒恿Α备淖兞爽F(xiàn)有機構(gòu)展示枯燥、低效的格局，寓教于樂。使機械類大學生在熟悉機構(gòu)原理和了解機構(gòu)應用的同時，也輕松了教學過程和提高了教育效率，有很強的推廣價值和廣闊的市場前景。可以在各院校的機械類教學中推廣使用，學生從中能夠?qū)W到很多專業(yè)知識和對于自身具有實際

3、意義的東西，對今后的學習和工作均有積極意義。它定會使大學的機械講堂更加幻夢，使機械教育更加豐富多彩。關鍵詞：機械原理 機構(gòu) 演示教具 應用 1 設計背景機械原理（theory of machines and mechanisms），研究機械中機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動，以及機器的結(jié)構(gòu)、受力、質(zhì)量和運動的學科。作為機械類專業(yè)大學生最先接觸的專業(yè)基礎課，也是機械類專業(yè)的入門課程。“機械原理”對機械專業(yè)，乃至今后從事機械方面的工作具有重要意義。讓大學生喜歡機械原理，不僅提高了他們的專業(yè)素養(yǎng)，并且對鍛煉機械思維和培養(yǎng)其對機械行業(yè)的興趣都顯得至關重要。因此，學生如何學好機械原理，學校和老師利用什么方法來培養(yǎng)學生的

4、學習興趣，從而提高學生的學習效率和學習效果，就應格外引起人們的重視。研究表明，教學實踐中對教具的良好使用，往往能使教學過程起到事半功倍的效果。教具使知識具體化、形象化，為學生感知、理解和記憶知識創(chuàng)造了條件。教具的直觀性能促使學生的具體感知與抽象思維相結(jié)合，減少學生掌握抽象概念的困難，幫助其形成明確的概念，發(fā)展其觀察能力和思維能力，提高學生的學習興趣和積極性；另外教具具有實踐性，實物媒介大多是可以觸摸、使用、解剖的，這在培養(yǎng)學生技能方面有著特殊的意義；教具仍有研究價值，實物媒介所含科技信息是豐富的，有很多內(nèi)容未被人類提取，它本身就是科研對象，對于知識甚少的學生，許多實物媒介也有研究的價值； 教具

5、還具有很強的典型性，使它符合教學要求，能有效地形成清晰的表象并引導學生從展示的現(xiàn)象上去認識事物的本質(zhì)。從感性知識上升到理性知識，促進學生全面深刻地掌握知識。因此，一個出色的機械原理演示教具，是“機械原理”課程中不可缺少的一部分。機械專業(yè)的大學生開始認識到自己即將踏入機械行業(yè)這扇大門的大事記是大二上學期學習的機械原理課程。機械原理是機械類各專業(yè)的學生必修的一門重要的技術基礎課程，它比物理和理論力學等理論課程更加接近工程實際，所以又與其它課程有所不同。構(gòu)件、運動副、約束、自由度、四桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)在體會機械原理奧妙和感受機械原理博大精深的同時，也會由于某些原理知識的難以理解、難以想象而苦

6、惱不堪。根據(jù)現(xiàn)代的素質(zhì)教育的要求，僅僅在課堂上授予和學習基礎知識是遠遠不夠的，課程任務中還設置了許多實驗課。在眾多的實驗中，最令人印象深刻的就是“機械原理”的認識實驗。進入實驗室，映入眼簾的全是嶄新的機械原理演示教具（見圖1）。有變化多端的四桿機構(gòu);有形狀各異的凸輪機構(gòu);還有多種多樣的齒輪配合同學們有的爭相拍照；有的認真觀看；有的一言不發(fā)深思原理演示實驗課使學生受益匪淺，演示教具在機械原理教學環(huán)節(jié)起到了積極作用。圖1 傳統(tǒng)的機械原理演示教具這些可以運動的機械原理演示教具，讓學生真切的體會到機械原理的可行性，給學生留下深刻印象。每當再需要運用機械原理時，最先想起來的，總是曾經(jīng)參觀過的機械原理演示

7、教具。而仔細回想，所有的細節(jié)也都是一片空白，時間足以把那些教具的運動細節(jié)消磨的一干二凈。加之現(xiàn)在的大學教育，只是一種普及性教育，其教育內(nèi)容大多數(shù)側(cè)重于原理概念和理論計算，對工程運用實例幾乎沒有涉及。于是導致當代大學生所學的知識和實踐有所脫節(jié)，學到的知識不能很好地聯(lián)系實際、運用到實際。翻閱有關機械原理教具的資料，市面上能夠提供的機械原理演示教具，均是單一的展示原理圖例、各機構(gòu)死板的堆放在一起雖然在初次接觸時能給學生一種新鮮感，但在長期的教學過程中，常規(guī)的機械原理教具并不能有效地提高學生們的探索熱情和自主學習的主觀能動性。如果能夠設計出一款更具亮點、運動特點更加鮮明、觀看后令人無法忘卻的機械原理演

8、示教具，并且能結(jié)合工程實際那該多好啊。它定會使大學的機械講堂更加幻夢，使機械教育更加豐富多彩。2 創(chuàng)新構(gòu)思與方案設計為了設計出一款更具吸引力、讓人牢記的機械原理演示教具，需要做的第一件事就是選取合適的機構(gòu)。認真研讀機械原理教材，從中提取機械原理中有價值的知識點，作為設計這款機械原理演示教具的演示對象。機械原理是一門技術基礎課，其最顯著的特點是基礎理論與工程實際的結(jié)合。翻閱相關資料，對機械教育都會無一例外的強調(diào) “注重理論聯(lián)系實際”、“初步建立工程觀點”。因此，為了使教具更加具有指導實踐工業(yè)生產(chǎn)的意義，也是增強教具在工程實踐教學方面的作用，我們搜集一些在生產(chǎn)生活中運用這些知識點的常用機構(gòu)實例。最

9、終選取了七個運用連桿和凸輪的經(jīng)典機構(gòu)，使它們成為演示教具的主要部分。為了避免常規(guī)機械原理教具死板的“堆放”模式，設計中決定把選好的機械原理演示模塊進行有機的拼接，讓它們的運動協(xié)調(diào)起來，形成一個整體，而不是簡單的一個一個的單獨擺放。如何將七個機構(gòu)模塊有機地結(jié)合是關鍵問題。通過查資料，最終選擇了以小球和軌道作為媒介，將教具設計成一種輸送小球循環(huán)運動的形式。小球在經(jīng)過各機構(gòu)時，機構(gòu)要通過做不同動作，使小球?qū)崿F(xiàn)不同方式的運動和傳送，最終還能完成小球的整體循環(huán)，就像田徑賽場上最驚心動魄的接力運動，。于是把這款機械原理演示教具起名為“夢幻接力”?！皦艋媒恿Α蹦軌虬迅鳈C構(gòu)的原理，及其應用實例進行充分、自然的

10、展示，并且表現(xiàn)方式新穎，充滿吸引力。這款“夢幻接力”機械原理演示教具，定能開辟娛樂型機械原理教具之先河，為學生帶來更多機械原理學習方面的幫助。為了方便老師教學，教具還利用工控技術，給教具賦予耳朵添加遙控模塊，使老師的教課更加靈活，對教具的操作更加得心應手。為了使學生更好地接受，教具還添加了語音解說模塊，它會自動的根據(jù)正在演示的機構(gòu)，進行相應的解說，輔助學生理解和學習。這樣，一款智能、具有工程實踐意義、令人過目不忘的機械原理演示教具，就初步浮現(xiàn)在眼前了。3主要機構(gòu)設計及功能實現(xiàn)如圖2所示，“夢幻接力”機械原理演示教具主要由砸球裝置、階梯提升裝置、分軌裝置、摩天輪裝置、補軌裝置、步進提升裝置、扣球

11、裝置七部分和軌道組成。小球通過軌道可以在這些裝置之間穿梭，將七部分連接成一個整體?！皦艋媒恿Α蓖ㄟ^小球作為媒介，既可以演示各個機構(gòu)的工作原理，也使演示具有趣味性和多變性?！皦艋媒恿Α睓C械原理演示教具即可作整體循環(huán)演示，也可作單體反復演示。在單體演示的同時，還伴有語音，講解其工作原理和實際應用。圖2 “夢幻接力”機械原理演示教具 3.1砸球裝置如圖3所示，砸球裝置主要由曲柄搖桿機構(gòu)、機架、運球槽和軌道組成，利用曲柄搖桿機構(gòu)中連桿的運動軌跡來實現(xiàn)砸球動作。其中曲柄與電機相連，電機驅(qū)動曲柄做旋轉(zhuǎn)運動。裝置設計靈感來源于插秧機，把插秧動作換成砸球動作。連桿末端是一個鐵制的錘頭（見圖3），能夠?qū)⑿∏驈倪\

12、球槽的出口壓出。凸出來的錘頭更容易與小球進行擠壓接觸；錘頭增加了連桿末端的重量，使運動產(chǎn)生更大動量，讓小球更加輕易地被砸下。在運球槽的出口設有卡球調(diào)整器，由滾珠、彈簧和螺釘組成，螺釘?shù)男D(zhuǎn)可以調(diào)節(jié)卡球的松緊程度。小球沿著運球槽的斜坡下滑至出口，卡球調(diào)整器保證小球只依靠重力不能自由下落，只有通過鐵錘的砸球動作，才能從運球槽的出口中掉落，并沿著軌道進入下一個裝置。圖3 砸球裝置及其機構(gòu)簡圖3.2階梯提升裝置如圖4所示，階梯提升裝置的主體結(jié)構(gòu)是由六組曲柄滑塊機構(gòu)組成。是發(fā)動機工作原理的逆向運用，把電機軸的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)化為六個滑塊在垂直方向的直線往復運動。六組曲柄滑塊機構(gòu)通過曲柄安裝位置不同，能夠?qū)崿F(xiàn)

13、相鄰滑塊的上端面上下交替改變。在每個滑塊的上端面均設有運球板，運球板上開設了斜圓槽。當相鄰兩個滑塊同時到達極限位置，相鄰兩滑塊的運球板等高時，小球就會依靠重力沿著斜槽滑到下一運球板上。如此循環(huán)，小球一階一階的上升，實現(xiàn)從低到高的階梯提升運動，完成小球由低到高的傳遞。另外，滑塊的長度也需要精心設計，設計過程如下。根據(jù)進球口高度h1=180mm和出球口的高度h2=420mm、滑塊數(shù)n=6，計算出所需曲柄的長度a=(（h2-h1）/n)/2=20mm；為了實現(xiàn)提升效果，相鄰兩滑塊長度之差設計為l=2a=40mm；令連桿長度b=60mm，且軸心離地面的高度h=20mm，則第一根滑塊的長度l1=h1-h

14、-（b-a）=120mm、l2=160mm、l3=200mm、l4=240mm、l5=280mm、l6=320mm，這樣階梯提升裝置的大致尺寸就設計完成了。圖4 階梯提升裝置及其機構(gòu)簡圖3.3分軌裝置如圖5所示，分軌裝置由等寬凸輪機構(gòu)、機架和浮動軌道組成。機架右側(cè)有一個進球口，左側(cè)有兩個出球口，凸輪繞軸進行轉(zhuǎn)動，推動凸輪框上下運動。凸輪框與浮動軌道固定在一起，因此凸輪的運動也帶動浮動軌道上下移動，使兩個小球依次從一個口進入，分別從不同的口出去，進入不同的軌道，進行不同的循環(huán)，實現(xiàn)機構(gòu)對小球的分軌。該裝置設計靈感來源于，工程實踐經(jīng)常見到的從動件在極限位置有較長停歇的機構(gòu)。圖5 分軌裝置及其機構(gòu)簡

15、圖3.4摩天輪裝置如圖6所示，摩天輪裝置由前后支架、前后轉(zhuǎn)盤和托球盤組成。摩天輪是由六組平行四桿機構(gòu)設計而成。設計時，摩天輪的前后轉(zhuǎn)盤不同心，在高度上有一個距離差；托球盤與前后轉(zhuǎn)盤的安裝軸（上軸和下軸）也有一個距離差，這兩個距離差相同。前后轉(zhuǎn)盤分別有六個盤腳，對應位置的盤腳為平形四邊形機構(gòu)的等長雙搖桿；而托球盤上下兩軸之間的距離，則相當于連桿。所以該機構(gòu)在運動過程中，托球盤上的運球軌道與基架的相對位置始終保持不變，使小球可以在托球溝中進行平穩(wěn)的傳送。裝置的設計靈感來自工廠中常用的平行四桿推料機構(gòu)，只是把橫向的推料運動轉(zhuǎn)化為了垂直方向上的旋轉(zhuǎn)運動，就像一個永不停息的摩天輪。圖6 摩天輪裝置及其機

16、構(gòu)簡圖3.5補軌裝置如圖7所示，補軌裝置由運球槽、平動槽、圓盤、導柱、凸輪、擋片和一對錐齒輪等構(gòu)成。導柱隨著圓盤的轉(zhuǎn)動進行圓周運動，平動槽把導柱的圓周運動轉(zhuǎn)化為運球槽的水平往復運動。平時運球槽的左端與軌道有一個距離，只有機構(gòu)工作時的某一瞬間與軌道連接，要求小球也要在這一瞬間滑倒軌道上，起到補軌的作用，能夠增強演示效果。當機構(gòu)工作，運球槽的左端與軌道連接時，運球槽的右端與軌道分離。所以要求運球槽的右端與軌道分離時，運球槽口關閉，與軌道接通時槽口開通。為此設計了尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)，推桿上部安裝擋片，推桿帶動擋片上下運動，實現(xiàn)運球槽口的開通和關閉。為實現(xiàn)擋片與導軌的聯(lián)動，采用一對錐齒輪完成垂直旋轉(zhuǎn)

17、運動的傳遞。圖7 補軌裝置及其機構(gòu)簡圖3.6步進提升裝置如圖8所示，步進提升裝置由兩組曲柄搖桿機構(gòu)、撥動齒牙、擋板和機架組成。擋板固定在機架上，撥動齒牙與曲柄搖桿機構(gòu)的連桿連接，并通過鋁桿進行虛約束，在一個電機的帶動下，保持兩組曲柄搖桿同步運動，帶動撥動齒牙進行逆時針運轉(zhuǎn)。齒牙從擋板底部慢慢上升時會托起小球，并沿著擋板向斜上方運送。很快齒牙又會降低到擋板下方，并將小球放到擋板上，而小球被波浪形擋板擋住，不能夠下滑，等待下一次撥動齒牙對自己的提升。這樣一步步通過齒牙和擋板的相對周期性運動，來實現(xiàn)小球按步提升的目的。平面自由度核算：F=3n-（2pl+ph-p）=3×8-（2×

18、12-1）=1，因此裝置放置一個電機進行驅(qū)動，能產(chǎn)生確定的運動方式，符合設計要求。圖8 步進提升裝置及其機構(gòu)簡圖3.7扣球裝置扣球裝置如圖9所示，由機架、上下軌道、曲柄滑塊機構(gòu)、轉(zhuǎn)盤和扣球勺等組成。用曲柄滑塊機構(gòu)將電機的圓周運動轉(zhuǎn)化為滑塊沿導軌的直線運動，再運用回轉(zhuǎn)導桿機構(gòu)將滑塊的直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)盤的圓周運動。小球從下軌道進入，并沿軌道滑行停留在低位。轉(zhuǎn)盤與扣球勺相對固定，轉(zhuǎn)盤帶動扣球勺旋轉(zhuǎn)，扣球勺運動到低位時托起小球；運動到高位時，小球借助重力落到上軌道，并沿著上軌道進入下一個裝置。圖9 扣球裝置及其機構(gòu)簡圖3.8 可調(diào)節(jié)軌道支架由前面的敘述可知，七個獨立裝置之間由軌道進行連接。由于各個裝置

19、的入口和出口高度不同，為了保證軌道能夠準確連接各個裝置，要求軌道的高度和角度可調(diào)。如圖10所示，可調(diào)節(jié)軌道支架是底座、支架、支架夾和軌道托組成。支架夾可以在支架上上下滑動，調(diào)節(jié)軌道高度；支架夾與軌道托通過螺釘連接，通過調(diào)整螺釘?shù)墓潭ㄎ恢每烧{(diào)節(jié)軌道的傾斜角度。這樣，所有的軌道均可使用這一種軌道支架，需要改變的是軌道長度。圖10 可調(diào)節(jié)軌道支架4 電機選擇階梯提升裝置力矩較大，因此以它為例，來選擇力矩合適的直流電機。由前面的計算可知，6條亞克力滑塊的長度分別為120mm、160mm、200mm、240mm、280mm、320mm。以最長桿為研究對象，查得亞克力的密度=1.2g/cm3,，則質(zhì)量m=

20、2×2×32×1.2=153.6g，運動過程中產(chǎn)生的最大力矩M1=0.1536×2=0.31kg·cm；則由于亞克力重量產(chǎn)生的力矩Mm=6×0.31=18.6kg·cm。由于各根亞克力滑塊為間隙配合，其與擋板利用滾珠為滾動摩擦，因此由于亞克力摩擦產(chǎn)生的力矩可以忽略不計。而轉(zhuǎn)動軸與鋁制曲柄之間的摩擦力Ff=1.7×0.332×10=5.44N，則由于摩擦阻力產(chǎn)生的力矩Mf=5.44×2×6=65.28N·cm=6.528kg·cm。則總力矩M總= Mm+Mf=1.86

21、+6.53=8.39kg·cm。查表得知，電機效率=90%，啟動力矩比額定力矩大20%，則啟動力矩M起=1.2×M總=1.2×8.39=10.07kg·cm；電機力矩M=M起/=10.07/90%=11.19kg·cm。并且根據(jù)轉(zhuǎn)速要求30r/min，選擇正科直流電機ZGA37RG188i-500012V 30PRM,額定力矩M額=14kg·cmM=11.19kg·cm，能滿足工作要求。5控制裝置教具的控制裝置主要由單片機、行程開關、無線遙控模塊、語音芯片模塊和遙控器等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)整體大循環(huán)演示、單個裝置語音教學和遙控器操

22、縱的目的。整體大循環(huán)演示的流程如圖11所示?？刂撇考捎檬袌錾铣墒斓哪K化元器件，只需將它們進行進一步的集成即可?？刂圃砣鐖D12所示。圖11 控制流程圖圖12 控制原理圖6 教具開設機械原理實驗課“夢幻接力”機械原理演示教具，不僅僅是一個演示教具，用它還能開設各種機械原理的綜合性實驗，如繪制機構(gòu)運動簡圖、計算自由度等等?！皦艋媒恿Α苯叹咚臋C構(gòu)比較全面，平面高副、低副均有涉及，可開設機構(gòu)運動簡圖的繪制實驗課。有助于加強學生對實物機構(gòu)的分析能力和機構(gòu)簡圖的提煉能力，加強學生關于運動副對運動約束的理解，培養(yǎng)學生將理論知識應用于實踐的工程概念。機構(gòu)平面自由度計算所涉及的高副、低副、局部自由度、

23、虛約束，這些關鍵性概念在本教具中都有體現(xiàn)，教具可開設機械原理平面自由度核算實驗。計算結(jié)果可與機構(gòu)中的電機數(shù)相互驗證，有助于學生理解“機構(gòu)自由度數(shù)等于源動力數(shù)時，機構(gòu)具有確定的動作”、“當機構(gòu)中存在局部自由度時，F(xiàn)=3n-（2pl+ph）-F”、“當機構(gòu)中存在虛約束時，F(xiàn)=3n-(2pl+ph-p)”等較為抽象的概念通過理論計算得到與實際相符合的計算結(jié)果，使理論知識更加令人信服。通過自己鉆研得到的結(jié)論，更能激發(fā)學生學習的積極性、培養(yǎng)學生對機械原理知識的興趣、加深學生對機械原理概念的理解和功能應用的認識。7 主要創(chuàng)新點及應用前景“夢幻接力”機械原理演示教具，以驅(qū)動小球循環(huán)運動的方式，來進行生活中常用機械原理與其機械實例的展示，擺脫了傳統(tǒng)教具死板堆放、單獨展示的