新型機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具設(shè)計(jì)

顧彩曉 曹建波 陳凱博 朱潤(rùn)洋 倪冰霞 徐佳立 李丁立 郭恩程

(1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江 金華321004；2.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江 金華321004)

0 引言

機(jī)械結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)是學(xué)好機(jī)械專業(yè)的關(guān)鍵，通過教師的理論講解，學(xué)生不易理解和記憶。需要自制滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)要求且成本低廉的典型機(jī)構(gòu)教具并投入到理論和實(shí)踐教學(xué)中[1-4]，授課時(shí)，除了用多媒體展示各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)外，教師可用教具進(jìn)行直觀教學(xué)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[5-6]。本文將5套常用機(jī)構(gòu)制作成一種新型的機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具。通過機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)來為課堂增添樂趣，并實(shí)現(xiàn)了延時(shí)與自動(dòng)運(yùn)行功能，安全可靠性高，操作簡(jiǎn)便。

1 新型機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具主要性能

1.1 趣味性高

整個(gè)作品采用聯(lián)動(dòng)裝置，由小球下落連通總電路使機(jī)構(gòu)運(yùn)行，電磁鎖通電鎖頭縮進(jìn)，使架于其上的說明板下落，展示出機(jī)械機(jī)構(gòu)，給整套裝置增添趣味。

1.2 教學(xué)效果好

機(jī)構(gòu)運(yùn)行前，機(jī)構(gòu)說明板架與電磁鎖鎖頭上固定不動(dòng)，板上寫有對(duì)該機(jī)構(gòu)的解說介紹，機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，說明板與實(shí)物結(jié)合進(jìn)行教學(xué)。

1.3 延時(shí)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)

機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，后四個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行由各自的延時(shí)繼電器與行程開關(guān)控制，且延時(shí)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

2 新型機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具設(shè)計(jì)

教具裝置總體設(shè)計(jì)：整體由幾個(gè)可疊裝的箱子組成，裝置總體體積不超過1.2×1.2×1.2m，單塊機(jī)構(gòu)演示板290×320mm，整體裝置展開時(shí)總長(zhǎng)度達(dá)到1.5m。教具機(jī)構(gòu)演示板共5塊，分別為齒輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、偏心輪機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)說明板用重量輕、美觀性好的亞克力板制作，板上有對(duì)機(jī)構(gòu)的介紹。機(jī)構(gòu)安放箱，選用輕便、強(qiáng)度高的工程塑料板制作。

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

為保證足夠的扭矩，選用蝸輪蝸桿電機(jī)來帶動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。電機(jī)額定電壓U=12V，I=0.3A，轉(zhuǎn)速n=16r/min。為保證電壓穩(wěn)定，選用12V、額定功率36W的穩(wěn)壓電源，機(jī)構(gòu)箱之間電路并聯(lián)。

下落展示板采用滑軌降落的形式，并選用常用的延時(shí)繼電器和行程開關(guān)來進(jìn)行控制。總電源開關(guān)選用空氣開關(guān)保障電路的安全。演示時(shí)按下電源總開關(guān)，小鋼珠從塑料管下落，連通電路，電磁鎖通電，鎖頭縮進(jìn)，機(jī)構(gòu)展示板下落，觸動(dòng)行程開關(guān)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行。機(jī)構(gòu)通過延時(shí)繼電器延時(shí)控制下一套機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，依次循環(huán)。

2.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）齒輪機(jī)構(gòu)：選用行星齒輪機(jī)構(gòu)，包括內(nèi)齒，中心齒，行星齒輪，皮帶輪等。皮帶輪傳動(dòng)比設(shè)為1.5。行星齒輪機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行星齒輪機(jī)構(gòu)

（2）槽輪機(jī)構(gòu)：選用結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的單臂外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)，它由主動(dòng)轉(zhuǎn)盤、從動(dòng)槽輪和機(jī)架組成。槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角φ0=45°，槽數(shù)Z=4，撥盤直徑d=100mm，撥盤通過一段階梯軸與電機(jī)連接，為減小摩擦，槽輪中心孔處用軸與軸過盈配合。槽輪機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 槽輪機(jī)構(gòu)

（3）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：利用平面四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件，組建了木牛流馬的形狀。機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，多個(gè)桿件由主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

（4）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：采用壓包機(jī)的模型作為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演示范例。壓包機(jī)中的壓包為滑塊構(gòu)件，電機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)桿相連，靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿的的轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑塊上下移動(dòng)。壓包機(jī)模型圖如圖4所示。

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

（5）偏心輪機(jī)構(gòu)：運(yùn)行時(shí)，先由電機(jī)帶動(dòng)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使偏心輪推動(dòng)外框左右平移，進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。偏心輪通過階梯軸與電機(jī)連接，外框通過兩個(gè)固定支架，固定于機(jī)構(gòu)板上。偏心輪直徑D=80mm，偏心距l(xiāng)=1.5mm，最大推程L=30mm。偏心輪機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 偏心輪機(jī)構(gòu)

3 結(jié)論

本文對(duì)新型機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具的材料及形狀尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，并通過UG軟件繪制了新型機(jī)械機(jī)構(gòu)演示教具的效果圖和裝配圖。該機(jī)構(gòu)演示教具具有延時(shí)與自動(dòng)運(yùn)行功能，安全可靠性高，操作簡(jiǎn)便，趣味性強(qiáng)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來方便等優(yōu)點(diǎn)，將有很大的實(shí)用價(jià)值和良好的社會(huì)效益。

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