基于慧魚技術(shù)的一種起重機模型方案設計

廖生溫,張曉穎，林廷滿，楊 儉

（1.巢湖學院 機械與電子工程學院，安徽 巢湖 238000；2.中華人民共和國百色海事局，廣西 百色 533000）

近幾年來，雖然人們對機械結(jié)構(gòu)的認識隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展得到了加強，但在高校教學過程中，學生對掌握課程中的一些典型機械結(jié)構(gòu)的知識還是沒能完全理解透[1].而在我們生活周圍起重機結(jié)構(gòu)的應用比較廣泛，如建筑工地上的塔式起重機，吊車，港口里的橋式起重機等，但在這些場合中起重機的結(jié)構(gòu)較復雜，也不便于我們在教學過程對它們的具體結(jié)構(gòu)進行詳實的講解.全方位可移動旋轉(zhuǎn)起重機模型方案是基于慧魚技術(shù)進行設計，用慧魚零件將全方位可移動旋轉(zhuǎn)起重機的機構(gòu)進行有機結(jié)合，使之完成起重機的升降、旋轉(zhuǎn)功能.該模型和傳統(tǒng)的起重機相比具有較強的靈活性、體積小且易于移動，可以很好的將機械課程中的典型結(jié)構(gòu)（如渦輪蝸桿的傳動、齒輪傳動、連桿機構(gòu)等機構(gòu)）在課堂上進行演示，使學生在學習理論知識的過程中更易于理解和掌握.從而讓學生學習理論課程更具有生動性和形象性，達到掌握該課程理論知識的目的.

慧魚創(chuàng)意組合模型是一個技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類趣味拼裝模型，它為高校創(chuàng)新性教育與創(chuàng)新實驗的實施提供了最佳的載體[2].慧魚創(chuàng)意組合模型的組合包主要包括了教學模型、培訓模型、工業(yè)模型三大系列，它體現(xiàn)了不同學科之間知識點的各種組合，并涵蓋了許多高新學科[3].它對提高我們的理論與實踐相結(jié)合的動手能力，對學生實踐創(chuàng)新意識能力的培養(yǎng)可以得到很好的實施.為此設計并制作拼裝了全方位可移動旋轉(zhuǎn)起重機，文章主要對全方位可移動旋轉(zhuǎn)起重機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了設計組裝.

1 機械系統(tǒng)設計方案

起重機的主要功能是將重物從某一位置轉(zhuǎn)移到另一位置的傳動裝置.而在這個過程中起重機要完成將重物的起重與下放，并在操作過程中有時會伴隨著旋轉(zhuǎn)命令.我們在此基礎上增加了起重機構(gòu)的整體前后移動，然后用慧魚零件對起重機模型進行設計組裝，其模型實物如圖1所示，該模型體積較小，各個機構(gòu)之間較清晰，便于攜帶.方便我們在課堂教學過程把它的具體結(jié)構(gòu)與課本的理論知識相結(jié)合進行詳實的講解，便于同學們對機械專業(yè)相關(guān)理論知識的理解和掌握.

圖1 旋轉(zhuǎn)起重機模型

1.1 起重機的移動機構(gòu)

在模型方案組裝設計的過程中，我們利用蝸桿與轉(zhuǎn)盤底部相結(jié)合并和鏈條帶動行星輪系來實現(xiàn)模型的前后移動功能.即：把從動齒輪和蝸桿通過連桿把二者連接起來，首先用馬達來帶動主動輪進行轉(zhuǎn)動，鏈條帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪通過桿上蝸桿的轉(zhuǎn)動進而使底座發(fā)生前后移動，其傳動簡圖如圖1.1所示.

圖1 .1 實際移動機構(gòu)照片

有了移動這一機構(gòu)，可以不動起重機就可以很好的控制重物的前進與后退功能，它的暫停與開始則由編程來控制.

1.2 起重機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

該裝置利用齒輪與鏈條的連接來實現(xiàn)起重機將重物從某一位置轉(zhuǎn)移到另一位置的旋轉(zhuǎn)功能.它的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，利用馬達作為動力，將馬達前方的小齒輪與轉(zhuǎn)盤上的大齒輪用鏈條連接起來，小齒輪轉(zhuǎn)動，引起鏈條帶動大齒輪旋轉(zhuǎn).因為小齒輪是主動輪，它齒數(shù)少，因而使得轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)起來更快更迅速，可將重物更快的轉(zhuǎn)移到想要到達的地方.

圖1 .2 實際旋轉(zhuǎn)機構(gòu)照片

圖1 .3 實際連桿機構(gòu)照片

1.3 起重機的起重連桿機構(gòu)

連桿機構(gòu)構(gòu)件運動形式多樣，如可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動擺動、移動和平面或空間復雜運動，從而可用于實現(xiàn)已知運動規(guī)律和已知軌跡[5].此外，低副面接觸的結(jié)構(gòu)使連桿機構(gòu)具有以下一些優(yōu)點：運動副單位面積所受壓力較小，且面接觸便于潤滑，故磨損減小制造方便，易獲得較高的精度；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不象凸輪機構(gòu)有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸[6].因此，平面連桿機構(gòu)廣泛應用于各種機械、儀表和機電產(chǎn)品中起重機上方的連桿裝置可以起到增大起重重物質(zhì)量的功能，兩側(cè)均有連桿連接，可增強穩(wěn)定性，如圖1.3所示.

2 控制系統(tǒng)設計方案

2.1 總體運行過程

開始時，吊繩處于下方位置，吊起重物后，可通過按底座上方的馬達控制開關(guān)M1來實現(xiàn)上升，在上升過程中若要重物進行旋轉(zhuǎn)一定角度到達指定位置，則可按底座旁附近的馬達控制開關(guān)M2來實現(xiàn)，其移動機構(gòu)可通過按底座前方的馬達控制開關(guān)M3來完成.當重物到達指定位置時，可通過按M來使重物下降，完成重物的運輸.系統(tǒng)的總體運行程序如圖2所示.

2.2 各分機構(gòu)控制方案

起重機的每個動作都是由程序自動控制的，各元件的名稱與對應的功能如表1所示.

表1 原件名稱及對應功能

（1）起降功能介紹.當想將重物脫離地面時，可將鉤子鉤住重物，然后按開關(guān)I1實現(xiàn)M1馬達順時針旋轉(zhuǎn)，繩子則開始順時針纏繞，即可使重物通過繩子起吊起來，當?shù)?000時，繩子不會再旋轉(zhuǎn)纏繞.若想將重物放置在地上，可按開關(guān)I2實現(xiàn)馬達逆時針旋轉(zhuǎn)，繩子逆時針旋轉(zhuǎn)就會將重物放下.

圖2 總體控制程序圖

（2）旋轉(zhuǎn)功能介紹.若需要偏轉(zhuǎn)一定的角度實現(xiàn)重物的放置，則可按開關(guān)I3實現(xiàn)M2馬達順時針旋轉(zhuǎn)或者按開關(guān)I4實現(xiàn)逆時針旋轉(zhuǎn).

（3）移動功能介紹.起重機要想精確地定位重物在哪個位置放下，離不開用移動功能定位，前進與后退一段距離皆由程序控制，按開關(guān)I5實現(xiàn)M3馬達順時針旋轉(zhuǎn)，馬達將帶動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)起重機的前進，按開關(guān)I6實現(xiàn)馬達逆時針旋轉(zhuǎn)，從而使起重機后退.

3 結(jié)語

本次設計的一種起重機模型完成了對重物的起吊與轉(zhuǎn)移整個過程的模擬.由于此設計結(jié)合了慧魚模型的特點，因此離具體的工程實際應用還有一定的差距，但該模型的設計方案及理念對實際的設計還是有一定的指導意義.

此外，通過慧魚創(chuàng)意組合模型的組裝實踐還可以對實習情況進行一定補充.由于各個方面的原因?qū)е聦W生在校的實習時間較短，實際實踐的機會較少，導致對工業(yè)系統(tǒng)原理、工廠生產(chǎn)流程等情況不能透徹了解，在教學中可以充分應用慧魚創(chuàng)意組合模型，并結(jié)合實驗室已有設備（如計算機和單片機）和慧魚產(chǎn)品的零部件依照實際的工業(yè)結(jié)構(gòu)進行模型搭建,再按照生產(chǎn)流程編制程序加以控制，組成柔性生產(chǎn)線，仿真工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場設備運行和加工情況，讓學生獲得感性認識，從而完成從理論到實踐的跨越，彌補了在實習中的一系列不足.

〔1〕肖曉萍,廖青.“慧魚創(chuàng)意組合模型”在大學生創(chuàng)新教育中的應用研究[J].高教研究,2006(2):73 74.

〔2〕辛穎,薛偉.基于“慧魚模型”的機器人課程實驗教學改革探索[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009(7):138 140.

〔3〕曲凌.慧魚創(chuàng)意機器人設計與實踐教程[M].上海:上海交通大學出版社,2007.64-68.

〔4〕濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2001.

〔5〕單玉霞,許薔.論慧魚模型對機電類大學生能力培養(yǎng)的應用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(19):11 13.

〔6〕謝曉文,鄭蓓蓉.基于慧魚模型的機械產(chǎn)品數(shù)字化設計實驗[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2012(3):156 159.