機構原理智能可視化平臺的研制

陳瑞林，丁 頌

(長春師范大學工程學院，吉林長春130032)

1 總體設計方案

機構原理智能可視化平臺由智能載重車、三角支架和旋轉六面體平臺構成(圖1)。在圖1中，位置1為航母發動機，位置2為空間四桿機構，位置3為內燃機，位置4為鄂式破碎機，位置5為變速器，位置6為鏈帶傳動，位置7為智能載重車。在程序的控制下，智能載重車通過傳感器反饋作用，能夠實現自由運動、智能壁障;三角形支架采用三角形結構，結構穩固、自重輕、承載能力大，可以有效地聯系智能載重車和旋轉六面體平臺，為旋轉六面體平臺提供穩固的支撐作用和足夠的運轉空間;旋轉六面體平臺，由六個面構成，形成立體式平臺，該平臺展示內容可以任意擴展，本文以機械設計基礎課程為例，在六個面上分別展示了變速器機構、平面連桿機構、多級變速器、凸輪機構、帶和鏈傳動機構以及空間四桿機構的傳動原理及運動規律。基于慧魚模型搭建機構原理智能可視化平臺，如圖2所示。

圖1 機構原理智能可視化平臺

圖2 機構原理智能可視化平臺

1.1 智能載重車的設計

車體用四個長度相同的桿件搭建，由四個大小相同的電機帶動，運用圓柱蝸桿蝸輪傳動，其傳動比大，體積小，承載能力大。同時當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面當量摩擦角時，蝸桿蝸輪傳動具有自鎖性，不可倒轉，此時蝸桿蝸輪機構只能用蝸桿驅動，并能阻止蝸輪反驅動，能夠在沒有任何附加制動裝置的情況下使用。同時選擇履帶傳輸，使車體底面與地面接觸面積增大，壓強減小，增大了運動的平穩性。

1.2 支架設計

在支架設計中要考慮到兩方面:穩定性和足夠的空間。三角形具有穩定性，首先確定支架的形狀為三角形，支架由加強筋加固。關于支架的尺寸設計，通過測量得到旋轉六面體平臺單個面板長度L=250m，寬度B=180mm，確定支架高度h=460mm，長度l=380mm，寬度b=410mm，由tanα=460/205≈1.699計算可得角α=30°。為使支架穩定，全部采用三角形結構，在支架最外輪廓用強度較高的空心粗桿搭建，以減輕整體的重量，內部用細實桿，使整個支架牢固且穩定。

1.3 旋轉六面體平臺六個面的設計

基于本專業的課程內容，在六個不同的面板上分別設計了不同的傳動機構(圖3)，分別為內燃機、航母發動機、破碎機、變速器、鏈帶傳動和平面連桿機構等。程序控制式旋轉六面體，結構緊湊，易于操作，由此全面系統地展示了機械設計基礎課程中的機械傳動系統。

圖3 旋轉六面體六個面板

2 運動原理分析

本平臺由一個控制面板、三個電源組成，通過計算機將編輯程序導入控制面板中，利用控制面板中的程序對整個機構實現控制，使“機構原理智能可視化平臺”自動運轉。智能載重車上的兩個電源分別連接兩側的四個直流電動機使其左右履帶運轉，另一個電源為旋轉六面體平臺的六個面板上不同傳動機構提供運轉能源。

為實現自動避障的功能，在車體前端和兩側裝有超聲波檢測裝置，用于檢測來自前方不同方向的障礙。通過程序設計，當檢測到前方15～35cm范圍內有障礙時，根據兩側傳感器傳回數據，車體向無障礙一側轉彎。在相同情況下，向左轉，車體實現轉彎，當檢測到前方小于10cm范圍內有障礙時，車體停止前進，向后運動，退后15cm，檢測轉彎，實現自我保護，在保證運動平穩性的同時實現無人控制自動運動，由此也可以通過遙控器實現遠距離控制。

在支架上安裝兩個超聲波探測器，一個超聲波探測器的作用是對旋轉六面體平臺進行準確定位，使旋轉六面體平臺能夠精確停止，并通過自動開關對處于最上端一個面的傳動機構進行展示;另一個超聲波探測器的作用是:小車在行走過程中，學生伸手在傳感器正前方15～35cm處時，小車便會在控制面板的操作下停止，然后旋轉六面體平臺開始運轉。旋轉六面體平臺上的六個支架上分別有相同的接觸開關，可以使旋轉六面體平臺旋轉，當支架的接觸開關與小車支發生接觸時，回路閉合，六面體停止旋轉，面板上的機構則開始運動展示。

3 程序設計

主程序如圖4所示，避障子程序如圖5所示，旋轉六面體子程序如圖6所示。程序中符號含義如下:MI、M3為車體左側電機;M2、M4為車體右側電機;I1為支架右側超聲波感應器;I3、I4為車體前端左右超聲波感應器;I2為支架正左側超聲波感應器。

圖4 主程序示意圖

程序含義如下:

主程序開始進入避障程序，當I2感應強度不超過30時，執行轉彎避障的子程序，當I3感應強度超過11時，M1、M3繼續正轉，M2、M4減速反轉，實現避障左轉的過程，同理I4可控制右轉。程序循環可完成轉彎避障的過程。

當I2感應強度超過30時，主程序停止運行，進入使旋轉六面體轉動的子程序，執行子程序，M1、M2、M3、M4四個電機停止轉動，車體停止行進，同時I3、I4停止，車體避障停止，觸動開關開啟，旋轉六面體轉動，I1感應器開始運行，當感應強度超過7時，旋轉六面體轉動，感應強度低于7時，旋轉六面體停止，同時觸動開關開啟，處于旋轉六面體最上端的面板開始轉動并進行展示。

六個面板展示結束后，再次進入轉彎避障的子程序，程序循環執行，實現智能避障行走展示，也可通過遙控器控制機構原理智能可視化平臺的整體運動、旋轉六面體平臺的旋轉以及單個面板上機械結構的運動。

圖5 避障子程序

圖6 旋轉六面體子程序

4 結語

機構原理智能可視化平臺能很好地解決目前高校大班上課中存在的占座問題。另外，該設備開辟了一條教具途徑，對旋轉六面體平臺可以任意擴展，使之成為理工科類教學人員的有利助手，相信在未來該設備將得到市場的認可。

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