空間機構運動創(chuàng)新實驗臺的結構設計

李俊++張輝++沈宇亮++付亞美++熊創(chuàng)++張道德++徐俊杰++徐鍇琦

摘 要：空間機構運動創(chuàng)新實驗臺設計了兩個直接配合的機架，可以在機架范圍內(nèi)的空間任意位置搭接機構；采用滑動方式移動機架，機架及橫梁上有長度刻度，可準確定位，精度高；可配備了多個驅動電機，進行多動力源驅動，控制系統(tǒng)可實時顯示電機的工作電壓、電流和轉速等信息。空間機構運動創(chuàng)新實驗臺不單可以搭接平面機構，而且可以搭接空間機構，開發(fā)出設計性綜合性實驗，鍛煉學生的結構創(chuàng)新能力。

關鍵詞：空間機構；創(chuàng)新；結構設計

中圖分類號：TH112 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0025-02

引言

我國大學生實踐能力不強、創(chuàng)新精神不足是當前人才培養(yǎng)質量最突出的問題。通過實踐課程培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新精神和工程創(chuàng)新能力，工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)包括工程創(chuàng)新意識的建立、工程創(chuàng)新思維方式和工程創(chuàng)新方法的實踐訓練等方面[1]。對于機械設計制造專業(yè)的大學生而言，機械原理的實踐課程教學目的就是培養(yǎng)學生機構創(chuàng)新設計思維和機構創(chuàng)新設計能力[2]。機械原理課程的機構創(chuàng)新運動設計實驗是融入可機構創(chuàng)新思維和機構創(chuàng)新技能訓練等方面內(nèi)容的設計性實驗，機構運動創(chuàng)新設計實驗要求掌握機構設計方法和基本的技能，如機構的運動變換、機構的運動副變換、機構的同性異型變換、機構的反求變換等，通過學習和掌握基本的機構設計方法訓練后掌握機構的創(chuàng)新思維方式方法。訓練機構創(chuàng)新思維方式和機構創(chuàng)新設計技能必須要有良好的實驗設備條件，需要功能完善、操作簡單從而滿足學生機構創(chuàng)新思維和機構創(chuàng)新技能訓練的機構創(chuàng)新運動設計實驗平臺[3]。目前，各高校的機械創(chuàng)新設計實驗設備基本是機構簡單且單一，只能完成如凸輪機構搭接、四桿機構搭接等簡單機構設計的平面機構創(chuàng)新設計實驗臺。因此，機構創(chuàng)新實驗設備落后的嚴重不足是機械設計制造專業(yè)大學生機構創(chuàng)新思維和機構創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙。

目前，機械工程實驗室使用的機械原理教學實驗臺體積較大，采用軸孔配合安裝和拆卸，采用螺栓固定鎖緊，零部件之間的相對移動都是直接摩擦，有多種規(guī)格的桿件。因此，在使用過程中存在不足，主要有：桿件、螺栓、螺母規(guī)格煩多，整理及選擇極為不便；實驗臺的桿架和滑塊難以移動且固定操作麻煩，使用者難以根據(jù)自己的意愿方便操作。因此，需要一種拆裝操作方便、靈活的實驗臺滿足使用者的需求。《機械原理》《機械設計》《機械創(chuàng)新設計》等課程的機構組合創(chuàng)新實驗主要局限于一個自由度、單一動力源等平面機構搭接，難以搭接空間機構，多個自由度及多個動力源的創(chuàng)新機構，局限了機構的創(chuàng)新性設計思維[4]。本文擬通過開發(fā)一種空間機構運動創(chuàng)新實驗臺從而增加設備功能，提高現(xiàn)有機構創(chuàng)新設計實驗的設備水平和教學方法。

1 設計目標

為了拓展機構自主創(chuàng)新思維，根據(jù)機械系統(tǒng)組成原理，通過實驗進一步掌握系統(tǒng)組成理論，熟悉機械傳動概念和基礎知識，為創(chuàng)新設計奠定良好的基礎，本文擬開發(fā)一種空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置。空間機構運動創(chuàng)新實驗臺的主要技術要求：（1）空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置可組成性能各異的平面機構系統(tǒng)和空間機構系統(tǒng)；（2）空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置的各傳動系統(tǒng)層次分明，聯(lián)接可靠，不會產(chǎn)生構件之間的運動干涉或脫離；（3）空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置的聯(lián)接方式要求使用調(diào)節(jié)范圍大，拆裝輕松方便，結構緊湊，元件之間的通用性好，拼裝方案多等特點；（4）空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置具有搭接調(diào)整靈活方便，連接件尺寸準確；（5）空間機構運動創(chuàng)新實驗臺裝置根據(jù)需求搭接多種類型的機構并能靈活運動、無卡滯干涉現(xiàn)象。基于空間機構運動創(chuàng)新實驗臺可開發(fā)綜合性實驗項目：空間機構的設計拼裝及運動性能測試實驗；空間機構運動創(chuàng)新設計的拼裝及運動性能測試實驗；課程設計、畢業(yè)設計中進行空間機構系統(tǒng)方案設計的拼裝及運動性能測試實驗。基于空間機構運動創(chuàng)新實驗臺開發(fā)的設計性綜合性實驗項目有助于加強機械創(chuàng)新意識、機械綜合設計能力，從而提高機構設計的實驗技能，培養(yǎng)使用者運用創(chuàng)新思維，遵循機械設計的基本法則對機構創(chuàng)新運動方案進行設計與研究。

2 結構設計

目前，市場上已有平面機構運動創(chuàng)新設計實驗臺，只能搭接平面結構，根據(jù)項目要求設計的空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺不單可以搭接平面機構，而且還可以搭接空間機構，主要為了開發(fā)設計性綜合性實驗，鍛煉學生的結構創(chuàng)新能力。

本文設計的空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺主要由底座、機架、橫梁、立柱、立柱導軌、底座導軌、控制箱以及控制驅動系統(tǒng)等組成。空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺的附件可以搭接平面連桿機構組件、凸輪機構組件、間歇機構組件（包含槽輪機構、不完全齒輪機構、棘輪機構等）、齒輪傳動機構組件、帶（鏈）傳動組件、多軸組合機構組件等。空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺根據(jù)設計需要選擇相關附件搭接平面機構或空間機構，可拼裝齒輪-桿組合機構、凸輪組合機構、不完全輪組合機構、槽輪組合機構，齒輪-齒條組合機構、鏈-齒輪組合機構、棘輪組合機構及多軸驅動的機器人等。空間機構運動創(chuàng)新實驗臺設計了兩個直接配合的機架，可以在機架范圍內(nèi)的空間任意位置搭接機構；采用滑動方式移動機架，機架及橫梁上有長度刻度，可準確定位，精度高；可配備了多個驅動電機，進行多動力源驅動，空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺的結構示意圖如圖1所示。電機采用無極變速控制，控制系統(tǒng)可以實時顯示電機在負載動作下的電壓電流及運行轉速等。使用者在機架上裝配出所構思的機構，用帶傳動聯(lián)接電機，開啟電源，驅動機構運動，并進行運動模擬，檢驗空間多桿機構創(chuàng)新模型設計是否合理，空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺的桿件可方便地進行大范圍尺寸調(diào)整，方便機構組合拼裝；連接桿鉸鏈設計新穎，可避免不同平面之間構件發(fā)生干涉；帶傳動的張緊裝置保證傳動更平穩(wěn)。

實驗設計過程中進行機構形變的創(chuàng)新實驗時，可以讓使用者通過選擇不同的構件及滑塊及其位置的改變觀察其運動形式的不同，通過改變各種運動條件來分析運動的特性，深刻了解機構組成的基本元素，構件運動規(guī)律及條件等基本知識，讓使用者盡可能地運用發(fā)散思維找出各種能改變機構運動方式的因素，如選不同構件作機架，改變運動副尺寸和形式，選擇不同構件作為原動件等。運用收斂思維方式改變其機構的構成要素，促使運動確定，并滿足機構主動件數(shù)等于運動自由度的條件，總結出設計的機構元素的運動規(guī)律。

3 結束語

空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺可以拼裝的實驗項目可以包括平面機構、空間機構、多自由度、多個動力源的創(chuàng)新機構，學生可自行創(chuàng)意設計拼裝上百種不同類型的機構，可開發(fā)出設計性綜合性實驗。本實驗臺研制具有良好的性價比，可以推廣。空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺為學生提供了良好的設備條件，基于空間機構運動創(chuàng)新設計實驗臺還需進行實驗教學方法和內(nèi)容的修訂及撰寫，把實踐教學作為鼓勵學生進行創(chuàng)新設計實踐的搖籃。

參考文獻：

[1]孔蓉.改進機構實驗設備培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力[J].中國教育技術裝備，2012（33）：31-32.

[2]鄧偉剛，王洪波，高雄.機構運動創(chuàng)新設計實驗教學方法研究與實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報（社會科學版），2014（05）：95-99.

[3]李瑞虎，劉惠芹.機構的創(chuàng)新實驗教學[J].高校實驗室工作研究，2003（04）：171-173.

[4]王汝貴，蔡敢為.兩自由度可控機構動態(tài)性能實驗裝置研制[J].高校實驗室工作研究，2003（04）：3-5，11.endprint