空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺設(shè)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(gòu)；采用滑動方式移動機架，機架及橫梁上有長度刻度，可準(zhǔn)確定位，精度高；可配備了多個驅(qū)動電機，進(jìn)行多動力源驅(qū)動，控制系統(tǒng)可實時顯示電機的工作電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信息。空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺不單可以搭接平面機構(gòu)，而且可以搭接空間機構(gòu)，開發(fā)出設(shè)計性綜合性實驗，鍛煉學(xué)生的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：空間機構(gòu)；創(chuàng)新；結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

引言

我國大學(xué)生實踐能力不強、創(chuàng)新精神不足是當(dāng)前人才培養(yǎng)質(zhì)量最突出的問題。通過實踐課程培養(yǎng)學(xué)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(xùn)練等方面[1]。對于機械設(shè)計制造專業(yè)的大學(xué)生而言，機械原理的實踐課程教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計思維和機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計能力[2]。機械原理課程的機構(gòu)創(chuàng)新運動設(shè)計實驗是融入可機構(gòu)創(chuàng)新思維和機構(gòu)創(chuàng)新技能訓(xùn)練等方面內(nèi)容的設(shè)計性實驗，機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗要求掌握機構(gòu)設(shè)計方法和基本的技能，如機構(gòu)的運動變換、機構(gòu)的運動副變換、機構(gòu)的同性異型變換、機構(gòu)的反求變換等，通過學(xué)習(xí)和掌握基本的機構(gòu)設(shè)計方法訓(xùn)練后掌握機構(gòu)的創(chuàng)新思維方式方法。訓(xùn)練機構(gòu)創(chuàng)新思維方式和機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計技能必須要有良好的實驗設(shè)備條件，需要功能完善、操作簡單從而滿足學(xué)生機構(gòu)創(chuàng)新思維和機構(gòu)創(chuàng)新技能訓(xùn)練的機構(gòu)創(chuàng)新運動設(shè)計實驗平臺[3]。目前，各高校的機械創(chuàng)新設(shè)計實驗設(shè)備基本是機構(gòu)簡單且單一，只能完成如凸輪機構(gòu)搭接、四桿機構(gòu)搭接等簡單機構(gòu)設(shè)計的平面機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗臺。因此，機構(gòu)創(chuàng)新實驗設(shè)備落后的嚴(yán)重不足是機械設(shè)計制造專業(yè)大學(xué)生機構(gòu)創(chuàng)新思維和機構(gòu)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(xué)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(shè)計》《機械創(chuàng)新設(shè)計》等課程的機構(gòu)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(gòu)搭接，難以搭接空間機構(gòu)，多個自由度及多個動力源的創(chuàng)新機構(gòu)，局限了機構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計思維[4]。本文擬通過開發(fā)一種空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺從而增加設(shè)備功能，提高現(xiàn)有機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗的設(shè)備水平和教學(xué)方法。

1 設(shè)計目標(biāo)

為了拓展機構(gòu)自主創(chuàng)新思維，根據(jù)機械系統(tǒng)組成原理，通過實驗進(jìn)一步掌握系統(tǒng)組成理論，熟悉機械傳動概念和基礎(chǔ)知識，為創(chuàng)新設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)，本文擬開發(fā)一種空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺裝置。空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺的主要技術(shù)要求：（1）空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺裝置可組成性能各異的平面機構(gòu)系統(tǒng)和空間機構(gòu)系統(tǒng)；（2）空間機構(gòu)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(gòu)件之間的運動干涉或脫離；（3）空間機構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊，元件之間的通用性好，拼裝方案多等特點；（4）空間機構(gòu)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(zhǔn)確；（5）空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺裝置根據(jù)需求搭接多種類型的機構(gòu)并能靈活運動、無卡滯干涉現(xiàn)象。基于空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺可開發(fā)綜合性實驗項目：空間機構(gòu)的設(shè)計拼裝及運動性能測試實驗；空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計的拼裝及運動性能測試實驗；課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中進(jìn)行空間機構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計的拼裝及運動性能測試實驗。基于空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺開發(fā)的設(shè)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(shè)計能力，從而提高機構(gòu)設(shè)計的實驗技能，培養(yǎng)使用者運用創(chuàng)新思維，遵循機械設(shè)計的基本法則對機構(gòu)創(chuàng)新運動方案進(jìn)行設(shè)計與研究。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

本文設(shè)計的空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺主要由底座、機架、橫梁、立柱、立柱導(dǎo)軌、底座導(dǎo)軌、控制箱以及控制驅(qū)動系統(tǒng)等組成。空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺的附件可以搭接平面連桿機構(gòu)組件、凸輪機構(gòu)組件、間歇機構(gòu)組件（包含槽輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu)、棘輪機構(gòu)等）、齒輪傳動機構(gòu)組件、帶（鏈）傳動組件、多軸組合機構(gòu)組件等。空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺根據(jù)設(shè)計需要選擇相關(guān)附件搭接平面機構(gòu)或空間機構(gòu)，可拼裝齒輪-桿組合機構(gòu)、凸輪組合機構(gòu)、不完全輪組合機構(gòu)、槽輪組合機構(gòu)，齒輪-齒條組合機構(gòu)、鏈-齒輪組合機構(gòu)、棘輪組合機構(gòu)及多軸驅(qū)動的機器人等。空間機構(gòu)運動創(chuàng)新實驗臺設(shè)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(gòu)；采用滑動方式移動機架，機架及橫梁上有長度刻度，可準(zhǔn)確定位，精度高；可配備了多個驅(qū)動電機，進(jìn)行多動力源驅(qū)動，空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺的結(jié)構(gòu)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(fù)載動作下的電壓電流及運行轉(zhuǎn)速等。使用者在機架上裝配出所構(gòu)思的機構(gòu)，用帶傳動聯(lián)接電機，開啟電源，驅(qū)動機構(gòu)運動，并進(jìn)行運動模擬，檢驗空間多桿機構(gòu)創(chuàng)新模型設(shè)計是否合理，空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺的桿件可方便地進(jìn)行大范圍尺寸調(diào)整，方便機構(gòu)組合拼裝；連接桿鉸鏈設(shè)計新穎，可避免不同平面之間構(gòu)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(shè)計過程中進(jìn)行機構(gòu)形變的創(chuàng)新實驗時，可以讓使用者通過選擇不同的構(gòu)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(gòu)組成的基本元素，構(gòu)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(gòu)運動方式的因素，如選不同構(gòu)件作機架，改變運動副尺寸和形式，選擇不同構(gòu)件作為原動件等。運用收斂思維方式改變其機構(gòu)的構(gòu)成要素，促使運動確定，并滿足機構(gòu)主動件數(shù)等于運動自由度的條件，總結(jié)出設(shè)計的機構(gòu)元素的運動規(guī)律。

3 結(jié)束語

空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺可以拼裝的實驗項目可以包括平面機構(gòu)、空間機構(gòu)、多自由度、多個動力源的創(chuàng)新機構(gòu)，學(xué)生可自行創(chuàng)意設(shè)計拼裝上百種不同類型的機構(gòu)，可開發(fā)出設(shè)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(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺為學(xué)生提供了良好的設(shè)備條件，基于空間機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗臺還需進(jìn)行實驗教學(xué)方法和內(nèi)容的修訂及撰寫，把實踐教學(xué)作為鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計實踐的搖籃。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔蓉.改進(jìn)機構(gòu)實驗設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[J].中國教育技術(shù)裝備，2012（33）：31-32.

[2]鄧偉剛，王洪波，高雄.機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計實驗教學(xué)方法研究與實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2014（05）：95-99.

[3]李瑞虎，劉惠芹.機構(gòu)的創(chuàng)新實驗教學(xué)[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(gòu)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