直线相对位置教具演示器的虚拟设计及仿真演示

直线相对位置教具演示器的虚拟设计及仿真演示摘要：本课题所设计的是一款用于教学的直线相对位置教具演示器，要求能够变化不同位置关系的直线。在设计过程中，通过查阅收集大量相关资料和对生活中各种产品机构的观察，对不同传动机构进行对比分析最后确定了一种最佳的教具演示器的设计方案，然后根据已定的方案完成整体结构的设计、传动机构的选择及各部件尺寸的分配，使该产品结构更紧凑可靠。结构设计完成后，利用三维软件Solidworks进行三维建模，并进行运动学仿真。该教具结构较简单，各零部件也相对普通易于制造，是一种经济实用的教具演示器。主要用于机械制图和画法几何的教学工作中，不仅能帮助老师更好地讲解相关课程，也有利于同学们更直观地观察直线相对位置之间的变换。关键词：教具演示器，Solidworks，机械制图和画法几何IVirtualDesignandEmulationalDemonstrationofTeachingAidsDemonstratorfortheLinearRelativePositionAbstract：Thistopicistodesignteachingaidsdemonstratorforthelinearrelativeposition，whichisrequiredtobeabletochangethelinearrelationshipbetweendifferentlocations.Intheprocessofdesign,throughreferringtoandcollectingalargenumberofrelevantmaterials,observationsofvariousproductsinlifeandcomparativeanalysisofdifferentdrivemechanism,Ifinallydeterminedanoptimaldesignschemeofteachingaidsdemonstrator.thenIfinisheddesignoftheoverallstructure,selectionoftransmissionmechanismanddistributionofthesizeoftheeachcomponent,tomaketheproductstructuremorecompactandmorereliable.Afterfinishingdesignofthestructure,Iended3Dmodelingandkinematicsimulationby3DsoftSolidworks.Thisstructurewhoseeachsparepartisordinaryandeasytomanufactureissimple.Sothisproductisakindofeconomicalandpracticalteachingaidsdemonstrator.Thisteachingaidsdemonstratorismainlyusedinteachingworkofmechanicaldrawinganddescriptivegeometry,anditcannotonlyhelpteacherstoexplaintherelatedcoursesbetter,butalsoishelpfulforstudentstoobservethechangeoflinearrelativepositionmoreintuitively.Keywords:Teachingaidsdemonstrator,Solidworks,MechanicaldrawinganddescriptivegeometryII目录1前言.11.1教具演示器研究的目的及意义.11.2发展情况.11.3本课题要解决的问题及拟采用的研究手段.31.4本课题需要完成的任务.41.5本章小结.62整体结构的设计方案.72.1总体结构设计方案的确定.72.2主传动机构的设计.102.2.1齿轮传动机构设计概述.102.2.2齿轮齿条的设计计算.112.3动力装置的选择.122.4控制系统的程序设计.142.4.1可编程序控制器PLC的介绍.142.4.2对电机1的控制（即对两直线相交时的控制）.162.4.3对电机2的控制（即对两直线平行时的控制）.192.5本章小结.213基于Solidworks软件的三维建模及运动仿真.223.1Solidworks软件介绍.223.1.1Solidworks软件特点.223.1.2参数化设计.223.2教具演示器零件的三维建模及装配.233.3基于Solidworks的教具演示器运动学仿真.263.4本章小结.264结论.27参考文献.28致谢.2901前言1.1教具演示器研究的目的及意义（1）设计目的：学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解机械产品的设计方案比选，材料选择及产品设计应遵循的步骤和程序，零件工作图及装配图等方面的设计规范、计算方法及设计思想等内容，提高学生的自主设计能力和对专业知识的运用。为学生在毕业后从事机械电子工程的工作打好基础。本课题要求设计一款可用于直线相对位置授课用教具演示器；要求能够变化不同位置关系的直线；绘制其装配图和主要零件图；用三维软件进行运动仿真。（2）设计意义：随着现代社会科学技术的迅速发展，许多先进技术也应运用到教学领域，为现代教学技术注入了新的力量。长期以来，教师使用的教具都过于固定，不能够灵活多变。一种教具往往只能演示机构的一种状态，这样一来，不仅会造成大量资源的浪费，而且会给教师的教学带来很多不便，同时，同学们也无法观察到机构的两种状态的变化过程，从而给学生的理解带来困难。此次设计的教具演示器结构简单、使用方便、动作可靠、灵活多变、直观具体。这样，既可供单独观察又可供同步比较，经演示后能很快帮助同学们解决教学中难以想象、难以讲解的直线相对位置的问题。1.2发展情况（1）国内外研究进展国内研究进展：在我国进行课程改革前，大部分学校所拥有的教学设备主要是为了用于我们的验证性和演示性试验。绝大部分都可以适应课改所倡导的分组试验及探索性试验的要求，然而小部分则需要我们不断地改进，并开发其新的用途和功能，当然还有很小一部分存在明显的不足和缺陷，例如有些教学设备过于固定，我们在实验时，根本无法观察到其内部是如何变化的。因此，结合这些教学设备的不足之处，我们需1要进行不断完善和创新新的教学设备，以帮助我们更好地开展我们的教学工作。就目前来说，我国教具行业得到了非常迅速的发展，教具的生产规模在不断地扩大，我们的教具生产厂家已经多达八百余家，年产值高达几亿元人们币，此外，其出口规模也得到了迅速发展。当然，我国教具不仅规模庞大，而且种类繁多，能够远远满足国内教学的需求。目前，我国教具研究和开发工作一直在不断进行着，于1984年和1992年，我国负责教具研发相关部门先后制定了开展规划工作，并进行了两次全国教具优秀研究成果的评比，三次全国自制教具的评比，通过这两次评比的实施，为我国教具研究队伍注入了新活力，且更加有利于开展我们今后的教具研发工作1。以下图1.1和图1.2即为我国的自制教具。图1.1教具一图1.2教具二国外研究进展：早在20世纪，意大利著名教育家、蒙台梭利教育法的创始人玛利亚蒙台梭2利就发明设计了Montessoriteachingtool,它主要有六大领域：感官教育教具、数学教育教具、语言教育教具、科学文化教具、日常生活教育教具及音乐教具。在Montessoriteachingtool中，最典型的是感官教育教具部分，比如：粉红塔、插座圆柱体、长棒、棕色梯等。Montessoriteachingtool最大的优点是，孩子能自己操作教具，从中获得大量感官经验和掌握不容易被理解的数理知识。Montessoriteachingtool根据孩子年龄段的情况来设计，各个年龄段的教具都有自己的特色。教具的特色：Montessoriteachingtool的色调通常都是干净、朴实的。由于它具有教育的意义，所以这种教具的色调一般情况下都为单色调，以此来彰显其教育意义及目的；教具的设计，主要以个人的操作为考虑目标；每种教具的使用，都有其特定的先后顺序，只有按步骤才能完成；通过步骤和顺序培养孩子的逻辑推理能力1。图1.3Montessoriteachingtool（2）发展前景随着现代科技的飞速发展，教育在经济社会发展和民族振兴中发挥着越来越重要的作用。然而，在影响教育质量的因素中，教具的研究和发展起着至关重要的作用。随着各种新知识、新文化的出现，我们对于某些抽象概念理解起来还是比较费劲，然而教具可以很好地帮助我们解决这些难题。就目前来说，教具应该向智能化、直观具体、灵活多变的趋势发展。1.3本课题要解决的问题及拟采用的研究手段本课题要求设计一种结构简单，性价比较高的直线相对位置教具演示器，其关键问题是如何使象征直线的杆能够实现平动和转动，因此该课题主要工作是整体结构和传动机构的设计。由于现阶段我们对于教具这方面的研究还比较少，因此在设3计过程中难免存在问题，主要有：机械制图和画法几何演示性教具相对来说是一种新型产品，有些结构设计还存在问题，很难查找和收集到相关资料；在演示两直线相对位置关系时，平行关系不好控制；需要设计系统程序进行控制。为了更好地完成本课题的设计，查阅收集已有的相关文献和资料十分重要。由于教具演示器方面的相关资料非常少，因此，在设计的过程中，我搜集了许多机械产品设计的数据资料，触类旁通对教具演示器的设计有了一定的认识，在这些文献资料中，比较详细地介绍了机械产品的设计思路，比如说产品外形的设计、机构的选用、驱动方式的选择等，给我将要完成的设计提供了莫大的帮助。此外，为了更好地完成教具的内部结构设计，保证齿轮等传动机构在设计中的结构正确，例如齿轮所选模数、电动机所需功率和转速等一系列数据方面的问题，我又系统地复习了机械原理、机械设计等专业知识。尽管如此，设计过程中，还是有很多刺手的问题没法解决，只能虚心向老师和同学请教。1.4本课题需要完成的任务（1）主要的设计内容针对教师在讲解直线相对位置关系时存在的问题，本课题旨在研究设计一款操作简单、经济适用的教具演示器，此教具主要应用于机械制图和画法几何的教学工作中，以帮助老师讲解和同学们理解有关直线相对位置的知识。此设计的主要研究内容如下：完成整体结构的设计；传动机构的选择，齿轮传动比及各部件尺寸的分配；各零部件材料的选择；绘制所属部件的零件图和装配图；完成教具演示器装配体的动态仿真；撰写设计说明书。论文框架图如图1.4所示：4图1.4论文框架图（2）设计的基本要求根据设计题目，在指导老师的指导下搜集查阅相关资料，以理解此课题的设计内论文框架图前言总体方案设计建模及仿真结论研究目的及意义发展情况问题及研究方法设计任务结构设计传动机构设计动力装置的选择程序设计软件介绍建模及装配运动仿真致谢参考文献5容；根据课题要求和相关资料，制定出能够完成此设计的几种可行性方案；根据课题要求，对教具演示器进行系统控制程序的设计；与指导老师和同学交流研讨，写出论文大纲；认真撰写设计说明书，完成答辩工作。1.5本章小结本章主要介绍说明了研究此教具演示器的目的及意义，分析了这款教具与传统教具相比存在的优势。此外，还介绍了教具在国内外的研究进展和发展前景。最后，对此课题需要解决的问题及研究手段作了详细的分析，并一一列举了本课题需要完成的任务及基本要求。62整体结构的设计方案2.1总体结构设计方案的确定（1）方案设计首先，直线相对位置教具演示器是为了用于演示机械制图和画法几何中的直线相对位置关系问题。因此我们应该明白两直线之间存在有平行、异面和相交这三种相对位置关系2。且它们的投影特点如下：两直线平行：互相平行的两直线同面投影一定平行。其投影如图2.1所示：图2.1平行两直线异面：异面的两直线可能有一组或者两组同面投影平行，但其它同面投影一定不平行。其投影如图2.2所示：图2.2异面两直线相交：两相的交直线同面投影一定相交，且两相交直线的交点投影一定是两直线投影的交点。其投影如图2.3所示：7图2.3相交为了完成此教具的设计工作，最初设计了好几种方案，通过分析对比认为以下三种方案最有可能实现我的研究课题。方案一：通过电机1的驱动带动行星轮系的大阳轮转动，行星轮系有一个较大的传动比，因此行星轮输出一个较小转速的转动，从而带动象征直线的杆一起实现较小转速的转动，以实现两直线的平行和异面，与此同时通过投影把它们的平面关系投影在屏幕上；通过电动机2的驱动带动齿轮的转动，由于与齿轮啮合的齿条固定不动，从而是带有齿轮的工作台沿着轨道作平动，以实现两直线的相交，同样地，把它们的平面关系投影在屏幕上。方案二：通过电机1、2驱动丝杠螺母1、2运动，从而实现杆1（直线1）的上下移动。直线1移动到某一位置后，电动机3、4驱动丝杠螺母吗3、4运动，从而实现杆2（直线2）的上下移动，通过调节杆2的位置，以实现两直线的平行和异面，同时，将它们的平面关系投影在投影上；通过电机5的驱动带动齿轮的转动，由于与齿轮啮合的齿条固定不动，从而是带有齿轮的工作台沿着轨道作平动，以实现两直线的相交，并将它们的平面关系投影在屏幕上。方案三：通过直流减速电机1驱动，把减速后的动力经过减速电机的输出轴输入到轴1上（轴1与电机输出轴通过联轴器相连），从而带动象征直线的杆运动（杆直接固定在轴1上），实现两直线平行与异面，同时把它们的平面关系投影在右边的屏幕上；通过直流减速电机2驱动齿轮的转动，由于与齿轮啮合的齿条固定不动，从而是带有齿轮的工作台沿着轨道作平动，实现两直线相交，同样地，把它们的平面关系投8影在右边的屏幕上。方案对比分析：虽然方案一、二都能完成本课题的研究任务，但是，方案一中行星轮系的建模比较复杂，且杆不好固定，投影效果不好；方案二，虽然两直线都能运动，但由于使用丝杠螺母，会使整个结构比较复杂，同一杆两头的丝杆需要同步运动；方案三相对来说结构比较简单，只需使用齿轮齿条一组传动机构，减少了设计的工作量，也降低了设计成本。通过分析比较，最终决定采用方案三为本课题的设计方案。其实体外形如图2.4所示：图2.4实体图（2）零部件材料选用为减轻产品重量，满足产品复结构外形的生产，节约材料成本，教具演示器壳体零部件选用塑料材料，分析常用工程材料性能与价格，结合教具演示器对所料材料的要求，确定零部件材料为PP材料。采用PP材料以下优势：坚硬度高、熔点高；抗冲击强度高，PP的强度随着乙烯含量的增加而增大；表面刚度和抗划痕特性好，PP板采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改进；PP板的收缩率相当高；具有良好的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性。92.2主传动机构的设计传动系统中最常用的有齿轮传动、链传动和带传动这三种形式，其各自的传动特点如下：（1）齿轮传动：用来传递空间中任意两轴间的动力和运动，其传动结构紧凑、传递功率和速度范围广、传动效率高、传动比准确，工作可靠、寿命长3。但无过载保护的作用，生产成本高且不宜用于距离较远的两轴间传动。（2）链传动：能够保证准确的平均传动比，传动功率大、传动效率高，结构比较简单，易实现标准化，生产成本低，但瞬时传动比不恒定，导致传动平稳性差，容易产生冲击、振动及噪声3。（3）带传动：具有缓冲减振的作用，传动平稳无振动和噪声；能实现较远距离两轴间的传动3；在过载时，皮带会在带轮上打滑，能够避免其他零件的失效，从而起到保护作用，此外，可以通过改变带轮的长度，能符合不同中心距的要求，但不能保证恒定的传动比，且传动效率低。因本设计的产品是用于距离较小的传动，要求传动平稳且无噪声，因而选用齿轮传动，此产品的工作原理就是减速直流电机输出的动力经过齿轮传递到齿条，从而带动滑块沿轨道往复运动。2.2.1齿轮传动机构设计概述（1）齿轮传动的基本要求齿轮传动机构在研究、设计及生产过程中，通常要满足以下基本要求：传动要平稳要求在传动过程中，保持瞬时传动比不变，这样可保持传动的平稳，从而减少了齿轮在传动过程中产生的振动和噪声；承载能力强要求齿轮在尺寸小、质量轻的条件下，能够承受较大载荷。这也就要求齿轮轮齿的耐磨性非常好、强度高、寿命长；对环境无害尽量减小噪声，油液对环境污染小；成本合理在满足以上要求的情况下，尽可能降低成本3。（2）齿轮传动机构的分类10圆柱齿轮传动平行轴齿轮传动非圆齿轮传动直齿锥齿轮传动齿轮传动相交轴齿轮传动斜齿锥齿轮传动曲线锥齿轮传动交错轴斜齿轮传动交错轴齿轮传动准双曲面齿轮传动蜗杆传动（3）齿轮材料种类的选择一般来说，一对啮合齿轮通常选择同种类型材料，但牌号的选择可以不一致。通常情况下，应该根据强度、刚度等力学性能的设计计算，在选择好小齿轮的材料类型后，再根据推理选择符合要求的另一齿轮的材料。齿轮常选用的材料主要有渗碳钢、调质钢、渗氮钢、锻钢、铸铁及非金属材料（如夹布塑胶、尼龙等）。由于此产品是用于上课演示的教具，工作时所受载荷很小，不存在强度和刚度不够的问题，因此齿轮的材料可选择夹布塑胶。2.2.2齿轮齿条的设计计算在设计过程中，齿轮均选用标准齿轮，据GB13571987，齿轮模数的标准值为：第一系列：110.1，0.12，0.15，02，025，03，04，05，06，08，l，125，15，2，25，3，4，5，68，10，12，16，20，25，32，40，50；第二系列：035，07，09，175，225，275，(325)，35，(375)，45，55，(65)，7，9，(11)，14，18，22，28，36，45；压力角均取为203。选用齿轮齿条传动，根据实际空间及教具演示器工作的要求，齿轮的转速较低，故精度选8级，齿轮齿条的材料均选用夹布塑胶。（1）齿形角=20（2）模数m=2（3）确定齿数z根据机械设计手册表和实际空间的要求得，齿轮齿数z1=30，齿条齿数为z2=46（4）齿轮分度圆直径：d1=mz1=230=60mm，齿条长d2=288.5mm（5）中心距为：a=30mm（6）齿轮齿宽b为：b1=d1=（0.10.2）60=（612）mm，b取10mm，因此齿条齿宽也为b2=10mm。2.3动力装置的选择（1）驱动方式的选择驱动方式分为汽油机和电力驱动这两种。汽油驱动方式通常适合于户外作业；然而电力驱动方式因其噪音较低、污染较小，通常情况下适合于室内作业。由于此教具演示器的工作地点绝大多情况下都是在教室或者说室内，对环境要求（无论是噪声还是污染方面）比较高，因此此教具的动力装置选择噪音低，污染小的电力驱动。（2）电动机的选择电动机类型和结构型式的选择通常情况下，我们都是选择应该根据机械特性（电动机的起动转矩，最大转矩）、转速、运行经济性，价格来确定，结构型式主要指电动机的外壳防护型式、冷却方式及安装方法等。一般情况下，在移动的机械设备中和电池配套使用的电机是直流电动机和步进电动机。12直流电动机的优点：便于移动，调速性能好，启动转矩大，市场型号多，容易购买。直流电动机的缺点：制造工艺复杂，维修困难，需要齿轮减速器。步进电动机的优点：制造成本低，型号多便宜，接口简单。步进电动机的缺点:功率与自重之比较小，体积大，承载负载的能力低，功率小，运动过程中容易产生振动。教具演示器一般情况下都在教室使用，要求控制较简单，运行平稳，因此选择直流电动机。直流减速电机的选择直流减速电机，通常也称为齿轮减速电机，是减速机和普通直流电机的集成体，一般情况下我们也称这种集成体为齿轮电机（或者齿轮马达）。减速机的主要作用是，可提供较低转速和较大力矩。此外，减速机不同的减速比可以提供不同的转速与力矩。这就大大提高了直流电机在机械行业中的使用率。使用齿轮减速电机的主要优点是可简化设计和节省空间。直流减速电机的选择可以参考普通直流电机所用标准，即根据电压、尺寸、质量等。在转矩大的场合，通常选用带有金属齿轮的减速电机；在转矩低的情况下，常选用质量非常小的塑料齿轮。因此，在本设计选用塑料齿轮的减速电机。电动机功率的选择电动机的额定功率选择是否合适，对电动机的工作及经济性有很大的影响，当电动机的额定功率小于工作要求的功率时，电动机不能保证工作装置的正常工作；当电动机额定功率过大时，则导致电动机的价格过高，能量不能充分利用，常处于不满载运行状态，因此其效率会降低，从而造成能源的浪费。电动机功率的应根据负载机械特性：负载载矩、速度变化范围和起动频繁程度等要求，电动机选择的合理与否可以通过电动机工作的发热情况来判断，然而，与电动机的发热情况密切相关的是它的运行状态。由于本课题设计的是教具演示器，载荷变化的范围比较小，且在常温下工作。因此只要所选的电机额定功率大于或者等于所需电机的工作功率，就不会导致电机在工作时出现过热的情况。由于此装置在工作过程中，所受载荷非常小，可忽略不计。因此在选择电动机时可不用计算其所需功率，只需根据转速要求选择最一款最经济、实用的电机。（3）电源的选择13由于在装置工作过程中，所受约束阻力较小，且所需转速要求不高，因此，所需功率较低，则电源选择一符合要求的干电池即可。2.4控制系统的程序设计两直线平行的位置只有一个，另外两直线的相交也是靠滑块的往复移动来实现的，不管是平行还是相交都只有某一特定的位置，如果单纯依靠人为来操作的话，不能实现精确地控制，因此我们必须得靠程序来实现。结合所学知识，本设计可选用可编程序控制器plc来实现。2.4.1可编程序控制器PLC的介绍随着计算机技术的飞速发展，存储逻辑已经开始进入工业控制领域。而作为存储逻辑在工业应用领域代表性成果之一的是：PLC作为通用的工控机。近三十年来，PLC不断发展更新，功能日益增强，已成为工业自动化技术的三大支柱之一4。（1）PLC的产生于1968年，美国的通用汽车公司为了要适应生产工艺的不断更新，提出了这样一种设想：“为了制成一种通用的控制装置，可以把计算机功能完善、灵活通用等优点和继电器的控制系统操作方便、价格便宜、简单易懂这些优点结合起来”。美国的数字设备公司也就是在这种设想的基础上，于1969年发明出了第一台名为PDP-14的可编程序控制器。此装置的核心设备是计算机，原来所用接线程序控制被存储程序控制所代替，通过已经存储在计算机内部的程序来实现它的控制功能，这就是所谓存储控制。因为当时主要是用于进行顺序控制，只可以用于逻辑运算，因此也就被称为可编程序逻辑控制器（即PLC）4。PLC的成功运用，给工业界带来了巨大影响。于1971年，日本成功研发出了第一台DCS-8PLC。1973-1974年，法国和德国也分别成功研发出了PLC。此外，我国核心为MC14500微处理器的PLC于1977年诞生，且在工业界得到了广泛应用4。（2）PLC的发展趋势PLC的发展趋势具体表现在下列几个方面：向高速度，大容量的方向发展；向专用化、小型化、低成本的方向发展；14现场安装和智能型的I/O模块的发展；编程软件的图形化及组态软件和PLC的软件化。（3）PLC的用途近十多年以来，PLC的应用范围越来越广，就目前的情况来说，不管在国内还是国外，其应用范围主要包括以下五类：运动控制顺序控制过程控制通信网络数据处理（4）PLC的技术指标PLC的技术指标分为：硬件指标与软件指标。硬件指标硬件指标分为：一般指标、输入特性与输出特性。a.一般特性：主要是体现在使用环境、环境湿度、环境温度、抗冲击、抗振、抗干扰、抗噪声及耐压等这些性能上。b.输入特性：主要是表现在输入灵敏度、输入电路隔离程、所需电源及响应时间这些性能上。c.输出特性：主要是表现在回路构成、回路隔离、最小负载、最大负载、外部电源及响应时间这些性能上。软件指标软件指标包括：编程语言、程序容量、指令类型、运行速度、元件种类及数量和通信功能等。a.编程语言：指共有多少种语言能支持编写用户程序。b.程序容量：指PLC内存和外存的大小。c.运行速度：指操作时间的长短，时间越短越好，通常是微秒级以下。操作指令功能越强大，则说明PLC性能越好。d.通信功能：指PLC是否有通信能力，有哪种通信能力。e.元件种类和数量：不仅能反应PLC的工作性能，也能说明PLC的规模大小。(5)PLC的组成15PLC本质上是一种工控计算机，因此PLC和计算机在组成十分相近，重要包括以下几部分：中央处理器单元（即CPU）CPU是PLC的重要组成部分。存储器单元包括a.系统存储器和b.用户存储器这两部分。输入/输出单元它们是PLC与外部设备之间联系的连接部件。电源部分根据需要它的安装位置可以有多种形式。接口单元主要分为以下四种：编程器接口、通信接口、扩展接口以及存储器接口。外部设备主要包括编程器、文本显示器及打印机等。(6)PLC的工作原理PLC属于工控计算机，和一般的计算机相同，都是串行工作。CPU处理各项工作任务的方式是分时操作，计算机在每一时刻只可以做一项工作，按照程序顺序逐项实现各电器的动作来执行程序。但是由于计算机运算速度非常快，所有电器的动作可以说是在同一时间进行的，然而，实际上输入输出存在一定的滞后。应该特别注意的是，存储程序控制的梯形图尽管和接线程序控制里的继电器接线非常类似，但它们的实质却完全不同。一个是PLC程序，另一个却是接线。2.4.2对电机1的控制（即对两直线相交时的控制）在滑块所运行轨道的两端各有一个常闭的行程开关（右边为行程开关1，左边为行程开关2）。当滑块的任意一端碰到行程开关时，行程开关立即断开，电机停止转动，滑块也就停止移动，这样一来，滑块就能在这两个特定位置自动停止不动，其中右边的那个位置即为两直线相交的位置，以此实现对两直线相交的控制。(1)程序的I/O分配如下：I0.0：启动按钮I0.1：急停按钮I0.2：行程开关1I0.3：行程开关2M0.0：中间继电器Q0.0：停止16Q0.1：运行(2)控制流程图控制电机1工作的流程图分为滑块右移流程图和滑块左移流程图两种，其滑块右移流程图如图2.5、左移流程图如图2.6所示：无有图2.5滑块右移流程图开始电机正转，滑块右移有无碰行程开关按停止按钮电机停转结束17无有图2.6滑块左移流程图(3)程序控制Network1LDI0.0OM0.0LDNI0.2ONI0.3开始电机反转，滑块左移有无碰行程开关按停止按钮电机停转结束18ALDANI0.1=M0.0Network2LDNM0.0=Q0.0Network3LDM0.0=Q对电机2的控制（即对两直线平行时的控制）在左边的工作台上，象征直线的杆1与象征直线的杆2平行的位置处，安装一个常闭的光电开关。当杆到达两直线平行位置时，光电开关立即断开，这时如果已经按下复位开关，电机就会在两直线平行时停转，以此实现对平行位置的控制。(1)程序的I/O分配如下：I0.0：启动按钮I0.1：复位开关（复位时，两直线平行或重合）I0.2：光电开关I0.3：急停开关M0.0：中间继电器Q0.0：停止Q0.1：运行（2）控制流程图控制电机2工作的流程图如图2.7所示：19有无是无否是图2.7控制电机2工作流程图开始电机正转按复位开关？有无到达光电开关是否按停止按钮电机停转结束20（3）控制程序Network1LDI0.0ANI0.1OM0.0LDNI0.2ONI0.1ALDANI0.3=M0.0Network2LDNM0.0=Q0.0Network3LDMO.0=Q0.12.5本章小结本章第一节主要是通过对三种设计方案进行分析对比，确定了本课题最终的设计方案。第二节通过对各种常见形式传动机构的优缺点进行对比，最终选择了运用齿轮齿条传动。此外，还对齿轮传动的特点及其相关知识进行了较为详细地阐述，并通过设计计算确定了齿轮齿条的各参数。第三节完成了对动力装置的选择。通过查阅相关资料，并经过对各种驱动方式、电动机类型及结构型式的优缺点进行分析比较，分别对驱动方式、电动机类型及结构类型作出了合理的选择。此外，通过上网查找直流减速电机的资料，了解到了直流减速电机的工作原理及其优点。最后，简要介绍了如何选择电动机的功率，并依据功率的大小完成了电源的选择。第四节首先对可编程序控制器PLC作了比较详细的介绍。然后利用PLC语言编程的相关知识，分别绘制了实现对两电机控制的流程图，最后依据以上流程图编写了控制程序（语句表）。213基于Solidworks软件的三维建模及运动仿真3.1Solidworks软件介绍Solidworks软件是Solidworks公司发明的三维机械设计软件，也是世界第一个基于Windows系统开发的三维CAD系统，能够最大限度地发挥模具、机械和消费品设计师们的想象力、创造力，使得他们只需要用同类软件所用时间的很小一部分就可设计出更具吸引力、更具创新力和在市面上更受青睐的产品5。Solidworks软件应用程序是一种机械设计自动化软件，其采用了我们所熟知的Microsoftwindows图形界面，利用这种简单易懂的学习工具，我们机械设计师能够快速地根据其设计思维绘制出设计草图，且使用特征和尺寸绘制出模型实体，装配体和工程图。除了可进行产品设计以外，Solidworks软件还具有很强的辅助功能，比如，能够对所设计产品进行三维预览、运动模拟、运动分析和受力分析等5。3.1.1Solidworks软件特点Solidworks软件的功能强大，且组件繁多。Solidworks软件能够成为目前领先的三维CAD解决方案，主要是因为Solidworks软件具有易学易用、功能强大以及技术创新这三大特点。Solidworks软件不仅能够对同一产品提供许多不同的设计方案，还能够帮助设计师减少在设计过程中出现的各种问题和错误，以提高产品的质量。此外，SolidWorks软件不仅具有这么强大的功能，且对于每个操作者或设计师来说，操作起来非常方便简单。在如此强大的设计功能与易学易用操作的协同下，应用SolidWorks软件，全部产品设计是能够100编辑的5。3.1.2参数化设计对于已经设计制造出来的产品，我们可将它看是成是几何模型，而不管多么复杂的几何模型，均能够将其分解为有限数量的构成特征，然而每种构成特征，都能用有限参数来完全约束，这即是所谓参数化设计的概念。SolidWorks软件是在特征基础上的实体模型化系统，其特征创建可分为如下三22类：（1）基准特征：当创建零件的基本特征是，我们经常利用辅助轴线、辅助面；在装配定位时往往使用坐标系。我们把以上这些统称为参考几何体或基准特征，又由于这些特征在最后产品中并未体现，因此又可将其称为虚体特征。（2）实体特征：各零件的组成单元，都能经过各种造型方法获得，例如：拉伸、切除、扫描、旋转、倒角、拔模、抽壳、打孔等等。（3）高级特征：一般可包括经过钣金造型、曲面造型及曲线造型形成的特征。3.2教具演示器零件的三维建模及装配（1）主要零件的三维模型图教具演示器的主要零件包括齿轮、齿条、轴承、主体、轴以及轴承座，其三维模型图分别依次如图3.1、图3.2、图3.3、图3.4、图3.5和图3.6所示：图3.1齿轮图3.2齿条23图3.3轴承图3.4主体图3.5轴图3.6轴承座（2）教具演示器的装配图将绘制好的教具演示器的各零件结构，利用Solidworks软件进行装配，主要用到了齿轮齿条装配、同轴度装配以及面重合装配，就能得到如下图3.7、图3.8和图3.9所示的整体装配三维模型。其象征直线的杆1通过刚性连接固定在轴上，通过轴的转动带动杆旋转，实现量直线平行和相交的位置变化。并通过齿轮齿条传动机构实现杆1的前后移动，从而实现从相交到异面的位置变化。此设计传动机构选用齿轮齿条传动，具有传动平稳、振动和噪声小等优点。24图3.7装配图一（两直线异面时）图3.8装配图二（两直线平行时）图3.9装配图三（两直线相交时）253.3基于Solidworks的教具演示器运动学仿真在应用SolidWorks软件完成了教具演示器的零件图绘制和整体装配之后，我们可以再利用SolidWorks软件直接对其进行运动学仿真。仿真在运动算例中进行，需要设置两直线在平行、相交、异面不同状态下的位置关键帧，并通过不同视图的变化更清楚的展示两直线位置关系。3.4本章小结本章最开始简要介绍了Solidworks这个软件，主要包括Solidworks的功能、特点及发展状况。第二节介绍的是此教具演示器主要零件，并绘制了其三维模型图；第三、四节简单说明了如何利用Solidworks这个软件完成教具演示器的整体装配设计及其运动学仿真过程，并分别绘制了直线三种相对位置关系的装配图。264结论转眼间，此次毕业设计就要结束了，在设计过程中也遇到了许多困难，但在张爱荣老师及班上同学的帮助下都一一得到了很好的解决，并顺利完成了此次毕业设计。在这次设计过程中，我