“梦幻接力”机械原理演示教具设计说明书(2014.5.13)

1、 “梦幻接力”机械原理演示教具设计说明书设计者：王建峰 焦智赢 杨旭 高宬宬 张振平指导老师：杨晓辉 毛力（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110000）作品内容简介机械原理（theory of machines and mechanisms）是研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。作为机械类专业大学生最先接触的专业基础课，也是机械类专业的入门课程。“机械原理”对机械专业，乃至今后从事机械方面的工作具有重要意义。“梦幻接力”机械原理演示教具，是以小球和轨道作为媒介，将几个生产生活中常用的典型机构有机结合，通过小球在各个机构间的传送，演示各种典型机构在实际中的应用。

2、小球的使用不仅增加了教具的趣味性，演示形式的多变性，也起到使理论与实践结合的桥梁作用，并且对锻炼机械思维和培养其对机械行业的兴趣都有积极效果。“梦幻接力”机械原理演示教具，不仅能够完成多种机构运动演示，还配有语音讲解，还可以用它开设出许多实验课，完成理论实践理论的学习过程。可帮助学生更好的理解机械结构及其应用，有效地增加学生自主学习的兴趣。“梦幻接力”改变了现有机构展示枯燥、低效的格局，寓教于乐。使机械类大学生在熟悉机构原理和了解机构应用的同时，也轻松了教学过程和提高了教育效率，有很强的推广价值和广阔的市场前景。可以在各院校的机械类教学中推广使用，学生从中能够学到很多专业知识和对于自身具有实际

3、意义的东西，对今后的学习和工作均有积极意义。它定会使大学的机械讲堂更加幻梦，使机械教育更加丰富多彩。关键词：机械原理 机构 演示教具 应用 1 设计背景机械原理（theory of machines and mechanisms），研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。作为机械类专业大学生最先接触的专业基础课，也是机械类专业的入门课程。“机械原理”对机械专业，乃至今后从事机械方面的工作具有重要意义。让大学生喜欢机械原理，不仅提高了他们的专业素养，并且对锻炼机械思维和培养其对机械行业的兴趣都显得至关重要。因此，学生如何学好机械原理，学校和老师利用什么方法来培养学生的

4、学习兴趣，从而提高学生的学习效率和学习效果，就应格外引起人们的重视。研究表明，教学实践中对教具的良好使用，往往能使教学过程起到事半功倍的效果。教具使知识具体化、形象化，为学生感知、理解和记忆知识创造了条件。教具的直观性能促使学生的具体感知与抽象思维相结合，减少学生掌握抽象概念的困难，帮助其形成明确的概念，发展其观察能力和思维能力，提高学生的学习兴趣和积极性；另外教具具有实践性，实物媒介大多是可以触摸、使用、解剖的，这在培养学生技能方面有着特殊的意义；教具仍有研究价值，实物媒介所含科技信息是丰富的，有很多内容未被人类提取，它本身就是科研对象，对于知识甚少的学生，许多实物媒介也有研究的价值； 教具

5、还具有很强的典型性，使它符合教学要求，能有效地形成清晰的表象并引导学生从展示的现象上去认识事物的本质。从感性知识上升到理性知识，促进学生全面深刻地掌握知识。因此，一个出色的机械原理演示教具，是“机械原理”课程中不可缺少的一部分。机械专业的大学生开始认识到自己即将踏入机械行业这扇大门的大事记是大二上学期学习的机械原理课程。机械原理是机械类各专业的学生必修的一门重要的技术基础课程，它比物理和理论力学等理论课程更加接近工程实际，所以又与其它课程有所不同。构件、运动副、约束、自由度、四杆机构、凸轮机构、齿轮机构在体会机械原理奥妙和感受机械原理博大精深的同时，也会由于某些原理知识的难以理解、难以想象而苦

6、恼不堪。根据现代的素质教育的要求，仅仅在课堂上授予和学习基础知识是远远不够的，课程任务中还设置了许多实验课。在众多的实验中，最令人印象深刻的就是“机械原理”的认识实验。进入实验室，映入眼帘的全是崭新的机械原理演示教具（见图1）。有变化多端的四杆机构;有形状各异的凸轮机构;还有多种多样的齿轮配合同学们有的争相拍照；有的认真观看；有的一言不发深思原理演示实验课使学生受益匪浅，演示教具在机械原理教学环节起到了积极作用。图1 传统的机械原理演示教具这些可以运动的机械原理演示教具，让学生真切的体会到机械原理的可行性，给学生留下深刻印象。每当再需要运用机械原理时，最先想起来的，总是曾经参观过的机械原理演示

7、教具。而仔细回想，所有的细节也都是一片空白，时间足以把那些教具的运动细节消磨的一干二净。加之现在的大学教育，只是一种普及性教育，其教育内容大多数侧重于原理概念和理论计算，对工程运用实例几乎没有涉及。于是导致当代大学生所学的知识和实践有所脱节，学到的知识不能很好地联系实际、运用到实际。翻阅有关机械原理教具的资料，市面上能够提供的机械原理演示教具，均是单一的展示原理图例、各机构死板的堆放在一起虽然在初次接触时能给学生一种新鲜感，但在长期的教学过程中，常规的机械原理教具并不能有效地提高学生们的探索热情和自主学习的主观能动性。如果能够设计出一款更具亮点、运动特点更加鲜明、观看后令人无法忘却的机械原理演

8、示教具，并且能结合工程实际那该多好啊。它定会使大学的机械讲堂更加幻梦，使机械教育更加丰富多彩。2 创新构思与方案设计为了设计出一款更具吸引力、让人牢记的机械原理演示教具，需要做的第一件事就是选取合适的机构。认真研读机械原理教材，从中提取机械原理中有价值的知识点，作为设计这款机械原理演示教具的演示对象。机械原理是一门技术基础课，其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。翻阅相关资料，对机械教育都会无一例外的强调 “注重理论联系实际”、“初步建立工程观点”。因此，为了使教具更加具有指导实践工业生产的意义，也是增强教具在工程实践教学方面的作用，我们搜集一些在生产生活中运用这些知识点的常用机构实例。最

9、终选取了七个运用连杆和凸轮的经典机构，使它们成为演示教具的主要部分。为了避免常规机械原理教具死板的“堆放”模式，设计中决定把选好的机械原理演示模块进行有机的拼接，让它们的运动协调起来，形成一个整体，而不是简单的一个一个的单独摆放。如何将七个机构模块有机地结合是关键问题。通过查资料，最终选择了以小球和轨道作为媒介，将教具设计成一种输送小球循环运动的形式。小球在经过各机构时，机构要通过做不同动作，使小球实现不同方式的运动和传送，最终还能完成小球的整体循环，就像田径赛场上最惊心动魄的接力运动，。于是把这款机械原理演示教具起名为“梦幻接力”。“梦幻接力”能够把各机构的原理，及其应用实例进行充分、自然的

10、展示，并且表现方式新颖，充满吸引力。这款“梦幻接力”机械原理演示教具，定能开辟娱乐型机械原理教具之先河，为学生带来更多机械原理学习方面的帮助。为了方便老师教学，教具还利用工控技术，给教具赋予耳朵添加遥控模块，使老师的教课更加灵活，对教具的操作更加得心应手。为了使学生更好地接受，教具还添加了语音解说模块，它会自动的根据正在演示的机构，进行相应的解说，辅助学生理解和学习。这样，一款智能、具有工程实践意义、令人过目不忘的机械原理演示教具，就初步浮现在眼前了。3主要机构设计及功能实现如图2所示，“梦幻接力”机械原理演示教具主要由砸球装置、阶梯提升装置、分轨装置、摩天轮装置、补轨装置、步进提升装置、扣球

11、装置七部分和轨道组成。小球通过轨道可以在这些装置之间穿梭，将七部分连接成一个整体。“梦幻接力”通过小球作为媒介，既可以演示各个机构的工作原理，也使演示具有趣味性和多变性。“梦幻接力”机械原理演示教具即可作整体循环演示，也可作单体反复演示。在单体演示的同时，还伴有语音，讲解其工作原理和实际应用。图2 “梦幻接力”机械原理演示教具 3.1砸球装置如图3所示，砸球装置主要由曲柄摇杆机构、机架、运球槽和轨道组成，利用曲柄摇杆机构中连杆的运动轨迹来实现砸球动作。其中曲柄与电机相连，电机驱动曲柄做旋转运动。装置设计灵感来源于插秧机，把插秧动作换成砸球动作。连杆末端是一个铁制的锤头（见图3），能够将小球从运

12、球槽的出口压出。凸出来的锤头更容易与小球进行挤压接触；锤头增加了连杆末端的重量，使运动产生更大动量，让小球更加轻易地被砸下。在运球槽的出口设有卡球调整器，由滚珠、弹簧和螺钉组成，螺钉的旋转可以调节卡球的松紧程度。小球沿着运球槽的斜坡下滑至出口，卡球调整器保证小球只依靠重力不能自由下落，只有通过铁锤的砸球动作，才能从运球槽的出口中掉落，并沿着轨道进入下一个装置。图3 砸球装置及其机构简图3.2阶梯提升装置如图4所示，阶梯提升装置的主体结构是由六组曲柄滑块机构组成。是发动机工作原理的逆向运用，把电机轴的旋转运动，转化为六个滑块在垂直方向的直线往复运动。六组曲柄滑块机构通过曲柄安装位置不同，能够实现

13、相邻滑块的上端面上下交替改变。在每个滑块的上端面均设有运球板，运球板上开设了斜圆槽。当相邻两个滑块同时到达极限位置，相邻两滑块的运球板等高时，小球就会依靠重力沿着斜槽滑到下一运球板上。如此循环，小球一阶一阶的上升，实现从低到高的阶梯提升运动，完成小球由低到高的传递。另外，滑块的长度也需要精心设计，设计过程如下。根据进球口高度h1=180mm和出球口的高度h2=420mm、滑块数n=6，计算出所需曲柄的长度a=(（h2-h1）/n)/2=20mm；为了实现提升效果，相邻两滑块长度之差设计为l=2a=40mm；令连杆长度b=60mm，且轴心离地面的高度h=20mm，则第一根滑块的长度l1=h1-h

14、-（b-a）=120mm、l2=160mm、l3=200mm、l4=240mm、l5=280mm、l6=320mm，这样阶梯提升装置的大致尺寸就设计完成了。图4 阶梯提升装置及其机构简图3.3分轨装置如图5所示，分轨装置由等宽凸轮机构、机架和浮动轨道组成。机架右侧有一个进球口，左侧有两个出球口，凸轮绕轴进行转动，推动凸轮框上下运动。凸轮框与浮动轨道固定在一起，因此凸轮的运动也带动浮动轨道上下移动，使两个小球依次从一个口进入，分别从不同的口出去，进入不同的轨道，进行不同的循环，实现机构对小球的分轨。该装置设计灵感来源于，工程实践经常见到的从动件在极限位置有较长停歇的机构。图5 分轨装置及其机构简

15、图3.4摩天轮装置如图6所示，摩天轮装置由前后支架、前后转盘和托球盘组成。摩天轮是由六组平行四杆机构设计而成。设计时，摩天轮的前后转盘不同心，在高度上有一个距离差；托球盘与前后转盘的安装轴（上轴和下轴）也有一个距离差，这两个距离差相同。前后转盘分别有六个盘脚，对应位置的盘脚为平形四边形机构的等长双摇杆；而托球盘上下两轴之间的距离，则相当于连杆。所以该机构在运动过程中，托球盘上的运球轨道与基架的相对位置始终保持不变，使小球可以在托球沟中进行平稳的传送。装置的设计灵感来自工厂中常用的平行四杆推料机构，只是把横向的推料运动转化为了垂直方向上的旋转运动，就像一个永不停息的摩天轮。图6 摩天轮装置及其机

16、构简图3.5补轨装置如图7所示，补轨装置由运球槽、平动槽、圆盘、导柱、凸轮、挡片和一对锥齿轮等构成。导柱随着圆盘的转动进行圆周运动，平动槽把导柱的圆周运动转化为运球槽的水平往复运动。平时运球槽的左端与轨道有一个距离，只有机构工作时的某一瞬间与轨道连接，要求小球也要在这一瞬间滑倒轨道上，起到补轨的作用，能够增强演示效果。当机构工作，运球槽的左端与轨道连接时，运球槽的右端与轨道分离。所以要求运球槽的右端与轨道分离时，运球槽口关闭，与轨道接通时槽口开通。为此设计了尖顶推杆盘形凸轮机构，推杆上部安装挡片，推杆带动挡片上下运动，实现运球槽口的开通和关闭。为实现挡片与导轨的联动，采用一对锥齿轮完成垂直旋转

17、运动的传递。图7 补轨装置及其机构简图3.6步进提升装置如图8所示，步进提升装置由两组曲柄摇杆机构、拨动齿牙、挡板和机架组成。挡板固定在机架上，拨动齿牙与曲柄摇杆机构的连杆连接，并通过铝杆进行虚约束，在一个电机的带动下，保持两组曲柄摇杆同步运动，带动拨动齿牙进行逆时针运转。齿牙从挡板底部慢慢上升时会托起小球，并沿着挡板向斜上方运送。很快齿牙又会降低到挡板下方，并将小球放到挡板上，而小球被波浪形挡板挡住，不能够下滑，等待下一次拨动齿牙对自己的提升。这样一步步通过齿牙和挡板的相对周期性运动，来实现小球按步提升的目的。平面自由度核算：F=3n-（2pl+ph-p）=3×8-（2×

18、12-1）=1，因此装置放置一个电机进行驱动，能产生确定的运动方式，符合设计要求。图8 步进提升装置及其机构简图3.7扣球装置扣球装置如图9所示，由机架、上下轨道、曲柄滑块机构、转盘和扣球勺等组成。用曲柄滑块机构将电机的圆周运动转化为滑块沿导轨的直线运动，再运用回转导杆机构将滑块的直线运动转化为转盘的圆周运动。小球从下轨道进入，并沿轨道滑行停留在低位。转盘与扣球勺相对固定，转盘带动扣球勺旋转，扣球勺运动到低位时托起小球；运动到高位时，小球借助重力落到上轨道，并沿着上轨道进入下一个装置。图9 扣球装置及其机构简图3.8 可调节轨道支架由前面的叙述可知，七个独立装置之间由轨道进行连接。由于各个装置

19、的入口和出口高度不同，为了保证轨道能够准确连接各个装置，要求轨道的高度和角度可调。如图10所示，可调节轨道支架是底座、支架、支架夹和轨道托组成。支架夹可以在支架上上下滑动，调节轨道高度；支架夹与轨道托通过螺钉连接，通过调整螺钉的固定位置可调节轨道的倾斜角度。这样，所有的轨道均可使用这一种轨道支架，需要改变的是轨道长度。图10 可调节轨道支架4 电机选择阶梯提升装置力矩较大，因此以它为例，来选择力矩合适的直流电机。由前面的计算可知，6条亚克力滑块的长度分别为120mm、160mm、200mm、240mm、280mm、320mm。以最长杆为研究对象，查得亚克力的密度=1.2g/cm3,，则质量m=

20、2×2×32×1.2=153.6g，运动过程中产生的最大力矩M1=0.1536×2=0.31kg·cm；则由于亚克力重量产生的力矩Mm=6×0.31=18.6kg·cm。由于各根亚克力滑块为间隙配合，其与挡板利用滚珠为滚动摩擦，因此由于亚克力摩擦产生的力矩可以忽略不计。而转动轴与铝制曲柄之间的摩擦力Ff=1.7×0.332×10=5.44N，则由于摩擦阻力产生的力矩Mf=5.44×2×6=65.28N·cm=6.528kg·cm。则总力矩M总= Mm+Mf=1.86

21、+6.53=8.39kg·cm。查表得知，电机效率=90%，启动力矩比额定力矩大20%，则启动力矩M起=1.2×M总=1.2×8.39=10.07kg·cm；电机力矩M=M起/=10.07/90%=11.19kg·cm。并且根据转速要求30r/min，选择正科直流电机ZGA37RG188i-500012V 30PRM,额定力矩M额=14kg·cmM=11.19kg·cm，能满足工作要求。5控制装置教具的控制装置主要由单片机、行程开关、无线遥控模块、语音芯片模块和遥控器等组成，能够实现整体大循环演示、单个装置语音教学和遥控器操

22、纵的目的。整体大循环演示的流程如图11所示。控制部件采用市场上成熟的模块化元器件，只需将它们进行进一步的集成即可。控制原理如图12所示。图11 控制流程图图12 控制原理图6 教具开设机械原理实验课“梦幻接力”机械原理演示教具，不仅仅是一个演示教具，用它还能开设各种机械原理的综合性实验，如绘制机构运动简图、计算自由度等等。“梦幻接力”教具所包含的机构比较全面，平面高副、低副均有涉及，可开设机构运动简图的绘制实验课。有助于加强学生对实物机构的分析能力和机构简图的提炼能力，加强学生关于运动副对运动约束的理解，培养学生将理论知识应用于实践的工程概念。机构平面自由度计算所涉及的高副、低副、局部自由度、

23、虚约束，这些关键性概念在本教具中都有体现，教具可开设机械原理平面自由度核算实验。计算结果可与机构中的电机数相互验证，有助于学生理解“机构自由度数等于源动力数时，机构具有确定的动作”、“当机构中存在局部自由度时，F=3n-（2pl+ph）-F”、“当机构中存在虚约束时，F=3n-(2pl+ph-p)”等较为抽象的概念通过理论计算得到与实际相符合的计算结果，使理论知识更加令人信服。通过自己钻研得到的结论，更能激发学生学习的积极性、培养学生对机械原理知识的兴趣、加深学生对机械原理概念的理解和功能应用的认识。7 主要创新点及应用前景“梦幻接力”机械原理演示教具，以驱动小球循环运动的方式，来进行生活中常用机械原理与其机械实例的展示，摆脱了传统教具死板堆放、单独展示的