立体式组合传动机构设计

1立体式组合传动机构设计说明书作品内容简介本作品作为一台组合型交互式的机械传动机构，由自主设计的多个传动模块组合衔接而成。以一个小球的运动为线索，立体式地展示连杆机构、凸轮机构等多种机械结构的运动规律。小球的速度、机构的受力、相对位置和电机转速等多种因素的巧妙控制，使整体机构复杂有序，充分展示了机械的魅力与神奇。不同于常规组合传动教具仅仅具有演示作用，本作品在设计过程中引入了多种可变参数与模块化理念，不仅适用于大一学生整体科普认知，更可供大二学生机构分析计算、大三学生模块设计替换等。本教具与功能相对单一的传统机械教具相比，有多重功能、多种用途和更好的趣味性。本作品的相关成果已获受理发明专利 2项（专利受理书见附录） 。2目录第一章 研究背景及意义 .31.1 中国教具发展历史 31.2 历史的启示及现状分析 31.3 现有组合传动教具的局限性 41.4 对组合传动教具的设想 5第二章 设计方案综述 .52.1 工作环境 52.2 整机结构图示 52.3 功能规划 62.2.1 科普认知 .62.2.2 分析计算 .72.2.3 模块设计 .9第三章 主要功能模块及其实现 .93.1 机械传动模块 93.1.1 凸轮间隔上升装置 .93.1.2 曲柄摇杆上升装置 103.1.3 多杆上升机构 113.1.4 滑轮组提升装置 .123.2 控制模块 133.2.1 控制要求 .133.2.2 控制说明 14第四章 关键部位与零件的计算校核 .15第五章 创新特色及应用前景 .195.1 主要特色及创新点 195.2 应用前景 19参考文献 .203附录 专利受理书 .21第一章 研究背景及意义1.1 中国教具发展历史古代的教具多是现成实物，也有少量专门制作的教具。北宋时期，医学家王帷便铸造出铜人模型，刻上经脉穴位，又绘制十二经图，以诲后学。铜人体内注水，表面涂蜡，供学生练习针刺穴位刺中则有水流出。这个铜人的复制品流传至今，算是很有代表性了。到了 16 世纪，中国的科学技术逐渐落后于欧洲，一直到 1914 年才有了近代中国制造教具的萌芽，相比同时期日本晚了 30 年。但旧中国的教具制造业并没有发展起来，一般学校只有算盘、木尺等简单教具。从此，教具就被戴上了“简单”的帽子，直到现在还有影响。新中国成立后，进行“全盘苏化” ，开始几乎是一模一样地仿制苏联的教具，后来部分有所改动。后经历“大跃进”与“文化大革命” ，教育事业大受打击，教具制造也几乎全都停顿下来。70 年代初，一些下放的大学生带头当教师，掀起了自制教具活动。虽是无奈之举，但也有其积极因素，后来人们总结了合理有效的经验，使这一活动一直延续到现在。改革开放后，教学仪器设备得到了很大发展。国家加强了组织领导，各地成立了教学仪器建设专门管理机构。与此同时，校办工厂异军突起，成为教具制造行业的主力军。上下共同努力，使我国教学仪器的品种产量得到很大发展，和历次课程教材改革保持同步，基本上改变了教学仪器的落后面目。到了 21 世纪，进行的教育信息化建设和基础教育课程改革，促使了教具的发展变化。近 15 年来，教具的配备重点正向 IT 产品倾斜，使教具内涵正在发生结构性变化。在教育信息化和新课改的推动下，整个教具事业正在进入一个新的变革时期。1.2 历史的启示及现状分析了解我国教具发展的历史后，可得到几点启示： 教具事业是教育事业中不可分割的一部分，教具的兴衰反应了教育事业的兴衰。教具的前途和命运与国家的政治、经济、文化，特别是与教育事业息息相关，大局决定小局。 教具诚然有部分较为简单的，却并非都是“简单”的。一些结构功能复杂的教具虽然造价较为高昂，但却是不可或缺的，它们有着简单教具所无法胜任的功能。4 教具不仅仅要展示知识，也要有助于培养学生的创新思维及动手能力。困难时期的自制教具虽说是被逼出来的，但确实能很好的锻炼学生的这两大能力。到了现在，自己动手设计制作教具仍不失为巩固知识，锻炼思维的好方法。 进入21世纪，信息技术突飞猛进，传统的实物教具受到很大冲击。尽管各种教学软件的功能越来越强大，但实物教具看得见摸得着的实在感是虚拟物件所无法取代的。现在的教具制造业应更淋漓精致地发挥实体教具的特长。1.3 现有组合传动教具的局限性经调研发现，市场上的组合传动教具数量和种类都很少，且存在很大的局限性。以下为现有的组合传动教具：表 1-1 现有的组合传动教具一种组合式带传动教具 电动机械传动组合教具摘要附图简介 这种组合式带传动教具将 V 带传动、圆带传动和平带传动组合起来演示，成本低，携带方便，便于教学。一种用于教学或学生使用的电动机械传动组合教具，能演示单一的或多种的机械传动方式。局限 仅能演示带传动，演示类别单一。 仅具有演示作用，功能单一，不具备交互性；各机构只能在平面上传动。1.4 对组合传动教具的设想 并不局限在一个平面内，而是分布在立体空间上的。 不仅仅只有演示功能，而是针对不同层次的学生，有多种功能。5 引入多路径、多参数、多控制方式等元素，使之具有更强大的交互性与趣味性。第二章 设计方案综述立体式组合传动机构采用模块化设计理念和空间立体式的设计方案，以实现富有趣味的演示效果与多种功能。2.1 工作环境工作空间环境：可用于高校教室或实验室等地，需要220V 电源。工作时间：可长时间连续运转。适宜人群：高校机械类本科学生。2.2 整机结构图示本作品包含 10 个机械传动模块，包含 1 可调速转轮结构、2 换路四杆机构、3 凸轮弹射器 4 曲柄摇杆式小球上升装置、5 多杆上升机构、6 立式换路转 盘、7 卧式换路路盘、8 链轮式小球搬升装置、9 凸轮间隔上升装置、10 滑轮组提升装置。如图 2-1 所示。6图 2-1 整体示意图2.3 功能规划该作品针对大一至大三的机械类本科学生，有着认知、理解、创造三个层面的功能。2.2.1 科普认知本作品由 10 个机械传动模块组合衔接而成，包含平面四杆机构、平面多杆机构、凸轮机构、齿轮机构、滑轮组以及万向节等机械机构，各机构间以钢丝轨道或有机玻璃轨道相连接，轨道上安装有灯带。如图 2-2 所示，小球在各机构间有多条运动路径。当小球经过时，灯带亮起，小球离开后，灯带熄灭。图 2-2 小球运动循环图2.2.2 分析计算当学习机械原理时，学生不仅仅只能对着书上的习题演算，还可利用该教具进行实物的分析计算。 机构分析：立体式组合传动机构中的许多机械模块都可供学生进行机构简图的绘制科普认知（大一）分析计算（大二）创新设计（大三）滑轮组提升装置曲柄摇杆上升装置多杆上升机构凸轮间隔上升装置卧式换路转盘立式换路转盘链轮式搬升装置转轮机构 四杆换路机构 凸轮发射器7与机构的分析计算。以曲柄摇杆上升装置为例：在图示的曲柄摇杆式小球上升机构中，已知各构件的尺寸为 ，AC 在同一水平线16.5ABlm=上，且 ， ， ， ， ，原动件 OE 长50AClm=36BCl54CDlm=138DEl 3OC， 方位角 =89，曲柄 OE 的转速 。求杆 AB 此时的角速度。7OEl1q60/nrads图 2-3 曲柄摇杆上升装置机构简图解：在封闭矢量多边形中: (1)0OEDCll+-=将式（1）改写为复数矢量形式: (2)312iiiOCDeleqqq+将上式的实部和虚部分离，得（3）123cosscosiniinOEEDOCDlllqq+=由此方程组可求 、2q3(4)223tan(/)()/(AB=+-求得利用 后，由（3）可得 。式（2）求导，可得（5）312iiiOEDCDlelleqqqww将上式实部和虚部分离，联立求得8（6）211323sin()/sin()llwqq=-之后，利用杆 CD 与杆存在重合点 B 这一关系，可求得 AB 的角速度。 运动分析：引入多种可变参数，以凸轮发射器为例，通过改变与支架相连的通孔位置与弹簧劲度系数，小球被弹射到的位置也会相应改变。根据所学知识，理论计算出小球位置，然后移动接收筐进行验证。图 2-4 凸轮弹射器2.2.3 模块设计该作品采用模块化理念设计，各传动机构固定在底座或支架上，成为相对独立的机械模块。底座与支撑框架以六角头螺栓相连，可方便自由拆卸。在设计过程的机构选择上，尽可能多的涵盖更广泛的机构类型，每个模块并不限于现有的设计方案。学生可自主设计一个具有同功能的新模块来替换已有模块，使得小球依然能够顺畅运行。相当于一个黑箱问题，由已知条件来设计一个新机构。以多杆上升机构为例：已知小球进入位置为杆件末端的接受盒，输出位置为转盘下方的圆孔，动力为 12V 电机。可用图 2-6 所示机构替换图 2-5 所示原有机构。9图 2-5 多杆上升机构 图 2-6 替换机构图第三章 主要功能模块及其实现3.1 机械传动模块本作品包含 10 个机械传动模块，以下选取其中 4 个做详细介绍。3.1.1 凸轮间隔上升装置凸轮是机械行业中最常见的机构之一,为了展示凸轮机构 ,并且使小球上升一定高度,我们设计了如下的凸轮间隔上升装置。图 3-1 凸轮间隔上升装置图图 3-2 串联在轴上的 8 个凸轮当电机带动轴做匀速转动时，轴上的 8 个凸轮 同时转动，推动上方的 8 块板错落有序地升降，达到将小球向上运送的功能。多个凸轮的同时运用，可以达到抬升小球的效果。103.1.2 曲柄摇杆上升装置为了展示空间上的复杂连杆机构,同时还能将小球竖直向上抬升,我们设计了曲柄摇杆式小球上升机构。我们选择呈平行四边形的四杆机构作为执行部件,因为需要杆件在一定的角度内往复运动，故我们选用曲柄摇杆作为驱动部件。当曲柄转动时带动两边立杆上的连杆在一定角度范围内绕定点转动，从而达到顺利抬升小球的效果。图 3-3 抬升过程一图 3-4 抬升过程二3.1.3 多杆上升机构多杆上升机构包括支座、支座上的多杆机构、与多杆机构和支座相连的扇形偏心轮、多杆机构末端的 120 度连杆以及连杆末端的运载盒。小球运载盒置于杆件末端，小球所走的轨迹即为连杆曲线轨迹。当运载盒运动到最低点时，小球沿轨道滑入运载盒中，此时盒子左倾，小球不会掉出，当运载盒运动到最高处时，盒子右端碰到障碍物，右倾使小球滑出。11图 3-5 多杆上升机构图 3-6 多杆上升机构机构简图工作原理：连杆 1、连杆 2 和三角连杆 3 组成了一个四杆机构，连杆 1、连杆 7 和连杆6 组成了另一组四杆机构，由连杆 1 驱动，三角连杆 3 带动连杆 4 和 120连杆 5 运动，如图所示，连杆 4、连杆 6 和连杆 7 共同确定了 120连杆 5 的运动轨迹。为了小球能在运载盒中平稳运动而不致于掉落, 就要保证连杆曲线平滑，没有速度和方向突变。所以，有必要知道端点的位移变化,以下为端点随时间变化的线性位移图。12图 3-7 线性位移图从图中得知,位移曲线平滑, 没有速度和方向突变,故小球能平稳运动。还可以得知最高点和最低点分别距离基准面 286mm 和 189mm，从而得知上升距离为 97mm。3.1.4 滑轮组提升装置用曲柄摇杆机构提升凸轮间隔上升装置末端的接收盒，提升距离为 264mm，空间容纳不下曲柄体积，故用滑轮组放大行程。图 3-8 滑轮组提升装置实物图 图 3-9 滑轮组提升装置机构简图滑轮组提升装置包括滑轮支架、固定在滑轮支架右上角的定滑轮、分别位于滑轮支架左右滑槽内的动滑轮一、动滑轮二、与滑轮组上的拉线右端相连的接收盒以及与滑轮组上的拉线左端相连的小滑块；小滑块位于滑轮组左侧的立式滑轨内， 与曲柄摇杆相连；曲柄由电13机带动转动，从而带动小滑块上下运动，通过滑轮组放大行程，带动接收盒上下运动。3.2 控制模块3.2.1 控制要求立体式组合传动机构结构复杂，控制由多只电机组成。电路执行部分一共有 4 个电机、1 个舵机和两条灯带。4 个电机需要 12V 电压供电，舵机需要 7V 电压供电，灯带需要 220V 电压供电。4 个电机、舵机与灯带都需要逻辑电路控制。其中，有 2 个电机需要控制正反转，通过 L298N 驱动板间接供电，另 2 个电机只需正转。舵机需要左右来回转 180。灯带在小球通过时亮起，小球通过后熄灭。电路检测部分是个光电门传感器。光电门传感器的本质是在检测小球的位置。当小球运动到灯带所在轨道时，光线被小球遮挡，该信息被送入单片机，经运算后触发灯带亮起。电源输入部分为 220V/50Hz 电压，以及经变压器降压后输出的直流 12V 电压、7V 电压、5V 电压，变压器功率为 60W。控制面板部分有 11 颗按钮。5 颗自锁按钮分别控制机器的启动与停止、电机 1 的启动与停止、电机 2 的启动与停止、电机 3 的启动与停止、电机 4 的启动与停止；6 颗不自锁按钮分别控制电机 2 的正转、电机 2 的反转、电机 4 的正转、电机 4 的反转、舵机的左转、舵机的右转。控制执行器用 89C51 单片机。因为它外扩 IO 口多，适合控制多个元 器件。143.2.2 控制说明图 3-10 电路控制示意图表 3-1 输入和输出点的分配P10 按钮 5（电机 2 正转） P00 IN1P11 按钮 6（电机 2 反转） P01 IN2P12 按钮 7（电机 4 正转） P02 IN3P13 按钮 8（电机 4 反转） P03 IN4P14 按钮 9（舵机左转至 180 度） P04 舵机P15 按钮 10（舵机右转至 180 度） P05 灯带 1P16 光电传感器 1（灯带 1 亮） P06 灯带 2输入P17 光电传感器 2（灯带 2 亮）输出P07电机 1 控制齿形轮、凸轮弹射器、曲柄摇杆上升机构。电机 2 控制滑轮组提升机构、多杆上升机构、立式换路转盘。电机 3 控制链轮式小球搬升装置、凸轮间隔上升装置。电机 415控制卧式换路转盘。先接通变压器电源，按下总开关按钮，89C51 单片机与 L298N 驱动模块上电。按下自锁按钮 1，电机 1 通电，电机开始正转。再次按下自锁按钮 1，电机停转。按下自锁按钮 3，电机 3 通电，电机开始正转。再次按下自锁按钮 3，电机停转。按下自锁按钮 2，电机 2 线路接通。但 IN1 与 IN2 输出高电平，电机不转。再按下点动按钮5，IN1 输出高电平，IN2 输出低电平，电流从 OUT1 流出，流经电机 2，流进 OUT2，电机正转。若按下点动按钮 6，电机反转。最后按下自锁按钮 2，电机停转。同样的原理，用自锁开关 4，点动开关 7、8 控制电机 4。电机为不自锁电机，当电机停转，可以用手柄通过万向轮带动卧式换路转盘转动，实现自动向手动切换。按下点动按钮 9，在舵机 20ms 的周期内，单片机输出 2.5ms 高电平，舵机右转 180。通过齿轮，曲柄转动 360，带动连杆从左往右运送小球。按下点动按钮 10，单片机输出0.5ms 高电平，舵机左转回到 0连杆回到出发点。当小球通过光电传感器 1，传感器光线被挡，单片机输出 1 个持续一段时间的高电平，继电器 1 闭合，灯带 1 亮起。当单片机输出由高电平回到低电平，继电器打开，灯带熄灭。同样的原理，用光电传感器 2 控制灯带 2。16第四章 关键部位与零件的计算校核校核内容 计算及说明 校核结果电机功率的计算校核小球速度凸轮轴的转速 n=60r/min，根据扭转试验，得到轴上所受的最大扭矩 =1.77N/m。T电机功率 1.760.129.5TnPW所以选用电机功率为 12W。根据齿形轮及该处轨道的大小，画出机构的示意图。图 4-1 轨道示意图两轨道间有一段空隙，为使小球能顺利进入空隙中，小球速度不能过大，故需校核小球速度。已知：轨道间空隙 x=20mm，与电机相连的同步带轮(简称同步带轮 1)的直径 =20mm，与齿形轮相连的同步带轮（简称同步带轮1D2）直径 =50mm，小球半径 r=8mm，齿形轮半径 R=40mm。2设同步带轮 1 转速为 ，则：1n电机的功率选用12W17传动轴的强度校核同步带轮 2 的转速 11122063nDn齿形轮转速 132n=小球速度 331120.4.960/60nnvRnms要使小球能进入空隙中，必须使得 22()xhgtrv=得 1358/minnr而电机时间转速 160/i/irr=所以：小球的速度符合要求。传动轴的材料选用 Q235, ，直径 d=10mm，轴两端用160MPa轴承支撑，轴承中心距 l=320mm，8 个凸轮的总宽度为D=300mm， 8 个凸轮上用键固定在轴上。FA FBq =500N/mMA MB图 4-2 驱动轴受力分析由静力平衡方程： ABF150小球的速度符合要求18B150.F0.3可求得： AB75N图 4-3 轴受力图由上图知最大弯矩和最大扭矩都在中点且 ，maxM1.25N=，按照第三强度理论进行校核。maxT3N=33830.19.202dW传动轴强度符合要求。传动轴强度符合要求TMFsxxx19第五章 创新特色及应用前景5.1 主要特色及创新点本项目设计制造的多功能组合型教具，突破了传统实物教具呆板，生硬的形象，创造性地采用立体式的设计，并结合多种动力系统的运用，多参数变换的轨迹路径，让课堂焕发出别样的活力。该教具主要创新点如下：（1）开发了一款适用于大一科普认知、大二解疑答惑、大三融会贯通的模块化组合型立体机械传动教具，通过小球历险记的方式增强同学对机械学习的兴趣，激发学习的主动性和创造性。（2）充分考虑小球的运动速度和高度，进行传动模块的自主设计、组合和连接，使机械结构的理论与实践教学相辅相成，形成开放、互动的教学氛围。（3）立体展示多种机械传动方式，直观反映各传动机构的运动规律和组合效应，通过连杆长度、凸轮曲线、滑轮位置、电机转速等的调节，达到组合传动机构的最佳演示和教学效果。5.2 应用前景目前，市场上的机械类教具大多结构简单，功能单一，一样教具只能在特定的某个知识点或某节课上使用。这样的教具并非不好，能把一个知识点展示清楚也达到了其目的。不过，应当还有另一种机械教具，它并不仅仅针对一个点，而是着眼于宏观大局，且对于多个层次的学生都适用。但现有的少数组合型教具仅仅只是将几种机械结构简单连接在一起，并无太大的巧妙性。而我们设计的立体式组合传动机构，将多组自行设计的模型巧妙连接，并在途中设立种种可变换参数，在保证教学效果的同时更是极大的提升了趣味性。本作品功能多样：对于大一新生，该教具可使之领略到机械这门学科的魅力，极大地激发他们对学科的兴趣，调动学习的积极性；对大二学生，其中的各个机构可供其进行结构分析与计算；对于有一定基础的大三学生，可自主拆卸结构，可使学生自行设计并替换原有系统，开拓他们的思维及动手能力。这些功能和特点都是市场上已有产品所不能比拟的，因此该教具有着非常广阔的市场前景。20参考文献1 刘济昌.教具的历史与启示J.中国教育技术装备，2010，G484.2 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理(第八版)M. 北京：高等教育出版社， 2013.3 柴国忠，梁利华.材料力学M.北京：科学出版社，2011.4 濮良贵，纪名刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2006.