空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了兩個(gè)直接配合的機(jī)架，可以在機(jī)架范圍內(nèi)的空間任意位置搭接機(jī)構(gòu)；采用滑動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)架，機(jī)架及橫梁上有長(zhǎng)度刻度，可準(zhǔn)確定位，精度高；可配備了多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行多動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的工作電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信息?？臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)不單可以搭接平面機(jī)構(gòu)，而且可以搭接空間機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力。

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

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

引言

我國(guó)大學(xué)生實(shí)踐能力不強(qiáng)、創(chuàng)新精神不足是當(dāng)前人才培養(yǎng)質(zhì)量最突出的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)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(shí)的建立、工程創(chuàng)新思維方式和工程創(chuàng)新方法的實(shí)踐訓(xùn)練等方面[1]。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生而言，機(jī)械原理的實(shí)踐課程教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[2]。機(jī)械原理課程的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是融入可機(jī)構(gòu)創(chuàng)新思維和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新技能訓(xùn)練等方面內(nèi)容的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和基本的技能，如機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變換、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副變換、機(jī)構(gòu)的同性異型變換、機(jī)構(gòu)的反求變換等，通過(guò)學(xué)習(xí)和掌握基本的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法訓(xùn)練后掌握機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新思維方式方法。訓(xùn)練機(jī)構(gòu)創(chuàng)新思維方式和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技能必須要有良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，需要功能完善、操作簡(jiǎn)單從而滿(mǎn)足學(xué)生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新思維和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新技能訓(xùn)練的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3]。目前，各高校的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且單一，只能完成如凸輪機(jī)構(gòu)搭接、四桿機(jī)構(gòu)搭接等簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。因此，機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后的嚴(yán)重不足是機(jī)械設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)大學(xué)生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新思維和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙。

目前，機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室使用的機(jī)械原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)移動(dòng)都是直接摩擦，有多種規(guī)格的桿件。因此，在使用過(guò)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的桿架和滑塊難以移動(dòng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)滿(mǎn)足使用者的需求?！稒C(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》等課程的機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要局限于一個(gè)自由度、單一動(dòng)力源等平面機(jī)構(gòu)搭接，難以搭接空間機(jī)構(gòu)，多個(gè)自由度及多個(gè)動(dòng)力源的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，局限了機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)思維[4]。本文擬通過(guò)開(kāi)發(fā)一種空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)從而增加設(shè)備功能，提高現(xiàn)有機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備水平和教學(xué)方法。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了拓展機(jī)構(gòu)自主創(chuàng)新思維，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)組成原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握系統(tǒng)組成理論，熟悉機(jī)械傳動(dòng)概念和基礎(chǔ)知識(shí)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)，本文擬開(kāi)發(fā)一種空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置?？臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)要求：（1）空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置可組成性能各異的平面機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和空間機(jī)構(gòu)系統(tǒng)；（2）空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置的各傳動(dòng)系統(tǒng)層次分明，聯(lián)接可靠，不會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)干涉或脫離；（3）空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)；（4）空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置根據(jù)需求搭接多種類(lèi)型的機(jī)構(gòu)并能靈活運(yùn)動(dòng)、無(wú)卡滯干涉現(xiàn)象?；诳臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)可開(kāi)發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：空間機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)拼裝及運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)；空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的拼裝及運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)；課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中進(jìn)行空間機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的拼裝及運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)?；诳臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有助于加強(qiáng)機(jī)械創(chuàng)新意識(shí)、機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力，從而提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)使用者運(yùn)用創(chuàng)新思維，遵循機(jī)械設(shè)計(jì)的基本法則對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上已有平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，只能搭接平面結(jié)構(gòu)，根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)的空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)不單可以搭接平面機(jī)構(gòu)，而且還可以搭接空間機(jī)構(gòu)，主要為了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力。

本文設(shè)計(jì)的空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由底座、機(jī)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(dòng)系統(tǒng)等組成?？臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的附件可以搭接平面連桿機(jī)構(gòu)組件、凸輪機(jī)構(gòu)組件、間歇機(jī)構(gòu)組件（包含槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)等）、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組件、帶（鏈）傳動(dòng)組件、多軸組合機(jī)構(gòu)組件等。空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇相關(guān)附件搭接平面機(jī)構(gòu)或空間機(jī)構(gòu)，可拼裝齒輪-桿組合機(jī)構(gòu)、凸輪組合機(jī)構(gòu)、不完全輪組合機(jī)構(gòu)、槽輪組合機(jī)構(gòu)，齒輪-齒條組合機(jī)構(gòu)、鏈-齒輪組合機(jī)構(gòu)、棘輪組合機(jī)構(gòu)及多軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人等?？臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)了兩個(gè)直接配合的機(jī)架，可以在機(jī)架范圍內(nèi)的空間任意位置搭接機(jī)構(gòu)；采用滑動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)架，機(jī)架及橫梁上有長(zhǎng)度刻度，可準(zhǔn)確定位，精度高；可配備了多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行多動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電機(jī)采用無(wú)極變速控制，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)在負(fù)載動(dòng)作下的電壓電流及運(yùn)行轉(zhuǎn)速等。使用者在機(jī)架上裝配出所構(gòu)思的機(jī)構(gòu)，用帶傳動(dòng)聯(lián)接電機(jī)，開(kāi)啟電源，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，檢驗(yàn)空間多桿機(jī)構(gòu)創(chuàng)新模型設(shè)計(jì)是否合理，空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的桿件可方便地進(jìn)行大范圍尺寸調(diào)整，方便機(jī)構(gòu)組合拼裝；連接桿鉸鏈設(shè)計(jì)新穎，可避免不同平面之間構(gòu)件發(fā)生干涉；帶傳動(dòng)的張緊裝置保證傳動(dòng)更平穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)形變的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以讓使用者通過(guò)選擇不同的構(gòu)件及滑塊及其位置的改變觀察其運(yùn)動(dòng)形式的不同，通過(guò)改變各種運(yùn)動(dòng)條件來(lái)分析運(yùn)動(dòng)的特性，深刻了解機(jī)構(gòu)組成的基本元素，構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及條件等基本知識(shí)，讓使用者盡可能地運(yùn)用發(fā)散思維找出各種能改變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的因素，如選不同構(gòu)件作機(jī)架，改變運(yùn)動(dòng)副尺寸和形式，選擇不同構(gòu)件作為原動(dòng)件等。運(yùn)用收斂思維方式改變其機(jī)構(gòu)的構(gòu)成要素，促使運(yùn)動(dòng)確定，并滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)主動(dòng)件數(shù)等于運(yùn)動(dòng)自由度的條件，總結(jié)出設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)元素的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 結(jié)束語(yǔ)

空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以拼裝的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以包括平面機(jī)構(gòu)、空間機(jī)構(gòu)、多自由度、多個(gè)動(dòng)力源的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，學(xué)生可自行創(chuàng)意設(shè)計(jì)拼裝上百種不同類(lèi)型的機(jī)構(gòu)，可開(kāi)發(fā)出設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制具有良好的性?xún)r(jià)比，可以推廣?？臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為學(xué)生提供了良好的設(shè)備條件，基于空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容的修訂及撰寫(xiě)，把實(shí)踐教學(xué)作為鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的搖籃。

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