空间机构运动创新实验台的结构设计

李俊++张辉++沈宇亮++付亚美++熊创++张道德++徐俊杰++徐锴琦

摘 要：空间机构运动创新实验台设计了两个直接配合的机架，可以在机架范围内的空间任意位置搭接机构；采用滑动方式移动机架，机架及横梁上有长度刻度，可准确定位，精度高；可配备了多个驱动电机，进行多动力源驱动，控制系统可实时显示电机的工作电压、电流和转速等信息。空间机构运动创新实验台不单可以搭接平面机构，而且可以搭接空间机构，开发出设计性综合性实验，锻炼学生的结构创新能力。

关键词：空间机构；创新；结构设计

中图分类号：TH112 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0025-02

引言

我国大学生实践能力不强、创新精神不足是当前人才培养质量最突出的问题。通过实践课程培养学生的工程创新精神和工程创新能力，工程创新能力培养包括工程创新意识的建立、工程创新思维方式和工程创新方法的实践训练等方面[1]。对于机械设计制造专业的大学生而言，机械原理的实践课程教学目的就是培养学生机构创新设计思维和机构创新设计能力[2]。机械原理课程的机构创新运动设计实验是融入可机构创新思维和机构创新技能训练等方面内容的设计性实验，机构运动创新设计实验要求掌握机构设计方法和基本的技能，如机构的运动变换、机构的运动副变换、机构的同性异型变换、机构的反求变换等，通过学习和掌握基本的机构设计方法训练后掌握机构的创新思维方式方法。训练机构创新思维方式和机构创新设计技能必须要有良好的实验设备条件，需要功能完善、操作简单从而满足学生机构创新思维和机构创新技能训练的机构创新运动设计实验平台[3]。目前，各高校的机械创新设计实验设备基本是机构简单且单一，只能完成如凸轮机构搭接、四杆机构搭接等简单机构设计的平面机构创新设计实验台。因此，机构创新实验设备落后的严重不足是机械设计制造专业大学生机构创新思维和机构创新能力培养的一大障碍。

目前，机械工程实验室使用的机械原理教学实验台体积较大，采用轴孔配合安装和拆卸，采用螺栓固定锁紧，零部件之间的相对移动都是直接摩擦，有多种规格的杆件。因此，在使用过程中存在不足，主要有：杆件、螺栓、螺母规格烦多，整理及选择极为不便；实验台的杆架和滑块难以移动且固定操作麻烦，使用者难以根据自己的意愿方便操作。因此，需要一种拆装操作方便、灵活的实验台满足使用者的需求。《机械原理》《机械设计》《机械创新设计》等课程的机构组合创新实验主要局限于一个自由度、单一动力源等平面机构搭接，难以搭接空间机构，多个自由度及多个动力源的创新机构，局限了机构的创新性设计思维[4]。本文拟通过开发一种空间机构运动创新实验台从而增加设备功能，提高现有机构创新设计实验的设备水平和教学方法。

1 设计目标

为了拓展机构自主创新思维，根据机械系统组成原理，通过实验进一步掌握系统组成理论，熟悉机械传动概念和基础知识，为创新设计奠定良好的基础，本文拟开发一种空间机构运动创新实验台装置。空间机构运动创新实验台的主要技术要求：（1）空间机构运动创新实验台装置可组成性能各异的平面机构系统和空间机构系统；（2）空间机构运动创新实验台装置的各传动系统层次分明，联接可靠，不会产生构件之间的运动干涉或脱离；（3）空间机构运动创新实验台装置的联接方式要求使用调节范围大，拆装轻松方便，结构紧凑，元件之间的通用性好，拼装方案多等特点；（4）空间机构运动创新实验台装置具有搭接调整灵活方便，连接件尺寸准确；（5）空间机构运动创新实验台装置根据需求搭接多种类型的机构并能灵活运动、无卡滞干涉现象。基于空间机构运动创新实验台可开发综合性实验项目：空间机构的设计拼装及运动性能测试实验；空间机构运动创新设计的拼装及运动性能测试实验；课程设计、毕业设计中进行空间机构系统方案设计的拼装及运动性能测试实验。基于空间机构运动创新实验台开发的设计性综合性实验项目有助于加强机械创新意识、机械综合设计能力，从而提高机构设计的实验技能，培养使用者运用创新思维，遵循机械设计的基本法则对机构创新运动方案进行设计与研究。

2 结构设计

目前，市场上已有平面机构运动创新设计实验台，只能搭接平面结构，根据项目要求设计的空间机构运动创新设计实验台不单可以搭接平面机构，而且还可以搭接空间机构，主要为了开发设计性综合性实验，锻炼学生的结构创新能力。

本文设计的空间机构运动创新设计实验台主要由底座、机架、横梁、立柱、立柱导轨、底座导轨、控制箱以及控制驱动系统等组成。空间机构运动创新设计实验台的附件可以搭接平面连杆机构组件、凸轮机构组件、间歇机构组件（包含槽轮机构、不完全齿轮机构、棘轮机构等）、齿轮传动机构组件、带（链）传动组件、多轴组合机构组件等。空间机构运动创新设计实验台根据设计需要选择相关附件搭接平面机构或空间机构，可拼装齿轮-杆组合机构、凸轮组合机构、不完全轮组合机构、槽轮组合机构，齿轮-齿条组合机构、链-齿轮组合机构、棘轮组合机构及多轴驱动的机器人等。空间机构运动创新实验台设计了两个直接配合的机架，可以在机架范围内的空间任意位置搭接机构；采用滑动方式移动机架，机架及横梁上有长度刻度，可准确定位，精度高；可配备了多个驱动电机，进行多动力源驱动，空间机构运动创新设计实验台的结构示意图如图1所示。电机采用无极变速控制，控制系统可以实时显示电机在负载动作下的电压电流及运行转速等。使用者在机架上装配出所构思的机构，用带传动联接电机，开启电源，驱动机构运动，并进行运动模拟，检验空间多杆机构创新模型设计是否合理，空间机构运动创新设计实验台的杆件可方便地进行大范围尺寸调整，方便机构组合拼装；连接桿铰链设计新颖，可避免不同平面之间构件发生干涉；带传动的张紧装置保证传动更平稳。

实验设计过程中进行机构形变的创新实验时，可以让使用者通过选择不同的构件及滑块及其位置的改变观察其运动形式的不同，通过改变各种运动条件来分析运动的特性，深刻了解机构组成的基本元素，构件运动规律及条件等基本知识，让使用者尽可能地运用发散思维找出各种能改变机构运动方式的因素，如选不同构件作机架，改变运动副尺寸和形式，选择不同构件作为原动件等。运用收敛思维方式改变其机构的构成要素，促使运动确定，并满足机构主动件数等于运动自由度的条件，总结出设计的机构元素的运动规律。

3 结束语

空间机构运动创新设计实验台可以拼装的实验项目可以包括平面机构、空间机构、多自由度、多个动力源的创新机构，学生可自行创意设计拼装上百种不同类型的机构，可开发出设计性综合性实验。本实验台研制具有良好的性价比，可以推广。空间机构运动创新设计实验台为学生提供了良好的设备条件，基于空间机构运动创新设计实验台还需进行实验教学方法和内容的修订及撰写，把实践教学作为鼓励学生进行创新设计实践的摇篮。

参考文献：

[1]孔蓉.改进机构实验设备培养学生创新实践能力[J].中国教育技术装备，2012（33）：31-32.

[2]邓伟刚，王洪波，高雄.机构运动创新设计实验教学方法研究与实现[J].内蒙古农业大学学报（社会科学版），2014（05）：95-99.

[3]李瑞虎，刘惠芹.机构的创新实验教学[J].高校实验室工作研究，2003（04）：171-173.

[4]王汝贵，蔡敢为.两自由度可控机构动态性能实验装置研制[J].高校实验室工作研究，2003（04）：3-5，11.endprint