CN104575231B - 一种机构自由度计算分析教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机构自由度计算分析教具，包括至少一个作为动力部件的摇杆机构；至少一个由摇杆机构驱动的曲柄；至少一块用于安装摇杆机构的底板，至少一根作为执行部件的横杆，至少一根作为传递部件的导杆，以及多个用于提供转动副的铰链机构和多个用于同时提供滑动副和转动副的滑动滑块；所述横杆也安装在底板上，所述曲柄与导杆通过滑动滑块连接。该教具结合典型的牛头刨床设计方案，通过此教具分别形象地展示了自由度为1，自由度为2，以及自由度等于0时的教学方案，让同学们对自由度的计算分析更加透彻，更加形象。该教具可实现多方案间的快速变换，达到方便、快捷的演示效果，以帮助学生对知识点的理解，并增加课堂效果。

Description

一种机构自由度计算分析教具

技术领域

本发明涉及教具，具体的说，本发明设计一种机构自由度计算分析教具。

背景技术

机构自由度就是机构具有的独立运动的数目，因此，当机构的主动件等于自由度数时，机构就具有确定的相对运动。

平面机构的结构分析是《机械原理》课程的重要知识点，教学大纲要求学生熟练掌握此章的知识点。机构自由度计算是本章的重点，而运用机构自由度分析机构是否具有确定的相对运动是本章的难点。因此，有必要设计一套机构自由度计算分析教具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机构自由度计算分析教具，该教具采用模块化设计，实现了组件方便快捷的变换，且变换方案类别多，教学知识点演示更加全面、直观；该教具还可以结合典型案例开展教学，使理论联系实际，显著提高教学效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机构自由度计算分析教具，包括至少一个作为动力部件的摇杆机构；至少一个由摇杆机构驱动的曲柄；至少一块用于安装摇杆机构的底板，至少一根作为执行部件的横杆，至少一根作为传递部件的导杆，以及多个用于提供转动副的铰链机构和多个用于同时提供滑动副和转动副的滑动滑块；所述横杆也安装在底板上，所述曲柄与导杆通过滑动滑块连接；

该机构自由度计算分析教具还包括至少一个为滑动滑块提供滑道的滑杆，所述滑杆固定在底板上；

该机构自由度计算分析教具还包括至少一个为滑动滑块提供滑道的滑动轨，所述滑动轨固定在横杆上；

该机构自由度计算分析教具还包括至少一个连接杆，该连接杆两端分别与横杆和导杆铰接；

该机构自由度计算分析教具还包括至少一个高副组件，所述高副组件包括凹槽矩形滑道和焊接在凹槽矩形滑道背面的六角插销，以及设置在凹槽矩形滑道内的方形滑块，所述六角插销与横杆连接固定连接，所述方形滑块与导杆铰接。

作为本发明进一步的方案：所述摇杆机构包括与曲柄连接的摇杆，以及用于将曲柄安装在底板上的轴承和套筒。

作为本发明进一步的方案：所述滑动滑块包括由盖板和中通滑动腔体组成，所述中通滑动腔体上设有与转动连接的阶梯轴。

作为本发明进一步的方案：所述横杆上设有与其滑动连接的两块固定滑块，且两块固定滑块分别通过滑块固定件固定在底板上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该教具结合典型的牛头刨床设计方案，通过此教具分别形象地展示了自由度为1，自由度为2，以及自由度等于0时的教学方案，让同学们对自由度的计算分析更加透彻，更加形象。通过该教具还可以分析机构是否具有确定的相对运动，以验证机构设计是否正确；该教具可实现多方案间的快速变换，达到方便、快捷的演示效果，以帮助学生对知识点的理解，并增加课堂效果。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为底板的结构示意图；

图2为横杆的结构示意图；

图3为导杆的结构示意图；

图4为曲柄的结构示意图；

图5为滑动滑块的主视图；

图6为滑动滑块的左视图；

图7为阶梯轴的结构示意图；

图8为滑杆的结构示意图；

图9为滑动轨的结构示意图；

图10为连接杆的结构示意图；

图11为高副组件的主视图；

图12为高副组件的左视图；

图13为机构自由度计算分析教具实施例1的主视图；

图14为机构自由度计算分析教具实施例1的左视图；

图15为机构自由度计算分析教具实施例1的俯视图；

图16为机构自由度计算分析教具实施例2的主视图；

图17为机构自由度计算分析教具实施例2的左视图；

图18为机构自由度计算分析教具实施例2的俯视图；

图19为机构自由度计算分析教具实施例3的主视图；

图20为机构自由度计算分析教具实施例3的左视图；

图21为机构自由度计算分析教具实施例3的俯视图；

图中：1-底板、2-滑块固定件、3-固定滑块、4-横杆、5-导杆、6-第一六角头螺栓、7-曲柄、8-滑动滑块、81-第一滑动滑块、82-第二滑动滑块、83-第三滑动滑块、801-盖板、802-中通滑动腔体、803-阶梯轴、9-滑杆、10-第二六角头螺栓、11-第三六角头螺栓、12-摇杆、13-轴承、14-套筒、15-螺母、16-六角销钉、17-滑动轨、18-连接杆、19-高副组件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1-2，一套机构自由度计算分析教具，包括至少一个作为动力部件的摇杆机构；至少一个由摇杆机构驱动的曲柄7；至少一块用于安装摇杆机构的底板1，至少一根作为执行部件的横杆4，至少一根作为传递部件的导杆5，以及多个用于提供转动副的铰链机构和多个用于同时提供滑动副和转动副的滑动滑块8；所述横杆4也安装在底板1上。

所述摇杆机构包括与曲柄7连接的摇杆12，以及用于将曲柄7安装在底板1上的轴承13和套筒14。所述滑动滑块8包括由盖板801和中通滑动腔体802组成，所述中通滑动腔体802上设有与转动连接的阶梯轴803。

实施例1

请参阅图13-15，一种机构自由度计算分析教具，包括底板1、横杆4、导杆5、曲柄7、滑杆9和两块滑动滑块，两块滑动滑块分别为第一滑动滑块81和第二滑动滑块82，所述横杆4上设有与其滑动连接的两块固定滑块3，且两块固定滑块3分别通过滑块固定件2固定在底板1上，其中，所述固定滑块3通过第一六角头螺栓6和和螺母15固定在滑块固定件2，滑块固定件2通过第三六角头螺栓11和螺母15固定在底板1上；所述导杆5一端与横杆4铰接，另一端与第一滑动滑块81铰接，第一滑动滑块81与滑杆9滑动连接，且第一滑动滑块81的滑动方向与横杆4垂直，所述滑杆9通过第二六角头螺栓10和螺母15固定在底板1上；所述导杆5上设有与其滑动连接的第二滑动滑块82，第二滑动滑块82与曲柄7一端铰接，曲柄7另一端安装固定有摇杆12，且曲柄7通过轴承13和套筒14安装在底板1上。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中有5个活动构件，共有3n个自由度；有7个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×5-(2×7+0)＝1。

本实施例为典型的牛头刨床设计方案之一，其通过手摇摇杆12带动曲柄7转动，通过第二滑动滑块82使导杆5往复摆动，进而带动横杆4在固定滑块3内往复移动，以达到刨削加工目的。

实施例2

请参阅图16-18，在实施例1的基础上增加一个滑动轨17和第三滑动滑块83，并将实施例1中的导杆5与横杆4的铰接改成导杆5与第三滑动滑块83的铰接；所述第三滑动滑块83与滑动轨17滑动连接，滑动轨17通过六角销钉16固定在横杆4上。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

因为滑动轨17通过六角销钉16固定在横杆4上，滑动轨17与横杆4之间无相对运动，为一个活动构件；则该平面机构中有6个活动构件，共有3n个自由度；有8个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×6-(2×8+0)＝2。由于该机构有一个原动件，原动件的数目≠自由度的数目，因此该机构没有确定的运动。

实施例3

请参阅图19-21，在实施例1的基础上增加一个连接杆18，该连接杆18两端分别与横杆4和导杆5铰接。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

由于横杆4、导杆5与连接杆18两两铰接，构成稳定的三角形结构，记为一个活动构件，则该平面机构中共有4个活动构件，共有3n个自由度；有6个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×4-(2×6+0)＝0。因此本实施例中，各构件之间不能产生相对运动。或者理解为：与实施例相比，本实施例引入了活动构件，但引入了两个转动副；因此，则该平面机构中共有6个活动构件，共有3n个自由度；有9个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×6-(2×9+0)＝0。

实施例4

将实施例1中的第一滑动滑块81和滑杆9去掉，所述导杆5一端与横杆4铰接，另一端直接与底板1铰接。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中有4个活动构件，共有3n个自由度；有6个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×4-(2×6+0)＝0。因此本实施例中，各构件之间不能产生相对运动。

实施例5

将实施例2中的第一滑动滑块81和滑杆9去掉，所述导杆5一端与横杆4铰接，另一端直接与底板1铰接。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中有5个活动构件，共有3n个自由度；有7个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×5-(2×7+0)＝1。由于该机构有一个原动件，原动件的数目＝自由度的数目，因此该机构具有确定的运动，本实施例也为典型的牛头刨床设计方案之一。

实施例6

将实施例3中的横杆4与导杆5的铰接去掉。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中共有6个活动构件，共有3n个自由度；有8个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×6-(2×8+0)＝2。由于该机构有一个原动件，原动件的数目≠自由度的数目，因此该机构没有确定的运动。

实施例7

将实施例3中的横杆4与导杆5的铰接，以及第一滑动滑块81和滑杆9去掉，所述导杆5一端与横杆4铰接，另一端直接与底板1铰接。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中共有5个活动构件，共有3n个自由度；有7个低副和0个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×5-(2×7+0)＝1。由于该机构有一个原动件，原动件的数目＝自由度的数目，因此该机构具有确定的运动，本实施例也为典型的牛头刨床设计方案之一。

实施例8

将实施例4中导杆5与横杆4的铰链结构替换成高副组件19，所述高副组件19包括凹槽矩形滑道192和焊接在凹槽矩形滑道192背面的六角插销191，以及设置在凹槽矩形滑道192内的方形滑块(方形滑块容易理解，图中未示出)，所述六角插销191与横杆4连接固定连接，所述方形滑块与导杆5铰接。

本实施例中，机构自由度计算分析如下：

该平面机构中有4个活动构件，共有3n个自由度；有5个低副和1个高副，共有引入(2Pl+Ph)约束；根据平面机构的自由度计算公式：F＝3n-(2Pl+Ph)＝3×4-(2×5+1)＝1。由于该机构有一个原动件，原动件的数目＝自由度的数目，因此该机构具有确定的运动，本实施例也为典型的牛头刨床设计方案之一。

上述8个实施例结合了多个典型的牛头刨床设计方案，通过此教具分别形象地展示了自由度为1，自由度为2，以及自由度等于0时的教学方案，让同学们对自由度的计算分析更加透彻，更加形象。通过该教具还可以分析机构是否具有确定的相对运动，以验证机构设计是否正确；该教具可实现多方案间的快速变换，达到方便、快捷的演示效果，以帮助学生对知识点的理解，并增加课堂效果。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种机构自由度计算分析教具，其特征在于，包括至少一个作为动力部件的摇杆机构；至少一个由摇杆机构驱动的曲柄(7)；至少一块用于安装摇杆机构的底板(1)，至少一根作为执行部件的横杆(4)，至少一根作为传递部件的导杆(5)，以及多个用于提供转动副的铰链机构和多个用于同时提供滑动副和转动副的滑动滑块(8)；所述横杆(4)也安装在底板(1)上，所述曲柄(7)与导杆(5)通过滑动滑块(8)连接；

还包括至少一个为滑动滑块(8)提供滑道的滑杆(9)，所述滑杆(9)固定在底板(1)上；

还包括至少一个为滑动滑块(8)提供滑道的滑动轨(17)，所述滑动轨(17)固定在横杆(4)上；

还包括至少一个连接杆(18)，该连接杆(18)两端可分别与横杆(4)和导杆(5)铰接；

还包括至少一个高副组件(19)，所述高副组件(19)包括凹槽矩形滑道(192)和焊接在凹槽矩形滑道(192)背面的六角插销(191)，以及设置在凹槽矩形滑道(192)内的方形滑块，所述六角插销(191)可与横杆(4)固定连接，所述方形滑块可与导杆(5)铰接。

2.根据权利要求1所述的机构自由度计算分析教具，其特征在于，所述摇杆机构包括与曲柄(7)连接的摇杆(12)，以及用于将曲柄(7)安装在底板(1)上的轴承(13)和套筒(14)。

3.根据权利要求1所述的机构自由度计算分析教具，其特征在于，所述滑动滑块(8)包括由盖板(801)和中通滑动腔体(802)组成，所述中通滑动腔体(802)上设有与转动连接的阶梯轴(803)。

4.根据权利要求1所述的机构自由度计算分析教具，其特征在于，所述横杆(4)上设有与其滑动连接的两块固定滑块(3)，且两块固定滑块(3)分别通过滑块固定件(2)固定在底板(1)上。