CN105788437A - 一种卧式平面机构组合式教具 - Google Patents

Abstract

一种卧式平面机构组合式教具，该教具包括基础部分、连杆部分、曲柄滑块部分和凸轮部分。基础部分包括机架、收纳箱、电控与测量系统、动力系统；连杆部分包括连杆组件、接轴组件、从动轴座组件；曲柄滑块部分包括连杆组件、滑块、导轨组件；凸轮部分包括凸轮、从动件、导向组件。通过各部分拼接，实现多种平面机构中典型机构的运动演示，较好解决了在同一教具上实现不同机构的设计、运动演示、特性研究等问题。本发明实现了多种平面连杆机构和凸轮机构的知识点再现，能有效提升教学效果。

Description

一种卧式平面机构组合式教具

技术领域

本发明涉及一种机械类机械原理课程的教学用具，具体涉及一种卧式平面机构组合式教具。

背景技术

机械原理课是机械类专业技术基础课程，任务是让学生了解有关常用机构和常用零件方面的基础知识，再学习机构方面的复杂设计计算。认识零件和机构是一个重要环节，如何让学生通过老师的讲解快速地掌握复杂抽象的机构运动原理，教具是很好的选择，机械类教具的使用大大加快了学生理解和掌握课堂知识的过程，应用前景广泛。

平面机构运动形式多样，如转动、摆动、移动和平面或空间等复杂运动。直观性是主要的教学原则之一，学生需要感性知识或经验为基础来更好地掌握书本知识，尤其是曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄滑块机构及凸轮机构的机械知识，如果单纯利用讲解和画图的方式是不能完全对其进行阐述和理解，这样不仅增加了老师的教学负担，而且影响学生的学习效果。

现在市场上是有类似产品的，但其功能相对较为单一，而且参数都是不可调的，只能进行的单个机构的演示，而且每个教具都需单独配备一个电控箱，成本高效率低。还有一些机械类创新实验的教具，需要学生自己组装，因为设计方面的原因，运动过程中压力角和摩擦力都比较大，无法实现运动，也没有动力源，更没有电控和运动参数输出，由于各零部件非常分散，效率低是其一，在实验时间内能不能搭建成功都是个大问题，更别谈实现运动进行分析。

综上，对平面机构中典型机构进行演示的教具进行新设计的意义是非常大的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服市场上现有平面连杆类和凸轮类教具的功能简单效率低、使用拆装保存不便、稳定性差而寿命又不长等不足，提供一种卧式平面机构组合式教具，在实现曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆、曲柄滑块、凸轮等一些机械原理中典型平面机构演示的同时，也可以自由组合成不同的机构，还可以改变连杆长度参数进行机构的演化和组合实验，变换简单操作灵活效率大大提高，对于连杆类机构，由于连接轴上万向球的支撑作用，有效避免了悬臂梁的存在，降低了杆件和轴类零件的材料要求和加工要求，从而降低了成本、增强了机构稳定性、增长了机构整体使用寿命。多种机构融为一体，使得很多零部件可以共用，基础部分就是最好的一个例子，而且各机构演示的零部件也可共用，这使得生产成本和制造难度大幅降低。除了最小装配尺寸过大的从动轴座组件、尺寸很长的曲柄滑块导轨组件外，其它零部件和可能用到的小工具都可放置在收纳箱中，从动轴座组件的从动轴横梁可下放直接贴于工作面板上并固定，而从动轴座可安放在机架右下角焊于立柱的横梁上，导轨组件中的导轨梁可直接安放在它正常工作时的位置，导轨则可紧挨机架上边界固定。这样整个教具的所有零部件都收缩于机架上，整体为扁平长方体造型，很利于存储和运输。

所述卧式平面机构组合式教具包括基础部分、连杆部分、曲柄滑块部分和凸轮部分。基础部分包括机架、收纳箱、电控与测量系统、动力系统；连杆部分包括连杆组件、连接轴组件、从动轴座组件；曲柄滑块部分包括连杆组件、滑块、导轨组件；凸轮部分包括凸轮、从动件、导向组件。

所述基础部分是所有机构演示的基础，为各演示提供一个演示平台，由机架、收纳箱、电控与测量系统和动力系统四部分组成。机架为一体化构件，采用焊接；以工作面板为基础，在四角焊接立柱作为支撑脚；在工作面板下焊接三横三纵6根面板加强板；面板以下还要焊接主轴、电机轴和角位移传感器轴这三个轴的安装结构，以及三个承托收纳箱的抽屉式横梁；工作面板右侧按焊接四支撑脚的方式，焊接从动轴横梁导轨；在右下角的支撑脚上焊接从动轴座组件存放梁；收纳箱共有三个以抽屉形式布置在机架上工作面板下；电控与测量系统包括电机驱动器、数据处理器（A/D模块、PWM模块、蓝牙模块）、传感器和机架右下角的收纳箱。电机驱动器和数据处理器的各物理结构分散固定在收纳箱Ⅰ内，并在收纳箱Ⅰ右侧壁上开孔装电源接口，最后收纳箱以抽屉结构安放于机架右下角工作面板之下，还有两个收纳箱用于存放零部件和小型维修工具；动力部分则是有电机、同步带组和主轴组成，电机安装在机架左下角的工作面板上，且电机轴伸入到工作面板以下，主轴则贯穿工作面板安装在机架的中部，电机和主轴通过同步带组连接传递扭矩。

所述连杆部分用于平面连杆机构的演示，由连杆组件、连接轴组件和从动轴座组件三个部件组成。根据演示需要选择合适的连杆用带万向球的连接轴连接，组成连杆组件，将从动轴横梁固定在机架对应导轨上，再把从动轴座安装在从动轴横梁上，最后将连杆组件首尾分别连接到机架的主轴和从动轴座组件的从动轴上。

所述曲柄滑块部分用于平面曲柄滑块摇杆机构和曲柄连杆滑块机构的演示，由连杆组件、滑块、导轨组件三个部件组成；导轨组件固定于机架工作面板的上边界，且正对主轴的位置，并将滑块套在导轨组件的导轨上，连杆组件则是由单个曲柄或再连接一根连杆组成，曲柄端连于机架的主轴，另一端连于滑块，此连杆组件不需单独配备，可直接共用连杆部分中的连杆组件。

所述凸轮部分用于盘形凸轮机构的演示，由凸轮、从动件和导向组件三个部件组成。导向组件通过限位器和压紧螺栓固定在机架的工作面板上，将从动件和复位弹簧同时安装在导向组件的导向器上，最后在机架的主轴上安装凸轮。

本发明的有益效果：在实现曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆、曲柄滑块、凸轮等一些典型平面机构演示的同时，也可以自由组合成不同的机构，还可以改变连杆长度、滑块导轨或从动件偏心距等参数进行多种机构实验，变换简单操作灵活效率大大提高，由于轴支撑万向球的支撑作用，有效避免了悬臂梁的存在，降低了杆件和轴类零件的材料要求和加工要求，从而降低了成本、增强了机构稳定性、增长了机构整体使用寿命，整个教具的所有零部件都收缩于机架上，整体为扁平长方体造型，很利于存储和运输。总的说来有以下优点：机构演示多功能强，材料、制造成本低，便于封装，存储运输方便，机构演示种类多，零部件在各机构中重复使用率高，拆装使用方便，稳定性好，使用寿命长。

附图说明

图1为卧式平面机构组合式教具的底部结构示意图；

图2(a)为曲柄摇杆机构演示结构的俯视图；

图2(b)为曲柄摇杆机构演示结构的主视图；

图3为曲柄滑块摇杆机构演示结构示意图；

图4为曲柄连杆滑块机构（对心）演示结构示意图；

图5为曲柄连杆滑块机构（偏心）演示结构示意图；

图6为盘形凸轮机构（对心）演示结构示意图；

在图中：1-小带轮轴Ⅰ；2-小带轮Ⅰ；3-小带轮轴Ⅱ；4-小带轮Ⅱ；5-同步带组件；6-大带轮；7-圆柱销；8-压紧板；9-压紧弹簧；10-螺母；11-压紧轮轴；12-同步带压紧轮；13-收纳箱Ⅱ；14-收纳箱Ⅰ；15-收纳箱Ⅲ；16-机架；17-主轴；18-从动轴座横梁；19-角位移传感器Ⅰ；20-电机；21-连杆Ⅱ（长度范围：100mm-160mm）；22-连杆Ⅲ（长度范围：100mm-160mm）；23-连杆Ⅳ（长度范围：160mm-250mm）；24-从动轴；25-齿轮Ⅰ；26-从动轴座Ⅰ；27-从动轴座Ⅱ；28-齿轮Ⅱ；29-角位移传感器齿轮轴；30-齿轮Ⅲ；31-角位移传感器Ⅱ；32-连接轴；33-轴支撑万向球；34-导轨（限位杆）；35-滑块；36-连杆Ⅰ（长度范围：70mm-100mm）；37-连杆Ⅴ（长度范围：160mm-250mm）；38-导向器；39-从动件；40-凸轮；42-限位器。

具体实施方案

为了便于理解，以下结合优选实施方式并配合附图进行详细说明。

先说明本发明的基础部分：如图1、2所示，首先是向机架(16)安装同步带组件(5)。安装小带轮Ⅰ(2)时先将同步带组件(5)放于小带轮轴Ⅰ(1)要穿过的位置，然后将一个深沟球轴承安装于机架电机轴下一个轴承槽中，再把小带轮Ⅰ(2)放于其工作时的位置，再从机架工作面板上方插入带轮轴Ⅰ(1)，再从机架工作面板上方安入深沟球轴承，最后这则是紧固小带轮Ⅰ(2)于带轮轴Ⅰ上。于此安装方式，安装小带轮Ⅰ(4)和大带轮(6)。然后是安装压紧机构，通过压紧轮轴(11)和螺母(10)将同步带压紧轮(12)固定在同步带压紧板(8)上，再将压紧板(8)通过圆柱销(7)安装在机架上，再安装上弹簧(9)，便达到压紧同步带的作用。最后将收纳箱Ⅱ(13)、收纳箱Ⅲ(15)及装有电控部件的收纳箱Ⅰ(14)安装到机架上。在机架工作面板上方，先可安装电机和角位移传感器，电机(20)和角位移传感器Ⅰ(19)倒扣安装在机架工作面板左下角，两轴均伸入工作面板以下固接在对应的小带轮轴Ⅰ(1)、小带轮轴Ⅱ(3)上。

本发明可以完成曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、平面连杆叠加机构、平面连杆虚约束机构的演示，也就通过连杆部分的零部件组装来实现的机构。先说明这几个机构的共同部分：把从动轴座横梁(18)安装到机架右侧的导轨内，并用螺纹紧固。从动轴座组件的组装和安装，在从动轴Ⅰ(24)上安装好两个深沟球轴承，然后安放入从动轴座Ⅰ(26)中，再安装弹簧卡夹防止其轴向跳动，在从动轴座Ⅰ(26)的另一边安装角位移传感器Ⅱ(31)，其轴向上伸出从动轴座Ⅰ(26)，将齿轮Ⅰ(25)和齿轮Ⅲ(30)固装在从动轴(24)和角位移传感器轴(290上，再将齿轮Ⅱ(28)安装在从动轴座Ⅰ(26)上另两齿轮中间，连接另两齿轮，组装好后的从动轴座Ⅰ(26)通过两个蝶形螺钉固定在从动轴横梁(18)上。①实现曲柄摇杆机构的演示，如图2a、b所示。先将通过上述组装好的机架放于水平桌面上，再将连杆(21)、(22)、(23)用连接轴首尾相接，再将连杆Ⅱ(21)的另一端与主轴(17)固接，连杆Ⅳ(23)的另一端与从动轴(24)固接。调整主轴和从动轴轴距为130mm。拧松（转90°）连杆Ⅱ(21)上的蝶形椭圆销(42)，调节连杆内杆(43)和连杆外杆(41)使连杆两端轴心距为100mm（即连杆Ⅱ(21)长为100mm，亦为连杆Ⅱ最小长度），然后拧紧（逆转90°）连杆Ⅱ(21)上的蝶形椭圆销(42)。以相同方法，调节连杆Ⅲ(22)长为160mm（亦为连杆Ⅱ最大长度），调节连杆Ⅳ(23)长为180mm。启动电机，整周转动，即可进行曲柄摇杆机构的演示。②实现双曲柄机构的演示，在曲柄摇杆机构的演示（图2）的基础上，调节连杆Ⅱ(21)长为160mm。启动电机，整周转动，即可进行双曲柄机构的演示。③实现双摇杆机构的演示，在双曲柄机构的演示的基础上，调节连杆Ⅱ(21)长为100mm。启动电机，按计算行程周期性正反转动，即可进行双摇杆机构的演示。④实现平面连杆叠加机构的演示，在双摇杆机构的演示的基础上，用连接轴将滑块(35)、连杆Ⅰ(36)、连杆Ⅴ(37)首尾相连，并连杆链首尾连接到连杆Ⅲ(22)。启动电机，按计算行程周期性正反转动，即可进行平面连杆叠加机构的演示。⑤实现平面连杆虚约束机构的演示，在双摇杆机构的演示的基础上，在连杆Ⅱ(21)和连杆Ⅳ(23)的铰接处，连接连杆连杆Ⅲ(22)，连杆Ⅲ(22)另一端再连接连杆Ⅴ(37)，连杆Ⅴ(37)的另一端再连接到从动轴Ⅱ，从动轴Ⅱ安装于从动轴座Ⅱ(27)，在连杆Ⅴ(37)和连杆Ⅴ(37)绞接处安装轴支撑万向球。调节从动轴座Ⅰ(26)与从动轴座Ⅱ(27)距160mm，连杆Ⅱ(21)长为130mm，连杆Ⅳ(23)长为160mm，连杆Ⅲ(22)长为160mm，连杆Ⅴ(37)为160mm。启动电机，按计算行程周期性正反转动，即可进行平面连杆虚约束机构的演示。

本发明可以完成曲柄滑块机构的演示，分为曲柄滑块摇杆、曲柄连杆滑块（对心）、曲柄连杆滑块（偏心）三种具体的机构演示，也就通过曲柄滑块部分的零部件组装来实现的机构。①实现曲柄滑块摇杆机构的演示：如图3所示，将导轨部分的导轨(34)的销孔端固定于机架上边界，且与主轴在同一个纵线上，再将导轨插入滑块(35)中，滑块(35)则于曲柄(36)相连，曲柄(43)另一端固定在主轴上。启动电机，整周转动，即可进行曲柄滑块摇杆机构的演示。②实现曲柄连杆滑块（对心）机构的演示：如图4所示，将导轨部分的导轨(34)向上退出一定距离，在两点固定于机架上，且正对主轴，滑块(35)与曲柄(36)添加连杆Ⅴ(37)，使之变为曲柄滑块机构。启动电机，整周转动，即可进行曲柄连杆滑块（对心）机构的演示。③实现曲柄连杆滑块（偏心）机构的演示：如图5所示，在曲柄连杆滑块（对心）机构的基础上，让导轨偏移一个角度在固定，即产生滑块运动轴线向对于主轴轴心的偏心距。启动电机，整周转动，即可进行曲柄连杆滑块（偏心）机构的演示。

本发明可以完成盘形凸轮机构的演示，也就通过凸轮部分的零部件组装来实现的机构，该机构按从动件与轴心相对位置分对心和偏心两类，按从动件结构分尖底、滚子、平底三种类，经排列组合共六种类型，由于各类型差别不大，下就以盘形凸轮（对心、滚子从动件）机构为例进行说明。如图6所示，将导向器(38)对齐主轴(2)（对心），水平放置于机架(16)的左部，并通过拧紧导向器(38)下方的螺栓，确定导向器(38)与机架(16)有一点固定，将限位器(42)底面平贴机架(16)的工作面板，左侧平贴机架(16)右上角立柱，再用螺栓进行固定，将限位杆(43)的圆柱端插入限位器(42)的限位环中，销孔端连接到导向器(38)中部的圆柱销，以上为导向组件装配。再从导向器(38)右侧通过中部的限位孔插入从动杆件(41)的圆柱端，再在从动杆件(41)的圆柱端套上复位弹簧，然后从动杆件(41)的圆柱端再通过导向器(38)左端的限位孔，再在从动杆件(41)中部销孔中插入变形销，以限制从动杆件(41)与导向器(38)的相对位置，最后将凸轮固定在主轴上。动电机，整周转动，既进行盘形凸轮（对心、滚子从动件）机构的演示。对于从动件偏心的机构，则将导向器沿着机架左边界平移一定距离再固定即可。对于从动件为尖底或平底的机构，则是直接将从动组件上的滚子替换成尖底或平底元件即可。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围。凡是利用本发明及附图内容所作之结构、材料和用途的变换，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种卧式平面机构组合式教具，其特征在于：所述卧式平面机构组合式教具包括基础部分、连杆部分、曲柄滑块部分和凸轮部分。

2.根据权利要求1所述的一种卧式平面机构组合式教具，其特征在于：所述基础部分是所有机构演示的基础，为各演示提供一个演示平台，由机架、收纳箱、电控与测量系统和动力系统四部分组成；机架为一体化构件，采用焊接；以工作面板为基础，在四角焊接立柱作为支撑脚；在工作面板下焊接三横三纵6根面板加强板；面板以下还要焊接主轴、电机轴和角位移传感器轴这三个轴的安装结构，以及三个承托收纳箱的抽屉式横梁；工作面板右侧按焊接四支撑脚的方式，焊接从动轴横梁导轨；在右下角的支撑脚上焊接从动轴座组件存放梁；收纳箱共有三个以抽屉形式布置在机架上工作面板下；电控与测量系统包括电机驱动器、数据处理器、传感器和机架右下角的收纳箱,数据处理器为A/D模块、PWM模块、蓝牙模块,电机驱动器和数据处理器的各物理结构分散固定在收纳箱Ⅰ内，并在收纳箱Ⅰ右侧壁上开孔装电源接口，最后收纳箱以抽屉结构安放于机架右下角工作面板之下，还有两个收纳箱用于存放零部件和小型维修工具；动力部分则是有电机、同步带组和主轴组成，电机安装在机架左下角的工作面板上，且电机轴伸入到工作面板以下，主轴则贯穿工作面板安装在机架的中部，电机和主轴通过同步带组连接传递扭矩。

3.根据权利要求1所述的一种卧式平面机构组合式教具，其特征在于：所述连杆部分用于平面连杆机构的演示，由连杆组件、连接轴组件和从动轴座组件三个部件组成；根据演示需要选择合适的连杆用带万向球的连接轴连接，组成连杆组件，将从动轴横梁固定在机架对应导轨上，再把从动轴座安装在从动轴横梁上，最后将连杆组件首尾分别连接到机架的主轴和从动轴座组件的从动轴上。

4.根据权利要求1所述的一种卧式平面机构组合式教具，其特征在于：所述曲柄滑块部分用于平面曲柄滑块摇杆机构和曲柄连杆滑块机构的演示，由连杆组件、滑块、导轨组件三个部件组成;导轨组件固定于机架工作面板的上边界，且正对主轴的位置，并将滑块套在导轨组件的导轨上，连杆组件则是由单个曲柄或再连接一根连杆组成，曲柄端连于机架的主轴，另一端连于滑块，此连杆组件不需单独配备可直接共用连杆部分中的连杆组件。

5.根据权利要求1所述的一种卧式平面机构组合式教具，其特征在于：所述凸轮部分用于盘形凸轮机构的演示，由凸轮、从动件和导向组件三个部件组成;导向组件通过限位器和压紧螺栓固定在机架的工作面板上，将从动件和复位弹簧同时安装在导向组件的导向器上，最后在机架的主轴上安装凸轮。