CN2720546Y - 机构系统运动方案创新设计组合模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型为机构系统运动方案创新设计组合模型，公开了一种机械基础教学的教学工具，尤其是一种可将创新设计的运动方案组装成实物机构模型，并能观察机构的运动，分析机构的运动学及动力学特性的可拼接的组合模型。本组合模型特别之处在于：机架是由底座、立柱、横梁、辅立柱通过连接件拼接而成的多层、多面可支撑多种活动构件的三维立体机架，多个构件通过连接件与机架底梁、立柱、横梁、辅立柱相连接构成多层、多面、三维的组合模型机构系统。本组合模型向学生提供了组成机构的最基本单元，可以拼接各种机构或机构系统运动方案。本实用新型符合全国高等教育实验教学的发展趋势，其应用将大大提高高校实验教学的水平，是一种不可多得的教学用工具，具有广泛的推广应用前景。

Description

机构系统运动方案创新设计组合模型

                         技术领域

本实用新型涉及一种机械基础教学的教学工具，尤其是一种可将创新设计的运动方案组装成实物机构模型，并能观察机构的运动，分析机构的运动学及动力学特性的可拼接的组合模型。

                         背景技术

机械原理课程的改革主导思想是：以机构及机构系统设计为主线，以机构及机构系统运动方案设计为重点，以培养学生设计和创新能力为核心，最终目的是培养学生的创新意识和工程实践动手能力。机构及机构系统运动方案设计本身蕴涵着极大的创造性，有利于培养学生的创新意识。当学生初步掌握了基本机构的运动特性和设计方法以及机构构型的创新设计方法之后，迫切需要一个实践环节，需要一个能自己动手来实现自己设计的用武之地。为此，已有研制、开发的设计创新实验的模型，如中国专利01252109.4分开的“机构运动方案拼接零部件”及中国专利01214572.6公开的“机械方案创意组装实验仪”，他们的共同缺陷是：他们提供的只是一个二维的平面的机架，所述的机构只能构建在此平面上，而且其组成机架的机架条是不能互换的，不能灵活变动的，联接件也不够合理，因此具有较大的局限性。

                           发明内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型的目的是提供一种机构系统运动方案创新设计组合模型，它具有多层、多面、三维的支撑机架，可将构件拼接为多层、多面、三维的机构或机构系统运动方案，能将教学的主要内容尽可能多地在实验中得到反映和综合运用，能很好地配合课程设计及教学的内容，给学生营造了一个更大的创新设计空间。

本实用新型的目的是这样实现的：本机构系统运动方案创新设计组合模型，主要由机架、构件、连接件和动力源组成，其特别之处在于：所述的机架是由底梁、立柱、横梁、辅立柱通过连接件构筑而成的多层、多面可支撑多种活动构件的三维立体机架，多个构件通过连接件与机架底梁、立柱、横梁、辅立柱相连接拼接成多层、多面、三维的机构系统组合模型。构筑机架的单元材料是金属型材机架条，此机架条横截面形状为正方形(需要时，其一部分梁、柱也可用宽度为正方形边长，长度为2-40倍边长的矩形型材代替)，其各表面的中央设置有贯通机架条的长缝，长缝下设置有可容纳连接螺栓头或螺母的空腔槽孔。此槽孔的宽度稍大于螺栓头或螺母的内接圆直径，小于螺栓头或螺母的外接圆直径。

所述的构件为连杆、滑块、齿轮、齿条、凸轮与从动件、圆锥齿轮、蜗轮蜗杆、皮带轮、槽轮、拨盘、棘轮、棘爪。本模型提供若干根长度不同的连杆及1至数个连杆连接头，可以将现有的两个连杆连接起来，运动学尺寸在20-1000mm内无级调整。

齿轮：模数为0.2-5之间，其齿数为17-100，可提供多种基本传动比，每种齿轮2件以上，可以实现多种基本传动比的不同组合。

齿条：提供了与齿轮模数相同的两个齿条。

凸轮与从动件：每台模型提供多种从动件盘形凸轮机构。共有多种盘形凸轮的轮廓，使其从动件可实现多种运动规律。

提供两个以上的圆锥齿轮，可实现垂直轴间的运动传递。

蜗轮蜗杆：本模型提供蜗轮1件，头数为1或2的蜗杆1件。可实现垂直交错轴间的运动传递及减速。

皮带轮：本模型提供不同直径的单层或双层皮带轮数件，可实现减速和多种形式的运动传递。

槽轮和拨盘：本模型提供了槽数为4的槽轮和两种形式的单销拨盘及双销拨盘。为保证运动过程中槽轮与拨盘的间距，提供了一个槽轮机构固定块，每套仅提供一套槽轮机构，包括槽轮、拨盘、槽轮固定件。

所述的滑块1为带螺纹柱20的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔13或/和圆孔21；滑块2为带圆轴14的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔或/和圆孔；滑块3为带圆轴14和螺纹柱20的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔或/和圆孔；滑块4为十字滑块，其上设置的双方孔的中心线是相互交错垂直的或可相互转动的，相互转动的十字滑块43由上滑块44和下滑块45组成。

机架滑块与机架为滑动连接或固定连接。与机架靠接的机架滑块A是一个中间向上凸起底面为长方形的连接块，中间凸起处中央设置有圆形轴连接孔，滑决两端设置有与机架条连接孔，凸起处上端有一个定位孔；与机架插接的机架滑块B的插接槽的形状和尺寸是与机架条相配合的，插接槽两边设置有与机架连接孔，其上端凸起部分设置有相互垂直的两个轴连接孔。

机架条的每个表面上均设置有至少一个稍大于连接螺栓头或螺母的外接圆直径的圆形放置孔。此孔可方便机架固定后螺栓或螺母的放入。

所述的动力源为电机。另外提供一个可以实现正转、反转、停的控制系统或一个调速系统。

此外，本模型提供工具箱及少量工具，所有工具及各种构件均装入工具箱内。

本机构系统运动方案创新设计组合模型向学生提供了组成机构的最基本单元：各种构件和运动副以及电动机及减速器。可以拼接包括连杆机构、齿轮机构、凸轮机构及间歇运动机构在内的机构或机构系统运动方案。多层、多面、三维的机架能够支撑各种活动构件，不仅可以拼接平面机构，还可以拼接空间机构，而且便于拼接和拆卸。拼接基本机构，在培养学生工程实践动手能力的同时，可以使学生发现一些基本机构及机械设计中的典型问题。而解决问题的过程，可以使学生对运动方案设计中的基本知识点融会贯通，对基本机构的运动特性有更全面更深入的理解。通过对构件运动副的型、数综合，可以实现构件和运动副的组合创新。通过基本机构的串、并、混联组合，可以实现机构的组合创新。通过将杆组依次联接到原动件和机架上的方法，可以实现杆组的迭加或组合创新。学生利用本模型可以自行设计机构运动方案，通过实验检验设计的可行性、可靠性，也可以找出设计中的不合理性或错误，从而实现理论和实践的完美结合，提高学生的综合运用知识的能力。本实用新型符合全国高等教育实验教学的发展趋势，它的应用将大大提高高校实验教学的水平，是一种不可多得的教学实验装置，具有广泛的推广应用前景。

                           附图说明

附图1为本实用新型的一实施例机架拼装结构示意图；

附图2为本实用新型的另一实施例机架拼装结构示意图；

附图3为滑块2结构示意图；

附图4为滑块1结构示意图；

附图5为滑块3结构示意图；

附图6为移动副联接结构示意图；

附图7为转动副联接结构示意图；

附图8为齿条与构件以转动副联接结构示意图；

附图9为齿条与机架移动副联接结构示意图；

附图10为与机架组成转动副结构示意图；

附图11为机架条立体结构示意图；

附图12为槽轮结构示意图；

附图13为槽轮机构固定块结构示意图；

附图14为齿轮结构示意图；

附图15为圆锥齿轮结构示意图；

附图16为蜗杆结构示意图；

附图17为机架滑块A部分剖视结构示意图；

附图18为附图17的俯视结构示意图；

附图19为隔垫结构示意图；

附图20为电机连接板结构示意图；

附图21为十字滑块剖视结构示意图；

附图22为正方形机架条横截面结构示意图；

附图23为连杆结构示意图；

附图24为机架滑块B结构示意图。

附图中标记分述如下：1--连接块；2--螺栓螺母放置孔；3--横梁；4--机架滑块A；5--电机；6--后辅立柱；7--主立柱；8--底梁；9--角连接块；10--前辅立柱；11--机架滑块B；12--构件固定孔；13--方孔；14--圆轴；15--联接螺纹；16--连接孔；17--滑块2；18--滑块1；19--方形横截面机架条；20--螺杆；21--圆孔；22--连杆；23--滑块3；24--隔垫；25--端盖；26--螺母；27--齿条；28--滑块固定孔；29--滑块与机架连接孔；30--固定螺栓；31--机架滑块固定螺栓；32--轴；33--机架条面板长缝；34--机架条；35--槽轮；36--槽轮机构固定块；37--齿轮；38--圆锥齿轮；39--蜗杆；40--轴连接孔；41--限位孔；42--电机连接板；43--十字滑块；44--上滑块；45--下滑块；46--空腔槽；47--机架条面板；48--连杆头螺纹孔；49--机架滑块B；50--轴孔；51--轴连接孔；52--与机架连接卡槽。

                     具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。如附图1、2所示为本实用新型的机架结构，附图1为本实用新型的实施例示意，图1中底梁8上设置有主立柱7及辅立柱6、10，主立柱7上设置有三层横梁3，后主立柱6上设置有电机5，前辅立柱10上设置有二层横梁，从图上还看出机架之间由连接块1和三角连接块9连接，机架上还设置有数个机架滑块A，机架条上还显示了放置孔2。将多种构件连接在此机架上即可拼接出多层、多面、三维的机构系统组合模型(由于此组合模型过于复杂，在图中无法很清楚地显示出来，因此未提供组合模型的图示。还由于拼接机构运动方案属于现有技术内容，而且可有多种不同的组合结构，故未提供组合模型图示)。附图2为本实用新型的另一实施例示意，本图中设置有两根立柱10，两根立柱上均设置有横梁3，在前立柱的横梁3上设置有机架滑块11，此机架滑块B可与机架插套连接，其中一个滑块B是由前向后插套在机架横梁上，另一个滑块B是由下向上插套在机架横梁上的；图中亦显示了机架滑块A与机架的不同方向的连接结构。将多种构件连接在此机架上即可拼接出多层、多面、三维的机构系统组合模型。

由多个附图中均显示本机架的金属型材横截面为正方形，所有的机架均用此同一规格的型材条组装而成，因此本机架具有可互换性，可拼接性，需要的时候，可将两套模型拼装在一起，组成一个巨大的系统。由于机架条横截面为正方形，因此在拼装各种构件时，其各方向均具有同等的可拼接性和可变易性，这给学生们提供了很大的方便，也给老师们提供了多方引导学生思维的硬件物质条件。

本实用新型提供了许多种构件，根据不同的实验目的可采用不同的构件及连接件配置组成不同型号的模型产品，它们可以含有不同的构件和组件，适应不同的需要。如前所述由于本模型的可通用性及可变易性，多个型号的产品也能组合在一起应用，给用户提供了极大的方便。下面简述几种基本的拼接方法：

1、连杆

每根连杆的端面有螺蚊孔分别与具有螺杆的各种滑块构件相连。连杆表面有一浅槽，是紧固螺钉的接触表面(需要时用)。需要的时候连杆也可以加长。

2、滑块主要功能介绍

(1)附图5中的滑块3上的圆轴与附图4中的滑块1上的圆孔可形成转动副，圆轴的不同长度，适用于将构件安装在不同的层内，避免构件间的运动干涉。

(2)圆轴上的螺纹：滑块3、2圆轴上的螺杆可与螺母或端盖零件连接。

(3)方孔：滑块上的方孔与连杆表面联接可实现移动副。

(4)螺杆：滑块3和1上的螺杆可与连杆上的螺纹孔连接。

(5)各滑块上的螺纹孔：在需要时，可用于将相对运动的两构件固定。

3、移动副的联接

如附图6所显示，滑块17与连杆22联接组成移动副。

4、转动副的联接

附图7显示了转动副的联接。

5、齿条与构件以转动副联接

附图8显示了齿条与构件以转动副的形式相联接。

6、齿条与机架相联接

附图9显示了齿条与机架移动副相联接。

7、构件以转动副的形式与机架相联接

附图10表示连杆22与机架以转动副形式相联接，同样，可将凸轮、齿轮、蜗轮蜗杆、棘轮棘爪或槽轮拨盘与机架滑块中的传动轴相连，或与具有轴类特征的其它构件相连。为确保机构中各构件的运动都必须在相互平行的平面内进行，可以选择适当长度的传动轴、各种滑块上的轴、具有轴类特征的构件及隔垫，如果不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。

8、隔垫

附图19显示了隔垫的结构，若干个长度与滑块方头宽度相同或其整数倍的隔垫可保证构件在相互平行的平面内运动，避免构件间的运动干涉，隔垫上的孔为限位孔。

其它连接方式依此类推，不再赘述。

使用本模型进行实验时，其具体实验方法如下：

1、拼接机构

学生自行设计机构或按照指导书所供的运动方案拼接机构时，先在桌面上试拼机构，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉。试拼之后，从最里层装起，依次将构件、运动副或各杆组联接到机架上去。(前述的构件和运动副的基本拼接方法只是举例而已，实际上的拼接方法很多。)

2、实现确定运动

试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后，方可接通电机。

3、分析机构的运动学及动力学特性

通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性作出定性的分析。一般包括以下几个方面：

(1)平面机构中是否存在曲柄；

(2)输出件是否具有急回特性；

(3)机构的运动是否连续；

(4)最小传动角(或最大压力角)是否在非工作行程中；

(5)机构运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击；

(6)如果运动受阻，从分析驱动运动的有效分力的影响因素着手。

总之，本实用新型作为一种强有力的实验工具，可开设的实验很多。21世纪高等教育人才培养的关键是培养具有创新意识和创新能力的人才，本实用新型将为此作出应有的贡献。

Claims (8)

1、一种机构系统运动方案创新设计组合模型，由机架、构件、连接件和动力源组成，其特征在于：所述的机架是由底梁(8)、立柱(7)、横梁(3)、辅立柱(6、10)通过连接件构筑而成的多层、多面可支撑多种活动构件的三维立体机架，多种构件通过连接件与机架底梁(8)、立柱(7)、横梁(3)、辅立柱(6、10)相连接构成多层、多面、三维的机构系统组合模型。

2、根据权利要求1所述的组合模型，其特征在于：所述的构件为连杆(22)、滑块、齿轮(37)、齿条(27)、凸轮与从动件、圆锥齿轮(38)、蜗轮蜗杆(39)、皮带轮、槽轮(35)、拨盘、棘轮、棘爪。

3、根据权利要求2所述的组合模型，其特征在于：所述的滑块1(18)为带螺纹柱(20)的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔(13)或/和圆孔(21)；滑块2(17)为带圆轴(14)的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔或/和圆孔；滑块3(23)为带圆轴(14)和螺纹柱(20)的构件，其上端方头开有单孔或双孔，孔为方孔或/和圆孔；滑块4(43)为十字滑块，其上设置的双方孔的中心线是相互交错垂直的或可相互转动的，相互转动的十字滑块(43)由上滑块(44)和下滑块(45)组成。

4、根据权利要求2所述的组合模型，其特征在于：机架滑块与机架之间的连接为滑动连接或固定连接；与机架靠接的机架滑块A(4)是一个中间向上凸起底面为长方形的连接块，中间凸起处中央设置有圆形轴连接孔(40)，滑块两端设置有与机架条连接孔(29)，凸起处上端有一个定位孔(28)；与机架插接的机架滑块B(49)的插接槽(52)的形状和尺寸是与机架条相配合的，插接槽(52)两边设置有与机架的连接孔(51)，机架滑块B(49)的凸起部分设置有相互垂直的两个轴连接孔(50)。

5、根据权利要求1所述的组合模型，其特征在于：所述的动力源为电机(5)。

6、根据权利要求1所述的组合模型，其特征在于：拼接机架的单元是各种规格长度的金属型材机架条(34)，此机架条(34)横截面形状(19)为正方形，其各表面(47)的中央设置有贯通机架条的长缝(33)，长缝下设置有可容纳连接螺栓头或螺母的空腔槽孔(46)，此槽孔(46)的宽度稍大于螺栓头或螺母的内接圆直径，小于螺栓头或螺母的外接圆直径。

7、根据权利要求6所述的组合模型，其特征在于：机架条(34)的每个表面上均设置有至少一个稍大于连接螺栓头或螺母的外接圆直径的圆形放置孔(2)。

8、根据权利要求2所述的组合模型，其特征在于：连杆(22)截面形状为正方形，端面有螺纹孔，表面有浅凹槽。

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