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摘 要： 摘 要：設(shè)計(jì)了一種機(jī)械設(shè)計(jì)理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，用于機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝調(diào)的試驗(yàn)部分。該設(shè)計(jì)由機(jī)構(gòu)仿真部分和機(jī)構(gòu)實(shí)踐裝調(diào)兩部分組成，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)實(shí)際了解一些基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配形式、運(yùn)動(dòng)方式以及連接方式等。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛實(shí)結(jié)合，既能在電腦中運(yùn)
摘 要：設(shè)計(jì)了一種機(jī)械設(shè)計(jì)理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，用于機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝調(diào)的試驗(yàn)部分。該設(shè)計(jì)由機(jī)構(gòu)仿真部分和機(jī)構(gòu)實(shí)踐裝調(diào)兩部分組成，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)實(shí)際了解一些基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配形式、運(yùn)動(dòng)方式以及連接方式等。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛實(shí)結(jié)合，既能在電腦中運(yùn)用軟件仿真又能在實(shí)際中動(dòng)手操作，既可以根據(jù)已有的機(jī)械裝置進(jìn)行裝配又可以發(fā)揮自己想象自由組合，達(dá)到了更好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：SolidWorks;虛擬仿真;機(jī)械拆裝;教學(xué)平臺(tái)
機(jī)械教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)現(xiàn)階段存在“部分機(jī)械演示平臺(tái)”的缺陷。多數(shù)機(jī)械類教學(xué)平臺(tái)存在演示類型過(guò)于單一和學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理與設(shè)計(jì)了解不全面的問(wèn)題，僅能進(jìn)行 PPT 演示，很難在實(shí)際課堂教學(xué)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)或原理演示、實(shí)際操作 [1]。此機(jī)械設(shè)計(jì)理實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)實(shí)際了解一些基礎(chǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配形式、運(yùn)動(dòng)方式以及連接方式等。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合，既能在電腦中運(yùn)用軟件仿真又能在實(shí)際中動(dòng)手操作，既可以根據(jù)已有的機(jī)械裝置進(jìn)行裝配又可以發(fā)揮自己想象自由組合。此平臺(tái)操作簡(jiǎn)便，可幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，拓寬知識(shí)面，提高分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力。該機(jī)械平臺(tái)可以很好地實(shí)現(xiàn)“教 + 學(xué)”，利用軟件和實(shí)際的結(jié)合，既學(xué)習(xí)軟件又鍛煉動(dòng)手能力，達(dá)到了更好的教學(xué)效果，為平臺(tái)類的教學(xué)用具研究演示提供了一個(gè)新選擇，為開(kāi)設(shè)機(jī)械教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)校提供了一個(gè)新的技術(shù)產(chǎn)品。
1 拆裝平臺(tái)設(shè)計(jì)
1.1 平面平臺(tái)設(shè)計(jì)
機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求有一定的承重能力，具有固定機(jī)構(gòu)零件的位置，滿足零件位置可以隨意移動(dòng)且固定的要求，且要求桌面不易磨損 [2]。拆裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸范圍為 1 500 ～ 2 000 mm，寬度為 800 ～ 1 000 mm，高度可調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)際的操作環(huán)境和教室面積，初步計(jì)劃實(shí)驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)度 1 880 mm、寬度 900 mm、高度 800 ～ 850 mm，高度可調(diào)節(jié)。根據(jù)需求，最后決定桌面板采用工業(yè)鋁型材歐標(biāo) 3030 為原材料。工業(yè)鋁型材抗刮擦、耐腐蝕，切割方便無(wú)毛刺，具有高承載能力。AL-Mg-Si 合金擠壓型材具有梯形凹槽結(jié)構(gòu)，使得其承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極強(qiáng)，可作為桌面面板。此型材帶有梯形槽，配合鏈接間可以在任意位置固定所需零件。平臺(tái)桌面和桌面連接方式分別如圖 1 和圖 2 所示。
1.2 平臺(tái)工具箱設(shè)計(jì)
機(jī)械拆裝平臺(tái)桌面下的空間作為平時(shí)拆裝實(shí)訓(xùn)專門的工具放置區(qū)。將桌面下的空間分成兩個(gè)部分，一邊做推拉門，另一邊做側(cè)開(kāi)門 [3]。兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)，方便學(xué)生在平臺(tái)兩側(cè)取用工具。將推拉門一側(cè)空間用隔板分成 6 塊區(qū)域，分別放置各種機(jī)構(gòu)零件、框架支撐零件、連接件以及各種配件等。側(cè)開(kāi)門區(qū)域分為上下兩層。上層為抽屜，兩側(cè)都可抽取，專門放置拆裝所需的常規(guī)工具，如常用的各種規(guī)格螺絲刀、多種規(guī)格扳手、尖嘴鉗以及錘子等。下層專門放置平時(shí)使用的工具和零件的保養(yǎng)工具，如擦拭工具、潤(rùn)滑工具以及調(diào)整工具等，以便定期對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的零件和工具進(jìn)行保養(yǎng)，以延長(zhǎng)零件的使用壽命 [4]。工具箱如圖 3 所示。
2 典型拆裝設(shè)備的選擇
2.1 桿機(jī)構(gòu)選擇可變四桿機(jī)構(gòu)教具板
此教具板可變化調(diào)節(jié)桿的鏈接長(zhǎng)度為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu) [5]。通過(guò)改變機(jī)架長(zhǎng)度和更換桿件展示出雙曲柄機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，完整展示了四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況及其運(yùn)功軌跡。它可動(dòng)態(tài)演示傳動(dòng)角和壓力角的變化，并顯示出死點(diǎn)位置和極位夾角的位置。它還可動(dòng)態(tài)演示曲柄搖桿到曲線導(dǎo)軌曲柄滑塊再到直線導(dǎo)軌曲柄滑塊的變化。此教具具有兩面 [6]。對(duì)于正 面，它展示了四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)、壓力角的動(dòng)態(tài)變化和死點(diǎn)位置、極位夾角的位置，如圖 4 所示。它由四根桿件組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、受力分析箭頭和極位夾角板組成，受力分析箭頭跟隨原動(dòng)件和連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，動(dòng)態(tài)表示出壓力角和傳動(dòng)角的變化。后面極位夾角板表示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)死點(diǎn)位置和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極位夾角。對(duì)于反面，它可演示四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于桿長(zhǎng)的變化它形成了不同的機(jī)構(gòu)，并發(fā)展了一種曲軸機(jī)構(gòu)，用于曲軸纏繞，然后從曲線導(dǎo)引到線性導(dǎo)引，如圖 5 所示。
2.2 絲杠機(jī)構(gòu)選擇小型銑床模型
本次選用的小型銑床模型包含滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，如圖 6 所示。它的平臺(tái)的前后移動(dòng)和主軸的上下左右移動(dòng)均通滾珠絲杠結(jié)構(gòu)完成。它的 xyz 軸利用滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò) 3 個(gè)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使平臺(tái)和主軸進(jìn)行移動(dòng)。通過(guò)銑床模型的拆卸，學(xué)生可以了解滾珠絲桿的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。滾珠絲杠可以改變運(yùn)動(dòng)方向，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變成平臺(tái)和主軸的直線運(yùn)動(dòng) [7]。該銑床的整體框架由工業(yè)鋁型材搭建而成，輕巧且裝配簡(jiǎn)便，適合學(xué)生在拆裝實(shí)訓(xùn)課程中使用。
3 機(jī)械拆裝平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
基于 SolidWorks 虛擬仿真機(jī)械拆裝平臺(tái)由電腦和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)組成。電腦中下載安裝 SolidWorks 軟件，并安裝 Motion 插件和邁迪工具集插件 [8]。平臺(tái)配備機(jī)械零件、拆裝工具和保養(yǎng)工具。
使用軟件模擬仿真機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，在平臺(tái)工具箱取出組裝機(jī)構(gòu)所需的零件和工具，在平臺(tái)桌面上進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手裝配。裝配完成效果，如圖 7 所示。下課前將組裝的機(jī)構(gòu)拆除，所用的零件和拆裝工具保養(yǎng)完成后放回工具箱。
4 結(jié)語(yǔ)
將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，設(shè)計(jì)了基于 SolidWorks 虛擬仿真機(jī)械拆裝的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。利用此平臺(tái)有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，緩解了 高校機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)設(shè)備緊缺、時(shí)間和場(chǎng)地有限等問(wèn)題，為機(jī)械拆裝提供了新型且有效的教學(xué)手段，值得進(jìn)一步研究和應(yīng)用。
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本文在分析機(jī)械拆裝課程學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)，通過(guò) SolidWorks 對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行建模，運(yùn)用 SolidWorks 軟件 Motion 插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例仿真。仿真完成后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際的動(dòng)手拆裝操，有助于增強(qiáng)教學(xué)多樣性，使教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)，有效提高教學(xué)質(zhì)量，有助于學(xué)生更加牢固地掌握機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和相關(guān)的機(jī)械原理，熟悉機(jī)構(gòu)拆裝過(guò)程。本機(jī)械拆裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)初步滿足了機(jī)械拆裝實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)需求，但也存在一些不足，如典型機(jī)構(gòu)模型較少，只能展現(xiàn)部分簡(jiǎn)單的機(jī)械原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)，還需要在后續(xù)的學(xué)習(xí)工作中不斷完善。——論文作者：田姍姍 郭夢(mèng)強(qiáng) 孫成安 劉曉寅 張 茜
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