平面机构结构教学分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种教具，尤其涉及一种机械学科平面机构结构分析与探宄仪器，属于平面机构、机械学科教学、科普教育展览等技术领域。
【背景技术】
[0002]教具是特殊形式的教材，教师的助手，学生的朋友，是学校办学条件之一。此外，它还有一个独特的功能，那就是除了支持经常性的教学活动之外，以联系实际见长。师生在教学过程中使用教具不仅能学得知识，还能锻炼技能，得以“动手动脑，手脑并用”。因此，可以说教具是推进素质教育，培养创新精神与实践能力的必要条件。
[0003]21世纪教具改革是以全面推进素质教育为核心，以实施创新教育和实践教育为主的教育模式，然而在现今的教育发展中，仍存在着诸多问题。在机械学科实验教学中，实验模式单一陈旧，教师规定统一的教学大纲、统一的配套仪器、统一的实验教材等，实验教学常常是教师把实验目的、内容、步骤详细周密设计好，学生只是机械地做实验，然后敷衍的完成实验报告，不能在实验探索中找到通过实验解决问题的乐趣，因而学生的实验技能显得苍白狭窄，缺乏探索性和创新性。
[0004]目前用于机械学科平面机构学习的教具主要有两种，一种是利用光学投影设备，如投影仪进行展示。但是这种方法仅仅只能平面的感受机构运动的情况，无法让学生深入其境直接的动手探宄平面机构的运动特性，教学效果远不如实物教具。第二种是利用实物模型，较之于图像展示视觉效果好，但是目前市售和实验室的仪器或为静态展示，如机械教具陈列柜，将许多典型机构陈放在玻璃柜中，无法了解运动规律，单调乏味；或为动态展示，如杆组分析装置，讲解知识单一，附属的电子电路等配套的无关结构复杂、体积庞大、成本高昂，不适于作为课堂演示仪器，同时这类装置集成度低，为全面讲解平面机构知识需多台装置，性价比太低。
[0005]虽然人们对此进行不断的改进，但由于上述问题不能得到彻底解决，限制了机械学科平面机构教具的革新和推广，影响了机械学科教学的有效开展和相关科普展览的吸引力和影响力。机械平面机构结构分析是大学机械教学中的基础知识，是深入机械学科学习的前提条件，因此配合直观的实物教具强化学生的理解、激发学生的兴趣具有十分重要的意义。为了提高学生学习机械学科平面机构的学习效率，激发学生在机械领域的探宄力和创造力，对于新型的机械学科平面机构教具有着迫切的需求。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种基于平面机构结构教学分析教具，主要的目的是为解决现在课堂教学中只能用视频投影来进行平面机构结构分析的教学，不能达到实物教具的教学效果；高等学校实验室中常见的机械教具陈列柜，静态的机构讲解知识浅显单调；现在市场上销售的动态教具，讲解知识点单一，集成度低，同时体积庞大费用高昂。本发明结构紧凑便于携带，涵盖平面机构结构分析的多个知识点，集运动演示与动手自主探宄于一体，能够带入课堂进行平面机构的组成、平面机构的运动条件、机构自由度的计算方法、机构运动简图的绘制、机构结构的分析等方面的教学，有效的提高学生的学习效率和学习兴趣，同时能用于机械学科科普展览，提高展览的吸引力。
[0007]为了实现上述目的，本发明主要包括五个部分:虚约束机构单元、一自由度机构单元、二自由度机构单元、平面机构的高副低代单元以及动力分流单元，所述的五个单元固定在底板上。本发明使用3个12V直流电机带动所有机构，其中用一个大电机带动虚约束机构、一自由度的机构，以及二自由度机构中的一部分，此部分巧妙运用了三个同步轮进行传动，实现了动力的分流；一个电机带动二自由度机构的另一部分；另一个电机带动平面机构的高副低代部分。
[0008]所述虚约束机构单元，对机构运动实际上不起限制作用的约束称为虚约束，在机构的自由度计算教学过程中，这是极易发生错误的地方，因此是教学过程中的重难点。现在的教学中主要采用视频投影的方法来进行教学，教学效果差强人意，没有实物教具的直观深刻。
[0009]此单元为了让教具更加贴近实际生活，以大家熟识的火车轮为基础来讲解虚约束。在火车轮机构上合理加入能增加去除虚约束的装置，通过有无虚约束对机构运动带来的差异，对比突出虚约束的重要作用，让同学们加深对虚约束的理解。火车轮的转动是通过电机带动同步带转动，同步带的转动带动了与火车轮过盈配合的光轴转动，从而驱动了火车轮主动轮的转动，最后带动从动轮运动。添加去除虚约束采用动手操作，中间虚约束杆的支座固定在两个滑块上，滑块又在光轴上可以自由的移动，使用限位块限制滑块的自由移动，在去除虚约束(中间杆)时，只需把中间杆支座后面的限位块拿到支座前面；在添加虚约束时，只需把中间杆支座前面的限位块拿到支座后面。在中间的虚约束杆插入连杆对应孔中，即存在虚约束的情况时，火车轮运行平稳有规律。去除虚约束之后，在四杆重叠位置，从动曲柄会出现向相反方向转动的可能，其运动轨迹会有不确定性，这样就会干扰火车轮的正常转动，这在实际生活中必须要避免，不然会对生产生活产生重大的影响。
[0010]所述一自由度单元，此机构的主动件为一个圆盘，圆盘的半径就是主动件的长度。圆盘与光轴过盈配合，由电机带动同步带轮转动，通过同步带转动带动与圆盘共光轴的同步带轮转动，从而带动光轴的转动，此机构就这样运动起来。由于机构的复合铰链过多，各杆件很难保证在同一平面内通畅的运动，所以各连接部位采用铆钉铆紧，抛弃了传统的螺栓固定。杆件的材料采用塑料板，把塑料板锯成需要的长度，塑料杆两端的厚度为中间厚度的1/2，这样可以保证各个杆件在同一水平面上运动。
[0011]此单元主要应用于演示一自由度机构运动情况、讲解此机构自由度计算和机构级别判断。在计算自由度时，注意局部自由度、复合铰链、虚约束三点，去除虚约束部分，然后正确计算复合铰链，则有(3-1 = 2)个转动副，计算自由度有:F = SnIP1-Ph= 3X7-2X10=I。在机构级别判断时，按照以下三步:计算机构的自由度并确定原动件；高副低代，去除局部自由度和虚约束；从远离原动件的部位开始拆杆组，首先试拆II级杆组，拆下的杆组是自由度为零的基本杆组，最后剩下的原动件数目与自由度数相等。可以得到此机构仅有一个原动件(最简机构)和三个II级杆组，所以可以得出结论，此机构是II级机构。
[0012]所述二自由度单元，此部分采用大筛机构，有两个原动件，分别为圆盘和凸轮部分，输出部分为沿光轴导轨运动的滑块。为了使结构紧凑，减少电机的数量，便于控制，在火车轮光轴的一端过盈配合第一个原动件-圆盘，其半径就是原动件的长度。另一个原动件采用力封闭凸轮机构，用压簧来提供滚子的往复运动的力，这样就可以保证构件在滑槽内做往复直线运动。第一个原动件由大电机带动同步轮转动，通过同步带带动与圆盘共轴的同步带轮转动，从而带动圆盘转动；第二个原动件，由与凸轮直接连接的小电机带动。分别控制两个原动件的分别运动和同时运动，能够观察到滑块的运动情况发生变化，从而探宄二自由度机构的运动特性。
[0013]此单元主要应用于演示二自由度机构运动情况、讲解此机构自由度计算和机构级别判断。在计算自由度时，此机构中凸轮与滚子的运动是一个局部自由度，滚子的作用是把滑动摩擦转换为滚动摩擦，所以将滚子固化在支承滚子的构件上，去掉局部自由度。还要注意到两处虚约束和一处复合铰链，其自由度公式为:F = SnIP1-Ph= 3X7-2X9-1 = 2。在进行机构级别判断时，该机构的自由度为2，并且含有局部自由度和虚约束。首先去除所含的虚约束，然后采用高副低代的方式，把凸轮与滚子之间的高副用一个带有两个低副的平面构件来代替，在拆分杆组时，要注意首先要把两个原动件拆分出去，然后依次拆分，可以得到此机构为II级机构。
[0014]所述平面机构高副低代单元，此部分主要包括，用于验证高副低代特性的高副机构和双曲柄低副机构，用于显示两机构输出部分运动特性的丝杆螺母和测速显示装置。为了避免高副低代替代的瞬时性，采用了两个圆盘，两圆盘曲率中心连线长度不随圆盘运动发生变化，因此与之等效的低副机构可以简化为一个双曲柄机构。两个机构的输出部分分别与丝杆连接，丝杆上的螺母用光轴限制其转动。同时丝杆的另一端分别固连塑料圆盘，圆盘上镶嵌有小磁铁，圆盘转动时带动小磁