劉新磊，劉祥棟，葛慶欣，姜 鑫

（山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

隨著高等教育的快速發(fā)展，高等院校越來越重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備數(shù)量急劇增加，實(shí)驗(yàn)室將會(huì)面臨設(shè)備需求增加與所需占地空間不足的矛盾［1－2］。示教板是實(shí)驗(yàn)室中很重要的一類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，其購(gòu)置量較大，所需占地空間也非常大，并且自動(dòng)化水平較低。因此，示教板類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備在功能集成以及自動(dòng)化方面的改進(jìn)是非常有必要的。

在現(xiàn)有技術(shù)中，同一學(xué)科的示教板大都是分立的，每一個(gè)主題的示教板需要占用一個(gè)臺(tái)架，因此存在占用空間大、所需臺(tái)架數(shù)量多、整體成本較高以及操作不便等缺點(diǎn)。為了解決此類問題，亟需設(shè)計(jì)一種可將同學(xué)科的多個(gè)示教板集成在一個(gè)臺(tái)架上的自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備，以節(jié)省占地空間、降低整體成本和簡(jiǎn)化人工操作步驟。本文設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)化多示教板集成式示教臺(tái)。

1 示教臺(tái)總體結(jié)構(gòu)方案

本多示教板集成式示教臺(tái)主要由殼體、展示架、存儲(chǔ)架、滾筒、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舉升系統(tǒng)、鎖緊機(jī)構(gòu)、操控面板、主控制器等部件組成，其外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 示教臺(tái)整體外觀

示教臺(tái)殼體中設(shè)計(jì)有一個(gè)旋轉(zhuǎn)滾筒，該滾筒外周均勻分布2個(gè)以上用來滑動(dòng)安裝示教板的存儲(chǔ)架，有利于集成多個(gè)示教板，圖1中的示教臺(tái)設(shè)計(jì)有4個(gè)存儲(chǔ)架。在殼體上表面設(shè)計(jì)有一個(gè)操控面板，其主要功能為接收用戶選擇的指令，并向主控制器發(fā)送信號(hào)。當(dāng)用戶在操控面板上選擇好需要展示的目標(biāo)示教板時(shí)，主控制器將對(duì)操控面板發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解析和運(yùn)算，并向主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和舉升系統(tǒng)發(fā)送控制指令。主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與之相連的滾筒旋轉(zhuǎn)一定角度，將目標(biāo)示教板旋轉(zhuǎn)至滾筒上側(cè)并保持豎直狀態(tài)。舉升系統(tǒng)安裝在每個(gè)存儲(chǔ)架上，用來根據(jù)主控制器的指令將示教板舉升至展示架中或從展示架上降至存儲(chǔ)架中。

圖2 示教臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

舉升系統(tǒng)由舉升電機(jī)、舉升電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、齒輪齒條機(jī)構(gòu)構(gòu)成。舉升電機(jī)與舉升電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在示教板存儲(chǔ)架上，舉升電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)主控制器發(fā)出的指令控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的齒輪，齒輪與固定在示教板背面的齒條相互嚙合［3－4］。當(dāng)齒輪在舉升電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，示教板可以在存儲(chǔ)架和展示架中上下移動(dòng)。示教板舉升過程如圖3所示。

3 鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎖緊機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由盒體、鎖舌、電磁鐵、限位片、彈簧和兩個(gè)導(dǎo)電彈片等部件組成，安裝在存儲(chǔ)架背面，與舉升系統(tǒng)同側(cè)。

圖3 示教板舉升過程示意圖

圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

鎖緊機(jī)構(gòu)盒體的一側(cè)設(shè)有滑孔，滑孔內(nèi)安裝了一個(gè)楔形鎖舌，鎖舌一側(cè)連接一限位桿，限位桿安裝有一個(gè)作為吸盤的圓形鐵片。鎖舌通過一個(gè)螺旋彈簧壓緊在限位片與盒體內(nèi)壁之間。在與鐵片相對(duì)的盒體內(nèi)壁上設(shè)計(jì)有一個(gè)電磁鐵，當(dāng)電磁鐵線圈通電時(shí)，就可以吸引鎖舌向電磁鐵滑動(dòng)；當(dāng)電磁鐵線圈斷電時(shí)，鎖舌在彈簧的作用下向示教板一側(cè)滑動(dòng)直到鐵片被限位片擋住。

在盒體內(nèi)還設(shè)計(jì)有導(dǎo)電彈片A和導(dǎo)電彈片B，兩導(dǎo)電彈片相鄰并且平行設(shè)置；彈片A的固定端連接控制器I／O端口，且該I／O端口初始值設(shè)置為高電平，而彈片B固定端接地；兩彈片的自由端均位于鎖舌與鐵片之間，當(dāng)鎖舌向電磁鐵方向移動(dòng)時(shí)其凸起部位將彈片B的自由端壓向彈片A進(jìn)而使兩者接觸，控制器I／O端口電平狀態(tài)發(fā)生變化，由此控制器可判斷鎖舌位置發(fā)生變化。

示教板上設(shè)置有兩個(gè)鎖止孔，分別為上鎖止孔和下鎖止孔，如圖3所示。當(dāng)鎖舌插在示教板的下鎖止孔內(nèi)時(shí)，示教板的展示區(qū)將被固定在展示架內(nèi)；當(dāng)鎖舌插在上鎖止孔內(nèi)時(shí)，示教板將被固定在儲(chǔ)架內(nèi)。為了防止示教板在存儲(chǔ)架和展示架中晃動(dòng)，將插入示教板的一端設(shè)計(jì)成楔形，在彈簧的作用下可以將示教板進(jìn)行自適應(yīng)鎖緊。

4 控制邏輯

為了便于選取示教板，對(duì)存儲(chǔ)架和示教板順次進(jìn)行編號(hào)，并且兩者同編號(hào)。假設(shè)滾筒初始位置為1號(hào)示教板位于滾筒上部且處于豎直狀態(tài)，其控制流程如圖5所示。

假設(shè)n號(hào)示教板被用戶選中，主控制器首先判斷當(dāng)前滾筒位置是否在初始位置，如果處于初始位置，再次判斷示教板是否已升起，如果沒有升起，啟動(dòng)舉升電機(jī)使n號(hào)示教板上升；如果已經(jīng)升起處于展示架中，則無需任何動(dòng)作。如果n號(hào)示教板沒有處于初始位置，則先判斷有無示教板在舉升狀態(tài)，如果當(dāng)前狀態(tài)有示教板處于舉升狀態(tài)而位于展示架中，則需先降下該示教板；如果沒有任何示教板處于舉升狀態(tài)，主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則旋轉(zhuǎn)α角度。滾筒的旋轉(zhuǎn)角度按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中：n為目標(biāo)示教板編號(hào)；n0為當(dāng)前處于展示區(qū)中或正下方的示教板對(duì)應(yīng)的編號(hào)；N為存儲(chǔ)架的總個(gè)數(shù)。

圖5 示教臺(tái)調(diào)取示教板控制流程

在示教板要舉升時(shí)，主控制器控制鎖緊機(jī)構(gòu)的電磁鐵吸合鎖舌，在鎖舌左移之后，舉升電機(jī)啟動(dòng)，使示教板上升；隨后，電磁鐵斷電，電磁力消失，鎖舌在彈簧的作用下復(fù)位，當(dāng)鎖止塊插入下鎖止孔時(shí)，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，此時(shí)示教板被固定在展示架中。

在示教板要下降時(shí)，主控制器控制鎖緊機(jī)構(gòu)的電磁鐵吸合鎖舌，在鎖舌左移之后，示教板在重力作用下或電機(jī)作用下回落?；芈鋾r(shí)，鎖舌在彈簧的作用下復(fù)位，插入鎖止孔，此時(shí)示教板被固定存儲(chǔ)架中。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前高校教學(xué)用示教板存在的不足，設(shè)計(jì)了一種新型的多示教板集成式自動(dòng)示教平臺(tái)，該示教臺(tái)可以集多個(gè)示教板于一體，能夠通過控制面板調(diào)取所需示教板到展示架，具有自動(dòng)化功能，并且減小了占地空間，操作簡(jiǎn)單，有一定的實(shí)用價(jià)值以及應(yīng)用前景。