徐英帥，萬智輝，黃偉莉，趙杰

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌330013）

0 引言

當前高校人才培養(yǎng)質量最突出的問題主要體現在學生實踐能力不強、創(chuàng)新精神不足，因此在教學當中通過實踐課程培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力尤為重要[1-2]。開設機構拆裝實驗是培養(yǎng)學生機械創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的有效措施[3]。

機構拆裝實驗裝置落后是學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙，因此需要有功能完善且拆裝操作方便、靈活的實驗設備條件。目前，高校的機構拆裝實驗裝置還主要局限于單一動力源、一個自由度等平面機構，由于經費不足等原因，設備老舊及更新困難的現象還普遍存在[4]。另外，傳統的機構拆裝實驗裝置通常還具有體積大、操作繁瑣等特點，不利于達到預期的教學目的。

1 拆裝實驗裝置的特點

針對現有技術中存在的問題，設計一種基于三維空間機構的教學用拆裝實驗裝置，該裝置具有體積小、結構緊湊、功能完善、拆裝操作方便、靈活及經濟成本低等特點，不但可以提高現有機構拼裝實驗裝置水平，而且可以改進實踐教學方法。

基于三維空間機構的教學用拆裝實驗裝置的各構件不全部在同一個平面或者平行平面內運動，它具有運動多樣、結構緊湊、靈活可靠的特點。一些用平面機構難以實現的運動規(guī)律及空間軌跡曲線可以通過三維空間機構來實現，因而三維空間機構在各種工作機構中得到了廣泛的應用，完全可以滿足相關課程的教學需求[5-6]。

結合相關理論和教學經驗，在基于三維空間機構的教學用拆裝實驗裝置上集成了帶傳動機構、圓錐齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、外齒輪機構、擺動導桿機構、平行四邊形機構、馬爾他槽輪機構、齒輪齒條機構、曲柄搖桿滑塊機構等，可以根據實際需要拼裝平面機構和空間機構，有助于加強學生的機械創(chuàng)新意識，提高機械綜合設計能力。針對不同的教學目的，可以利用該實驗裝置進行拆卸實驗和拼裝實驗，同時也可以觀察機構的運動特征。

2 拆裝實驗裝置結構設計

圖1所示為一組拼裝好的三維空間機構，在此空間機構的基礎上便可以練習拆卸實驗，并可通過觀察整個機構的運轉情況進一步掌握該機構的運動特征。圖中的三維空間機構主要由立體支架、驅動電動機、電氣盒子，以及相配套的若干組機械結構組成，其中驅動電動機、電氣盒子和機械結構均可拆卸地設置在立體支架上。為了保證使用安全、操作方便和設備美觀，配備了電氣盒子，并在電氣盒子的面板上設置了電動機調試旋鈕和電源開關。驅動電動機的最大轉矩為16.9 N·m，最大轉速為18 r/min，電源為AC220 V、50 Hz，功率為0.9 kW，與電氣盒子電連接后開啟電源便可驅動機械結構動作，并可檢驗空間機構創(chuàng)新模型的設計是否合理。這里面的機械結構可以是帶傳動機構、圓錐齒輪機構、蝸輪蝸桿機構、外齒輪機構、擺動導桿機構、平行四邊形機構、馬爾他槽輪機構、齒輪齒條機構、曲柄搖桿滑塊機構等中的一種或幾種組成，每種機構也可以是一組或多組，上述各機構直接或間接通過驅動電動機驅動，最終使所有機構一起協調運轉。

圖1 拼裝好的典型三維空間機構

每種機構也是由若干個不同的零部件拼裝組成的，如果要進行拼裝實驗就需要熟悉都有哪些零部件，以及各機構是由哪些零部件組成的。主要的零部件包括V帶輪、皮帶、大錐齒輪、小錐齒輪、蝸輪、蝸桿、大直齒輪、小直齒輪、搖桿、車輪、主槽輪、從槽輪、齒條、連桿、滑塊、連接軸、軸承支座、支座導軌等。其中，在搖桿上還設置有移動槽，在大直齒輪上設置有用于伸入到移動槽內的凸柱。上述各零部件至少設置一個，根據實際需要可以設置有多個，需要操作者提前構思好所要拼裝的機械結構，再利用相關零部件進行拼裝。利用相關零部件在立體支架上可以拼裝出多種不同的機械結構，使用電動機驅動所拼裝的機械結構，打開電氣盒子的開關就可使整個機構運動，以達到機械創(chuàng)新設計的目的。

帶傳動機構主要由V帶輪、皮帶和連接軸拼裝組成；圓錐齒輪機構主要由大錐齒輪、小錐齒輪和連接軸拼裝組成；蝸輪蝸桿機構主要由蝸輪、蝸桿和軸承支座拼裝組成；外齒輪機構主要是由大直齒輪、小直齒輪和連接軸拼裝組成；擺動導桿機構主要是由搖桿、大直齒輪和軸承支座拼裝組成；平行四邊形機構主要是由車輪、連桿、連接軸和軸承支座拼裝組成；馬爾他槽輪機構主要由主槽輪、從槽輪、連接軸和軸承支座拼裝而成；齒輪齒條機構主要是由齒條、車輪、連桿、滑塊、小直齒輪、連接軸、軸承支座和支座導軌拼裝組成；曲柄搖桿滑塊機構主要由連桿、滑塊、連接軸、軸承支座和支座導軌拼裝組成。另外，也可以根據相關零部件在立體支架上拼裝出其他機械結構。

在進行拼裝實驗時，需要在立體支架上進行拼裝，立體支架由底架、頂架和中部支架組成，其最大外形長×寬×高尺寸為1200 mm×350 mm×650 mm。底架的寬度大于頂架的寬度，底架的長度與頂架的長度相同，底架由10根橫梁拼接組成，頂架由4根橫梁組成矩形形狀。中部支架通過8根立柱將底架和頂架聯接到一起，另外還配備了一些長度相對較短的立柱和橫梁用來支撐相應的機械結構。立體支架的主體結構如圖2所示，在實際拼裝時可以適當增加一些短橫梁和短立柱，但只能改變中部支架，底架和頂架是固定不變的。

圖2 立體支架的主體結構

綜上所述，如果要進行拆卸實驗可以在圖1的基礎上進行相關操作，如果要進行拼裝實驗可以在圖2的基礎上進行相關操作。另外，所設計的拆裝實驗裝置中連桿與連桿之間的聯接部分可以在一定范圍內進行調節(jié)，同時滑塊偏心距也可以進行一定的調節(jié)，從而可以在機械拆裝的基礎上進行機械傳動系統的運動分析，分析參數改變對機構運動的影響，以及機構上某些點的軌跡、速度、位移等。不但有助于學生理解相關的理論知識，還可以鍛煉學生的創(chuàng)新及動手能力。

3 拆裝實驗方案分析

拆裝實驗方案有很多種，實際上拆卸實驗和拼裝實驗是兩個完全相反的過程，二者只要掌握其一就能夠摸索完成另一種實驗，但兩種實驗可以從不同角度鍛煉學生的創(chuàng)新思維和動手能力。下面以拼裝實驗為例來敘述其中一種典型的方案，在掌握此方案的基礎上容易構思出更多的拆裝實驗方案，有利于開發(fā)設計性綜合實驗。

為了使所拼裝的機構正常運轉，必須首先將驅動電動機和電氣盒子安裝到立體支架的合適位置。如圖3所示，在立體支架的端部安裝電氣盒子，在底架中部的兩個短橫梁上安裝驅動電動機，當然也可選擇其他的適當位置進行安裝。

圖3 安裝驅動電動機和電氣盒子

如圖4所示，在驅動電動機左斜上方立體支架的相應位置設置連接軸，并用軸承支座固定，在驅動電動機及連接軸上各設置一個V帶輪，用皮帶連接2個V帶輪構成帶傳動機構。在驅動電動機上方借助3個軸承支座將蝸輪蝸桿機構安裝在立體支架上。在蝸桿的端部連接小錐齒輪，大錐齒輪通過連接軸固定到立體支架上，并與小錐齒輪相互嚙合構成圓錐齒輪機構。同時，在安裝大錐齒輪的連接軸上安裝1個V帶輪，與第一個帶傳動機構的連接軸同軸再安裝1個V帶輪，將2個V帶輪通過皮帶相連又構成一個帶傳動機構。開啟電氣盒子的電源開關并調節(jié)電動機調試旋鈕，即可使驅動電動機帶動第一個帶傳動機構運轉起來，同時帶動第二個帶傳動機構、圓錐齒輪機構及蝸輪蝸桿機構一起動作。

圖4 拼裝帶傳動機構、蝸輪蝸桿機構和圓錐齒輪機構

如圖5所示，在立體支架的合適位置安裝1根連接軸，并在連接軸上安裝大直齒輪，與第一個帶傳動機構的連接軸同軸再安裝1個小直齒輪，大直齒輪和小直齒輪相互嚙合構成外齒輪機構，外齒輪機構可以隨帶傳動機構一起運轉。在大直齒輪下側立體支架的底架橫梁上安裝軸承支座，軸承支座與設置有移動槽的搖桿的一端相連，搖桿的另一端與大直齒輪相連，在大直齒輪上設置有用于伸入到移動槽內的凸柱，這樣便構成擺動導桿機構，擺動導桿機構在外齒輪機構的帶動下即可運轉。

圖5 拼裝外齒輪機構和擺動導桿機構

如圖6所示，在立體支架的另外一側與小直齒輪同軸安裝1個車輪，再利用軸承支座與剛安裝好的車輪在同一水平的位置處左右兩側各固定1個車輪，3個車輪在一條水平線上并用連桿聯接到一起構成平行四邊形機構，在帶傳動機構運轉時便可帶動平行四邊形機構一起運轉。

圖6 拼裝平行四邊形機構

如圖7所示，在立體支架安裝蝸輪蝸桿機構的一側面上借助軸承支座安裝1個主槽輪和1個從槽輪，并使主槽輪和從槽輪相互嚙合構成馬爾他槽輪機構。與主槽輪同軸安裝1個V帶輪，與平行四邊形機構靠近馬爾他槽輪機構的車輪同軸安裝1個V帶輪，在2個V帶輪的中間位置用2個軸承支座固定1根連接軸到立體支架上，并用皮帶連接同一平面內的2個V帶輪，組成2組互相平行的帶傳動機構，這樣便可使平行四邊形機構運轉時帶動馬爾他槽輪機構運轉。

圖7 拼裝馬爾他槽輪機構

如圖8所示，在立體支架安裝平行四邊形的一側與大直齒輪同軸安裝1個車輪，同時在立體支架的合適位置安裝1根支座導軌，支座導軌上滑動設置有2個滑塊，滑塊的下端固定連接有齒條，齒條的一端通過連桿與車輪連接，另外再利用軸承支座固定1個小直齒輪到立體支架上，使小直齒輪與齒條相互嚙合而組成齒輪齒條機構，外齒輪機構運轉即可帶動齒輪齒條機構運轉。

圖8 拼裝齒輪齒條機構

如圖1所示，是在圖8的機械結構基礎之上增添了曲柄搖桿滑塊機構。在立體支架的合適位置垂直安裝1根支座導軌，并在支座導軌上安裝1個滑塊，另外安裝2個軸承支座到立體支架上，通過1個滑塊和2個軸承支座將4根連桿聯接到一起，其中有1組3根連桿的一端共軸，還有1組2根連桿的一端共軸，這樣便構成曲柄搖桿滑塊機構。利用1個帶傳動機構將曲柄搖桿滑塊機構與平行四邊形機構相連，所以在平行四邊形機構運轉時曲柄搖桿滑塊機構也會跟著一起運轉。

上述拼裝方案可以構成完整的聯動系統，將電源開關打開后驅動電動機運轉便可帶動整個三維空間機構運轉。上述方法是相對較優(yōu)的拼裝方案，利用此套拆裝實驗裝置可以拼裝出多種不同的三維空間機構。如果要進行拆卸實驗可由教師提前拼裝好一種機械結構，然后由學生來完成拆卸操作。無論是拆卸實驗還是拼裝實驗，都需要讓整個機構運轉起來讓學生觀察機構的運動特征，以加深對機構組成的理解，達到機械創(chuàng)新設計的目的。

4 結論

利用所提供的零部件結合幾種機械結構能創(chuàng)造出多種拆裝方案，所有零部件采用迭加組合原理自由拆裝，能充分培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維和實踐動手能力，加深對機構組成原理與機構運動特征的理解和認識。三維空間機構是很多種機械的主體機構，在機械工程中具有廣泛的應用。由于單一機構性能的局限性，以及機構運動規(guī)律和運動形式的復雜性與多樣性，所以只拆裝其中任意一種機械結構難以滿足機械創(chuàng)新設計的要求，通常需要將多種機械結構進行變異或組合拆裝，以獲得新的機械結構和組合機構，從而達到真正意義上的機械創(chuàng)新設計。