机械设计理实一体化实验平台的设计

　　摘　要：设计了一种机械设计理实一体化实验平台设计，用于机械机构设计与装调的试验部分。该设计由机构仿真部分和机构实践装调两部分组成，可以让学生在学习课程内容时实际了解一些基础机械结构的装配形式、运动方式以及连接方式等。此实验平台虚实结合，既能在电脑中运用软件仿真又能在实际中动手操作，既可以根据已有的机械装置进行装配又可以发挥自己想象自由组合，达到了更好的教学效果。

　　关键词：SolidWorks;虚拟仿真;机械拆装;教学平台

　　机械教学平台设计现阶段存在“部分机械演示平台”的缺陷。多数机械类教学平台存在演示类型过于单一和学生实训时对机械机构运动原理与设计了解不全面的问题，仅能进行 PPT 演示，很难在实际课堂教学中进行结构或原理演示、实际操作 [1]。此机械设计理实一体化实验平台可以让学生在学习课程内容时实际了解一些基础机械结构的装配形式、运动方式以及连接方式等。此实验平台运用虚实结合，既能在电脑中运用软件仿真又能在实际中动手操作，既可以根据已有的机械装置进行装配又可以发挥自己想象自由组合。此平台操作简便，可帮助学生巩固理论知识，拓宽知识面，提高分析问题与解决问题的能力。该机械平台可以很好地实现“教 + 学”，利用软件和实际的结合，既学习软件又锻炼动手能力，达到了更好的教学效果，为平台类的教学用具研究演示提供了一个新选择，为开设机械教学实训课程的学校提供了一个新的技术产品。

　　1　拆装平台设计

　　1.1　平面平台设计

　　机械拆装实验平台要求有一定的承重能力，具有固定机构零件的位置，满足零件位置可以随意移动且固定的要求，且要求桌面不易磨损 [2]。拆装实验平台设计尺寸范围为 1 500 ～ 2 000 mm，宽度为 800 ～ 1 000 mm，高度可调节。根据实际的操作环境和教室面积，初步计划实验平台长度 1 880 mm、宽度 900 mm、高度 800 ～ 850 mm，高度可调节。根据需求，最后决定桌面板采用工业铝型材欧标 3030 为原材料。工业铝型材抗刮擦、耐腐蚀，切割方便无毛刺，具有高承载能力。AL-Mg-Si 合金挤压型材具有梯形凹槽结构，使得其承载能力和结构稳定性极强，可作为桌面面板。此型材带有梯形槽，配合链接间可以在任意位置固定所需零件。平台桌面和桌面连接方式分别如图 1 和图 2 所示。

　　1.2　平台工具箱设计

　　机械拆装平台桌面下的空间作为平时拆装实训专门的工具放置区。将桌面下的空间分成两个部分，一边做推拉门，另一边做侧开门 [3]。两侧对称设计，方便学生在平台两侧取用工具。将推拉门一侧空间用隔板分成 6 块区域，分别放置各种机构零件、框架支撑零件、连接件以及各种配件等。侧开门区域分为上下两层。上层为抽屉，两侧都可抽取，专门放置拆装所需的常规工具，如常用的各种规格螺丝刀、多种规格扳手、尖嘴钳以及锤子等。下层专门放置平时使用的工具和零件的保养工具，如擦拭工具、润滑工具以及调整工具等，以便定期对实验平台的零件和工具进行保养，以延长零件的使用寿命 [4]。工具箱如图 3 所示。

　　2　典型拆装设备的选择

　　2.1　杆机构选择可变四杆机构教具板

　　此教具板可变化调节杆的链接长度为曲柄摇杆机构和双摇杆机构 [5]。通过改变机架长度和更换杆件展示出双曲柄机构和曲柄滑块机构，完整展示了四杆机构的运动情况及其运功轨迹。它可动态演示传动角和压力角的变化，并显示出死点位置和极位夹角的位置。它还可动态演示曲柄摇杆到曲线导轨曲柄滑块再到直线导轨曲柄滑块的变化。此教具具有两面 [6]。对于正 面，它展示了四杆机构传动、压力角的动态变化和死点位置、极位夹角的位置，如图 4 所示。它由四根杆件组成的曲柄摇杆机构、受力分析箭头和极位夹角板组成，受力分析箭头跟随原动件和连杆的转动而变化，动态表示出压力角和传动角的变化。后面极位夹角板表示曲柄摇杆机构的两个死点位置和曲柄摇杆机构的极位夹角。对于反面，它可演示四杆机构的动力学过程。由于杆长的变化它形成了不同的机构，并发展了一种曲轴机构，用于曲轴缠绕，然后从曲线导引到线性导引，如图 5 所示。

　　2.2　丝杠机构选择小型铣床模型

　　本次选用的小型铣床模型包含滚珠丝杆结构，如图 6 所示。它的平台的前后移动和主轴的上下左右移动均通滚珠丝杠结构完成。它的 xyz 轴利用滚珠丝杠进行驱动。通过 3 个电机带动丝杠旋转，从而使平台和主轴进行移动。通过铣床模型的拆卸，学生可以了解滚珠丝杆的原理和结构特点。滚珠丝杠可以改变运动方向，将电机的旋转运动改变成平台和主轴的直线运动 [7]。该铣床的整体框架由工业铝型材搭建而成，轻巧且装配简便，适合学生在拆装实训课程中使用。

　　3　机械拆装平台整体结构

　　基于 SolidWorks 虚拟仿真机械拆装平台由电脑和实训平台组成。电脑中下载安装 SolidWorks 软件，并安装 Motion 插件和迈迪工具集插件 [8]。平台配备机械零件、拆装工具和保养工具。

　　使用软件模拟仿真机构，机构运转正常后，在平台工具箱取出组装机构所需的零件和工具，在平台桌面上进行实际动手装配。装配完成效果，如图 7 所示。下课前将组装的机构拆除，所用的零件和拆装工具保养完成后放回工具箱。

　　4　结语

　　将虚拟现实技术应用于机械拆装实训课程教学，设计了基于 SolidWorks 虚拟仿真机械拆装的实训平台。利用此平台有效提升了学生的学习效果，缓解了 高校机械拆装实训设备紧缺、时间和场地有限等问题，为机械拆装提供了新型且有效的教学手段，值得进一步研究和应用。

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　　本文在分析机械拆装课程学习与实训需求的基础上进行机械拆装实验平台的研发，通过 SolidWorks 对实验平台和典型的机械结构零件进行建模，运用 SolidWorks 软件 Motion 插件进行运动算例仿真。仿真完成后，在实验平台上进行实际的动手拆装操，有助于增强教学多样性，使教学过程更加生动，有效提高教学质量，有助于学生更加牢固地掌握机构的构造和相关的机械原理，熟悉机构拆装过程。本机械拆装实验平台初步满足了机械拆装实训课程的教学需求，但也存在一些不足，如典型机构模型较少，只能展现部分简单的机械原理和机械结构，还需要在后续的学习工作中不断完善。——论文作者：田姗姗　郭梦强　孙成安　刘晓寅　张　茜

　　参考文献

　　[1] 王子正 . 汽车发动机拆装实训与学习虚拟仿真系统研发 [D]. 沈阳：沈阳大学，2017.

　　[2]STANTON N A，YOUNG M S，WALKERG H.The psychology of driving automation：a discussion with professor don norman[J].International Journal of Vehicle Design，2007(3)：289-306.

　　[3]MICHON J.A critical view of driver behavior models： what do we know，what should we do?[C]//Human Behavior and Traffic Safety，2004.

　　[4] 于海霞，王家骐 . 虚拟装配技术的研究综述 [J]. 电脑知识与技术，2011(18)：4420-4428.

　　[5] 周云成 . 汽车发动机构造虚拟仿真实训系统开发研究 [D]. 长春：吉林大学，2012.

　　[6] 余华鸿 . 虚拟实现是技术的应用现状及发展 [J]. 今日科苑，2009(4)：182.

　　[7] 韩晓东 . 机械零件虚拟装配的关键技术研究 [D]. 绵阳：西南科技大学，2009.

　　[8] 武筱菲，申荣卫 . 汽车发动机虚拟拆装系统的设计与研究 [J]. 汽车零部件，2016(9)：46-49.