便携式多功能机械教具的设计(附件)【字数：20204】
摘 要摘 要为了提高现有机械教具的便携性和多功能性，本文设计了一套具有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构以及三大机构联动演示功能的集成教具，其设计思路如下采用模块化设计与通用性设计结合的设计方法，先确定所设计教具的结构布置形式以及零部件的封装设计方案并进行便携式优化改进，然后根据总体设计方案设计出各机构能够共用的零件并进行可拆装的结构优化，再在公用零件的基础上设计特殊零件，所有改进设计的零部件均用三维软件绘制并组装进行运动仿真分析。本文设计的主要工作有（1）参照机械原理课程教学内容，根据现有机械教具，进行设计方案对比与改进，确定总体方案；（2）设计通用件及专用件并用Solidworks软件进行三维模型绘制；（3）将三维设计的零部件分别组装成单独演示模块的教具以及联动教具，并进行各个机构的运动仿真与分析。关键词机械教具；多功能；便携；三维建模；运动仿真
Keywords: mechanical teaching aids; multifunction; portable; 3D modeling; motion simulation 目录
第一章 绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2国内外目前的发展现状 3
1.2.1 国外教具的发展现状 4
1.2.2.国内教具的发展现状 6
1.3研究的内容及主要的工作 7
第二章 便携式多功能机械教具总体方案设计 8
2.1总体结构方案设计 8
2.2驱动方案设计 10
2.3零部件封装方案设计 11
2.4本章小结 12
第三章 典型零部件结构的设计及计算 13
3.1支撑底座的设计及计算 13
3.1.1支撑底座简介 13
3.1.2支撑底座的设计及选材 13
3.2固定支座的结构设计及选材 15
3.3轴系结构的设计及选材 17
3.4连杆机构主要零部件的设计及计算 18
3.4.1连杆机构介绍 18
3.4.2连杆机构的杆长设计及计算 20
3.4.3杆件间连接装置的结构设计及装配设计 21
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.4连杆机构设计举例 21
3.5齿轮机构主要零部件的设计及计算 23
3.5.1齿轮固定方案的选择 23
3.5.2齿轮结构设计及计算 24
3.6凸轮机构主要零部件的设计 25
3.7封装结构设计 27
3.7.1单独模块演示教具的零部件封装设计 27
3.7.2可移动总封装体设计 29
3.8本章小结 29
第四章 零部件的组装及运动仿真 31
4.1连杆机构 31
4.1.1连杆机构拼装示例 31
4.1.2连杆机构的运动仿真与分析 32
4.2齿轮演示机构的组装设计举例 33
4.3凸轮演示机构的组装设计举例 33
4.4多机构联动机制设计举例及其运动仿真 34
4.5机械教具零部件的总体封装 35
4.6本章小结 36
结 语 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1研究的背景及意义
随着现代社会科学技术的飞速发展，机械相关知识的应用方向越来越多样化，我们生活的方方面面都涉及到机械。如今机械专业相关的毕业生面临着各种各样的挑战，所以学好机械的知识并能够将知识活学活用在未来的道路上尤为重要。《机械原理》课程作为机械类专业一门非常核心的专业基础课程，其任务是使学生掌握有关机械的基本理论问题，为以后对涉及到机械的各学科领域进一步的研究奠定基础。
《机械原理》这门课程是机器理论和机构理论的简称，顾名思义，它主要研究机器和机构。对于机构我们并不陌生，在理论力学、材料力学等学科课程中已经对一些诸如连杆机构等常见机构的手里问题分析及运动理论进行了学习与探索。在工程实际中，常见的机构还有带传动机构、链传动机构、凸轮机构、螺旋机构等，这些运动机构都是通过主动件的驱动来传递与改变运动形式和力的可动装备。在日常生活中，我们几乎时刻都与机器有着接触，出行的代步工具、工作使用的电子科技产品等等，机械涉及到我们生活的方方面面，机器都是为了人们的需求而设计出来用来辅助人们实现一些代替人类工作或者人类难以完成的工作的装置。
机械原理研究的内容都体现在现实生活中的具体实物上，而这些实物在原理上大都有相似的共同点。图11所示为常见机械表内部机械结构，图12所示为汽车传动桥上使用的齿轮传动机构，它们都涉及到了齿轮传动机构。
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图11 机械表 图12 车用齿轮传动桥
在大学本专科学生学习机械原理的过程中，首先接触的就是基本机械机构。机械原理研究的主要基本机构包括平面连杆机构、凸轮传动机构以及多种形式的齿轮齿条和齿轮系传动机构等等。而我们最初的学习是通过课本来认识这些机构，但是课本上的理论阐述与图片形式的表达有时会让我们难以理解机构的运行原理，其内容学习起来没有趣味、缺乏直观的立体感以及机构空间运动的视觉感，学生学习起来积极性比较低，教学效率不佳。因此，将课本上涉及到的一些基本机构以实物或者实物模型的方式展示给学生加以分析观察是非常重要的，这就涉及到了机械专业课程的相关教学用具。
教具是以传播科技、教育人为目的的实物，是完全的科技传媒，是学生科技活动中不可缺少的器材[1]。机械原理教学用具作为一种教学辅助手段，可以把非常抽象的机械知识以简化深刻的形式使学生有兴趣的学习，特别是对于一部分难以理解的原理内容等，单单依靠教师结合书上辅助图片的口头讲解形式会大大降低学生对机械学科的学习积极性，相反，如果能让学生亲自观察所教学的物体，学生将所学知识与实际物体演示相结合更能加深学生对其运动的理解，接受较快。在教学活动中合理的使用教具可以帮助学生更好的理解一些抽象的技术原理，充分调动学生动手操作的积极性，更好的促进技术课程目标的实现[2]。
机械专业课程教学涉及到的教具如图13所示，主要有真实性教具和模拟性教具。真实性教具简单来说就是直接将生活中用到的机械产品拿到课堂上进行教学，结合工程应用实际教学，如机械手表中的齿轮系传动机构、自行车上的链条传动机构等等，这种教具的特点是能够让学生将所学知识结合到与自己生活的方方面面来理解，教学效率较高。模拟性教具是根据教学内容或者生活中尺寸较大、价格昂贵、难以以真实性教具的形式进行教学的机械结构而进行尺寸上、材料上、展示上的优化改进， 以方便课堂展示，能够基本演示或表达所要教学的知识点。
Keywords: mechanical teaching aids; multifunction; portable; 3D modeling; motion simulation 目录
第一章 绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2国内外目前的发展现状 3
1.2.1 国外教具的发展现状 4
1.2.2.国内教具的发展现状 6
1.3研究的内容及主要的工作 7
第二章 便携式多功能机械教具总体方案设计 8
2.1总体结构方案设计 8
2.2驱动方案设计 10
2.3零部件封装方案设计 11
2.4本章小结 12
第三章 典型零部件结构的设计及计算 13
3.1支撑底座的设计及计算 13
3.1.1支撑底座简介 13
3.1.2支撑底座的设计及选材 13
3.2固定支座的结构设计及选材 15
3.3轴系结构的设计及选材 17
3.4连杆机构主要零部件的设计及计算 18
3.4.1连杆机构介绍 18
3.4.2连杆机构的杆长设计及计算 20
3.4.3杆件间连接装置的结构设计及装配设计 21
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.4连杆机构设计举例 21
3.5齿轮机构主要零部件的设计及计算 23
3.5.1齿轮固定方案的选择 23
3.5.2齿轮结构设计及计算 24
3.6凸轮机构主要零部件的设计 25
3.7封装结构设计 27
3.7.1单独模块演示教具的零部件封装设计 27
3.7.2可移动总封装体设计 29
3.8本章小结 29
第四章 零部件的组装及运动仿真 31
4.1连杆机构 31
4.1.1连杆机构拼装示例 31
4.1.2连杆机构的运动仿真与分析 32
4.2齿轮演示机构的组装设计举例 33
4.3凸轮演示机构的组装设计举例 33
4.4多机构联动机制设计举例及其运动仿真 34
4.5机械教具零部件的总体封装 35
4.6本章小结 36
结 语 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1研究的背景及意义
随着现代社会科学技术的飞速发展，机械相关知识的应用方向越来越多样化，我们生活的方方面面都涉及到机械。如今机械专业相关的毕业生面临着各种各样的挑战，所以学好机械的知识并能够将知识活学活用在未来的道路上尤为重要。《机械原理》课程作为机械类专业一门非常核心的专业基础课程，其任务是使学生掌握有关机械的基本理论问题，为以后对涉及到机械的各学科领域进一步的研究奠定基础。
《机械原理》这门课程是机器理论和机构理论的简称，顾名思义，它主要研究机器和机构。对于机构我们并不陌生，在理论力学、材料力学等学科课程中已经对一些诸如连杆机构等常见机构的手里问题分析及运动理论进行了学习与探索。在工程实际中，常见的机构还有带传动机构、链传动机构、凸轮机构、螺旋机构等，这些运动机构都是通过主动件的驱动来传递与改变运动形式和力的可动装备。在日常生活中，我们几乎时刻都与机器有着接触，出行的代步工具、工作使用的电子科技产品等等，机械涉及到我们生活的方方面面，机器都是为了人们的需求而设计出来用来辅助人们实现一些代替人类工作或者人类难以完成的工作的装置。
机械原理研究的内容都体现在现实生活中的具体实物上，而这些实物在原理上大都有相似的共同点。图11所示为常见机械表内部机械结构，图12所示为汽车传动桥上使用的齿轮传动机构，它们都涉及到了齿轮传动机构。
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图11 机械表 图12 车用齿轮传动桥
在大学本专科学生学习机械原理的过程中，首先接触的就是基本机械机构。机械原理研究的主要基本机构包括平面连杆机构、凸轮传动机构以及多种形式的齿轮齿条和齿轮系传动机构等等。而我们最初的学习是通过课本来认识这些机构，但是课本上的理论阐述与图片形式的表达有时会让我们难以理解机构的运行原理，其内容学习起来没有趣味、缺乏直观的立体感以及机构空间运动的视觉感，学生学习起来积极性比较低，教学效率不佳。因此，将课本上涉及到的一些基本机构以实物或者实物模型的方式展示给学生加以分析观察是非常重要的，这就涉及到了机械专业课程的相关教学用具。
教具是以传播科技、教育人为目的的实物，是完全的科技传媒，是学生科技活动中不可缺少的器材[1]。机械原理教学用具作为一种教学辅助手段，可以把非常抽象的机械知识以简化深刻的形式使学生有兴趣的学习，特别是对于一部分难以理解的原理内容等，单单依靠教师结合书上辅助图片的口头讲解形式会大大降低学生对机械学科的学习积极性，相反，如果能让学生亲自观察所教学的物体，学生将所学知识与实际物体演示相结合更能加深学生对其运动的理解，接受较快。在教学活动中合理的使用教具可以帮助学生更好的理解一些抽象的技术原理，充分调动学生动手操作的积极性，更好的促进技术课程目标的实现[2]。
机械专业课程教学涉及到的教具如图13所示，主要有真实性教具和模拟性教具。真实性教具简单来说就是直接将生活中用到的机械产品拿到课堂上进行教学，结合工程应用实际教学，如机械手表中的齿轮系传动机构、自行车上的链条传动机构等等，这种教具的特点是能够让学生将所学知识结合到与自己生活的方方面面来理解，教学效率较高。模拟性教具是根据教学内容或者生活中尺寸较大、价格昂贵、难以以真实性教具的形式进行教学的机械结构而进行尺寸上、材料上、展示上的优化改进， 以方便课堂展示，能够基本演示或表达所要教学的知识点。
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