基于三維建模教具設(shè)計(jì)的可行性

周振偉 單振杰

摘? 要：本課題的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)用于高等院校機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理等機(jī)械專業(yè)課課堂的輔助教學(xué)用具。該三球儀教學(xué)用具可用于課堂教學(xué)，它能演示關(guān)于太陽(yáng)、地球、月球三者空間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，地球的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)所引起的晝夜長(zhǎng)短的變化、月食、日食等自然現(xiàn)象，可以把抽象和難以理解的地理知識(shí)轉(zhuǎn)變成直觀形象的動(dòng)態(tài)畫面，并可以讓學(xué)生親自操作，幫助學(xué)生更好地理解天文現(xiàn)象。三球儀教學(xué)用具既能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)運(yùn)行也能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)建模、制造、裝配等過(guò)程，三球儀教學(xué)用具基本滿足在課堂教學(xué)中進(jìn)行演示操作。

關(guān)鍵詞：教學(xué)用具? 三球儀? 地理? 建模

Abstract： The main task of this project is to design the auxiliary teaching tools for the classroom teaching of Geography in the teaching of mechanical design and mechanical principles in Colleges and universities.The three ball instrument teaching appliance can be used for classroom teaching. It can demonstrate three space of the sun， the earth and the moon on the mutual movement relationship between， earth's rotation and revolution caused by the length of day and night changes， lunar eclipse， eclipse， etc. natural phenomena can be abstract and difficult to understand geographical knowledge transformation into visual image of the dynamic picture， and can let students personally operation， help students better understand the astronomical phenomena. Three ball teaching instrument equipment can realize the manual operation can achieve electric operation， with calculation， modeling， manufacturing， assembly and debugging of the process， three ball teaching instrument equipment to meet the basic operation and demonstration in classroom teaching.

Key Words： Teaching AIDS; Three ball gauge; Geographic; Modeling

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷提高，科技水平的不斷發(fā)展，學(xué)校教育的方式在不斷的改革中變得多樣化和與時(shí)俱進(jìn)，促進(jìn)教育設(shè)備數(shù)量日益增多，教育設(shè)備的種類也日漸完善，從大學(xué)公開課使用的投影儀到教育專業(yè)課所使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)教具等，教學(xué)輔助用具的使用已經(jīng)普及了整個(gè)教學(xué)過(guò)程，因?yàn)樵谡n堂上講授某一方面知識(shí)的時(shí)候運(yùn)用相應(yīng)教具輔助教學(xué)能夠?qū)⒔虒W(xué)內(nèi)容形象化、具體化和直觀感受更加清晰生動(dòng)，課堂的氣氛會(huì)更加活躍，更加容易吸引學(xué)生在上課時(shí)注意力，提升學(xué)生在課堂中的聽(tīng)課狀態(tài)，通過(guò)教具演示的同時(shí)能讓學(xué)生更加容易地吸收消化所講授的知識(shí)，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)本質(zhì)的理解和認(rèn)識(shí)，提高課堂教學(xué)內(nèi)容輸出的有效性。

1? 緒論

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高校機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等課程是機(jī)械專業(yè)類學(xué)生必學(xué)的課程，說(shuō)明它在整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中處于重要的組成部分，而機(jī)械類課程帶有很多抽象的知識(shí)，在學(xué)習(xí)中需要學(xué)生有良好的空間想象能力和邏輯能力等，對(duì)正處于初級(jí)階段的大學(xué)生而言，這類的抽象知識(shí)在學(xué)習(xí)的過(guò)程中是比較難掌握的。目前市場(chǎng)上比較成熟和推廣宣傳比較好的的三球儀有兩類。如圖1所示，第一類是閉式的飛碟型三球儀;如圖2所示，第二類是開式的光照型三球儀。閉式飛碟型三球儀利用有晝夜暗明的球體，內(nèi)套一個(gè)地球儀，借此來(lái)顯示地球運(yùn)行中的天文現(xiàn)象，但由于在技術(shù)上利用外透明球套地球儀，部分主要結(jié)構(gòu)只能在球內(nèi)演示，因而限制了該儀器運(yùn)動(dòng)時(shí)觀看的放大，使三球儀演示的可見(jiàn)度受到影響，而且該三球儀演示時(shí)必須將在教育體與底座分離，才能清晰地展示，同時(shí)不能正確演示正午太陽(yáng)高度的變化，也不能演示恒星日和太陽(yáng)日的形成，以及時(shí)差和推算天文現(xiàn)象。該三球儀演示效果一般且傳動(dòng)裝置復(fù)雜，故障多，不易維修。開式光照型三球儀利用燈光模擬太陽(yáng)光，以燈光造影的方法來(lái)顯示地球運(yùn)行中的天文現(xiàn)象，由于依賴于燈光造影，容易造成晨昏線顯示不清楚，不能進(jìn)行教學(xué)講解，更不能演示出正午太陽(yáng)高度的變化，以及恒星日和太陽(yáng)日的形成等，而且還要受到電源的限制。

1.2 現(xiàn)有三球儀教學(xué)用具的對(duì)比分析

目前，市場(chǎng)上比較占領(lǐng)市場(chǎng)份額的三球儀有兩種，分別是飛碟型三球儀和光照型三球儀，教學(xué)輔助用具是為了讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中更加容易的接收所講授的知識(shí)的內(nèi)容重點(diǎn)。以下從市場(chǎng)的兩類三球儀與本課題三球儀的價(jià)格、體積的大小、傳動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可見(jiàn)度等方面對(duì)比所存在的問(wèn)題與是否適合普及各校作一個(gè)對(duì)比。學(xué)校選用教學(xué)輔助用具更加應(yīng)該選擇價(jià)格便宜、體積小、能提高學(xué)生人數(shù)平均持有教學(xué)輔助教具的數(shù)量，并且三球儀的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊，維修難度小，觀看舒適度適宜，在使用上既能手動(dòng)控制也能轉(zhuǎn)換成電動(dòng)控制，提升學(xué)生的課堂中的操作體驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)老師講授知識(shí)的理解。如表1所示為三球儀多方面指標(biāo)的對(duì)比。

2? 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)構(gòu)想

三球儀教具的驅(qū)動(dòng)方式有兩種，一種是手動(dòng)驅(qū)動(dòng)，另一種是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩種驅(qū)動(dòng)方式可以通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。通過(guò)多級(jí)齒輪的嚙合傳動(dòng)和傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)變使地球能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)1圈，地球自轉(zhuǎn)365圈。地球自轉(zhuǎn)36圈的同時(shí)月球環(huán)繞地球公轉(zhuǎn)1圈，能夠演示關(guān)于太陽(yáng)、地球、月球三者空間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而且地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)所引起的一系列自然現(xiàn)象，可以通過(guò)光照和圖標(biāo)顯示直觀地體現(xiàn)在觀看者眼前。

2.2 運(yùn)動(dòng)原理

如圖3所示，動(dòng)力輸出分為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式，三球儀教學(xué)用具常態(tài)之下是錐齒輪1與錐齒輪2進(jìn)行嚙合，左邊為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，同過(guò)錐齒輪的嚙合可以把動(dòng)力傳遞給主傳動(dòng)軸。右邊為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)需要從手動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式切換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式之前，電機(jī)應(yīng)處于通電狀態(tài)并且慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)需要把手輪向左拉動(dòng)，拉動(dòng)的距離為錐齒輪3與錐齒輪2正好嚙合處為適當(dāng)，而錐齒輪1和錐齒輪2是處于分離的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)手輪的位置進(jìn)行限制和固定，之后通過(guò)錐齒輪2和錐齒輪3的相互嚙合，把力傳遞給主傳動(dòng)軸。

當(dāng)動(dòng)力傳遞到主傳動(dòng)軸時(shí)，主傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)帶輪通過(guò)利用帶輪和傳動(dòng)帶的摩擦或嚙合作用將動(dòng)力通過(guò)傳送帶傳遞給從動(dòng)帶輪，再通過(guò)從動(dòng)帶輪帶動(dòng)小傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)力傳動(dòng)到各級(jí)齒輪，實(shí)現(xiàn)地球既可以自轉(zhuǎn)還會(huì)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而月球會(huì)繞地球公轉(zhuǎn)。當(dāng)從動(dòng)帶輪經(jīng)過(guò)小傳動(dòng)軸把動(dòng)力傳遞給主動(dòng)齒輪，這時(shí)大齒輪固定不動(dòng)，主動(dòng)齒輪一方面環(huán)繞大齒輪整周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面主動(dòng)齒輪把動(dòng)力經(jīng)過(guò)惰輪傳遞給從動(dòng)齒輪，經(jīng)過(guò)多級(jí)傳動(dòng)比的變化把動(dòng)力傳遞到地球，這時(shí)地球除了自身的旋轉(zhuǎn)之外還可以環(huán)繞太陽(yáng)整周公轉(zhuǎn)。月球固定在從動(dòng)齒輪上，因而月球可以繞地球整周公轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)、地球、月球三者之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

2.3 機(jī)械機(jī)構(gòu)方案選用

2.3.1 傳動(dòng)方式的選擇

三球儀教學(xué)用具可用于大學(xué)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)課課堂的輔助教學(xué)用具，所以結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須簡(jiǎn)單緊湊，美觀易拿，好操作。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，地球本身的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的傳動(dòng)比相差比較大，所以三球儀在運(yùn)行的過(guò)程中適合低轉(zhuǎn)速、低載荷的工作環(huán)境，而且兩軸相距較遠(yuǎn)，課堂環(huán)境應(yīng)該保持安靜沒(méi)雜音，通過(guò)以上的條件和分析，適宜選擇帶傳動(dòng)作為此部分機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式。

為保證太陽(yáng)、地球、月球三者之間的運(yùn)動(dòng)有精確的傳動(dòng)比，齒輪具有效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以適宜采用齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)此部分機(jī)構(gòu)。

2.3.2 滑動(dòng)軌道的選擇

直線導(dǎo)軌的鋼珠與軌道是線接觸，一般調(diào)整到過(guò)盈配合，沒(méi)有間隙，壽命極長(zhǎng)。對(duì)整體尺寸設(shè)計(jì)偏大、結(jié)構(gòu)不夠緊湊、分析優(yōu)缺點(diǎn)得出手動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的切換機(jī)構(gòu)選用直線導(dǎo)軌更為合理。

2.4 電動(dòng)機(jī)的選型

設(shè)計(jì)三球儀教學(xué)用具中的太陽(yáng)、地球、月亮之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為地球繞太陽(yáng)每分鐘轉(zhuǎn)1圈，地球每分鐘自轉(zhuǎn)365圈，月球繞地球公轉(zhuǎn)10圈。根據(jù)齒輪傳動(dòng)比之間的關(guān)系，可得：電機(jī)每分鐘需轉(zhuǎn)5圈。由于傳動(dòng)比大，轉(zhuǎn)速低，故本課題選用大扭矩低轉(zhuǎn)速的蝸輪蝸桿電機(jī)。

該機(jī)械設(shè)備所需工作功率比較小。為讓工作載荷平穩(wěn)，選取電動(dòng)機(jī)系列為Ts系列，查詢資料后選取Ts-40GZ868-505型號(hào)渦輪蝸桿減速電機(jī)，具體參數(shù)數(shù)據(jù)如表2。

3? 裝配制造

3.1 齒輪的加工

在零件加工的工程中以直齒齒輪為例。輔助加工軟件使用MastercamX5版本。首先在UG軟件中建立三維立體模型，把齒輪的三維立體模型從UG中導(dǎo)出STP格式，接著導(dǎo)入MastercamX5。

3.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的部件裝配

機(jī)械裝配是按規(guī)定的精度和技術(shù)要求，將構(gòu)成機(jī)器的零件組合成部件和產(chǎn)品的過(guò)程。裝配是機(jī)器制造中的后期工作，是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

第一步：對(duì)所有涉及到裝配的零件進(jìn)行清洗干凈。

第二步：所有的零件連接采用螺栓連接。

第三步：對(duì)連接好的部件進(jìn)行校正以及調(diào)整，嚴(yán)格要求各部件之間的裝配要求，保證相互位置精度，相互運(yùn)動(dòng)精度，相互配合精度等。

為了保證機(jī)器的裝配精度，保證機(jī)器能正常順暢地運(yùn)行，軸承座與直線軸承之間的同軸度精度必須達(dá)到0.03mm，太松會(huì)有間隙，運(yùn)動(dòng)不精確，太緊則可能導(dǎo)致運(yùn)行困難的問(wèn)題。

4? 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的三球儀教學(xué)用具模型主要用于教學(xué)演示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了三球儀教學(xué)用具的制作與運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)本次對(duì)三球儀教學(xué)用具的設(shè)計(jì)及制作，現(xiàn)將工作總結(jié)如下：

（1）完成了三球儀教學(xué)用具知識(shí)的收集，并對(duì)市場(chǎng)上多款三球儀教學(xué)用具進(jìn)行對(duì)比分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，初步了解了三球儀的工作原理;

（2）設(shè)計(jì)三球儀教學(xué)用具的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)三球儀要實(shí)現(xiàn)的功能與太陽(yáng)、地球、月球三者旋轉(zhuǎn)的扭矩確定所需電機(jī)的型號(hào)，采用12V直流減速電機(jī)，然后根據(jù)每個(gè)軸所承受的載荷確定軸承以及聯(lián)軸器的型號(hào)，直線滑軌采用MGN12C型號(hào)等，通過(guò)載荷計(jì)算，齒輪的強(qiáng)度校核及價(jià)格方面的考慮，該三球儀教學(xué)用具能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的;

（3）在UG中對(duì)三球儀教學(xué)用具各部件建模、裝配。

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