【體驗(yàn)式工程圖學(xué)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)】
工程圖學(xué)課程作為一項(xiàng)工科基礎(chǔ)課程，是工科學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前各大高校均設(shè)有工程圖學(xué)專用教室，但是目前工圖專用教室內(nèi)的設(shè)備大多數(shù)為模型展示柜及多媒體投影儀器，且目前高校課程改革，鼓勵(lì)學(xué)生探究學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)，因此為了豐富制圖課堂教具的種類，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，設(shè)計(jì)了一款體驗(yàn)式工程圖學(xué)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面的功能：1)制作各式各樣的工程圖學(xué)典型模型，如相貫?zāi)Ｐ?、截交模型、剖切模型以及組合體模型;2)通過(guò)模型的制作過(guò)程動(dòng)態(tài)展示工程圖學(xué)的相關(guān)概念;3)可依托該平臺(tái)設(shè)計(jì)一系列的探究實(shí)驗(yàn)，探究三維實(shí)體與二維視圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此體驗(yàn)式的過(guò)程對(duì)于學(xué)生理解工圖中的難點(diǎn)有良好的推動(dòng)作用。
本項(xiàng)目采用模塊化的思想設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體架構(gòu)，包括裝夾模塊、進(jìn)給模塊、加工模塊。裝夾模塊采用類卡盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝夾，卡爪的數(shù)量及分布可調(diào)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同形狀形體的裝夾，利用四桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)于主軸在任意位置的固定鎖緊，保證了制作過(guò)程中的穩(wěn)定性;進(jìn)給模塊采用縱橫向絲桿螺母機(jī)構(gòu)及剪叉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了刀具繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng);加工模塊采用電熱絲切割技術(shù)，形狀多樣的電熱絲刀具和快速換刀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的靈活制作。
本作品的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在一下三個(gè)方面：1)以泡沫為材料，通過(guò)模型的制作過(guò)程動(dòng)態(tài)形象地展示了工程圖學(xué)中的相關(guān)概念;2)刀具應(yīng)用了電熱絲切割技術(shù)，且形狀多變的電熱絲刀具和插入式的快速換刀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于模型的快速靈活制作;3)依托該平臺(tái)可設(shè)計(jì)多種工程圖學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生三維實(shí)體與二維視圖的對(duì)應(yīng)能力。
本作品主要應(yīng)用于工程圖學(xué)課程的專用教室中，可供師生制作各式各樣的工程圖學(xué)典型模型，如相貫、截交、剖切以及組合體模型，并在模型制作過(guò)程中動(dòng)態(tài)展示工程圖學(xué)中的相關(guān)概念，同時(shí)還可作為工程圖學(xué)課程探究實(shí)驗(yàn)儀器，供學(xué)生進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)，深化其對(duì)三維實(shí)體與二維視圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的理解。體驗(yàn)式的過(guò)程發(fā)展了探究學(xué)習(xí)與互動(dòng)學(xué)習(xí)模式，有助于充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。
二、作品結(jié)構(gòu)原理
1、作品的機(jī)構(gòu)組成及工作原理
平臺(tái)整體設(shè)計(jì)采用模塊化思想，主要分為裝夾模塊、進(jìn)給模塊和加工模塊，從而實(shí)現(xiàn)工圖模型制作、動(dòng)態(tài)演示相關(guān)概念以及設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)等功能
在裝夾模塊中，設(shè)計(jì)了聯(lián)動(dòng)的類卡盤結(jié)構(gòu)，卡盤扳手設(shè)計(jì)成錐齒輪結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤扳手時(shí)，驅(qū)動(dòng)卡盤內(nèi)部錐齒輪傳動(dòng)，從而帶動(dòng)卡盤的四瓣聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于坯料的定心夾緊;卡盤上設(shè)計(jì)有均布的多個(gè)卡爪安裝孔，同時(shí)自行設(shè)計(jì)加工了多個(gè)卡爪，由于卡爪的安裝個(gè)數(shù)以及安裝位置均可以依據(jù)夾持需要進(jìn)行變化，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同形狀泡沫材料的夾持。為了保證制作模型過(guò)程中的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了卡盤旋轉(zhuǎn)后的無(wú)級(jí)鎖緊機(jī)構(gòu)，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)于主軸旋轉(zhuǎn)到任意位置后的固定鎖緊。設(shè)計(jì)了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)特性，在旋轉(zhuǎn)到確定位置后，通過(guò)向上扳動(dòng)手柄達(dá)到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，壓緊制動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)主軸的定位。需要調(diào)整時(shí)向下扳動(dòng)扳手即可解除鎖緊，從而保證主軸的自由調(diào)整。
在進(jìn)給模塊中，為了保證刀具的平穩(wěn)精確運(yùn)動(dòng)，在X、Y軸上設(shè)計(jì)了縱橫向絲杠螺母機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了將手搖回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具的直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)了開(kāi)合螺母鎖緊機(jī)構(gòu)保證鎖止。在Z軸上，設(shè)計(jì)了剪叉升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀具在該軸上的進(jìn)給，保證了刀具在上升以及下降過(guò)程中的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)刀具繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)由于蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖特性，可以保證刀具在制作過(guò)程中的穩(wěn)定性同時(shí)為了保證電熱絲切割加工的尺寸精度，設(shè)計(jì)有X、Y、Z 方向上的尺寸基準(zhǔn)定位機(jī)構(gòu)和走刀量控制機(jī)構(gòu)，在控制X、Y、Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)可以提供尺寸基準(zhǔn)。
在加工模塊中，刀具應(yīng)用了電熱絲切割技術(shù)，以鎳鉻合金絲作為刀具材料，可折彎成任意曲線或多邊形，因而制作的靈活度較高。為了實(shí)現(xiàn)刀架的快速調(diào)整，設(shè)計(jì)了偏心輪鎖緊機(jī)構(gòu)。為了提高制作的效率，自行設(shè)計(jì)了插入式的快速換刀結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要換刀時(shí)，拔下刀具后換上全新的一體的刀具、銅片和銅片固定架即可。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同形狀電熱絲之間的快速更換，縮短了模型制作時(shí)間，提高了制作的效率。
三、應(yīng)用前景
本作品研究設(shè)計(jì)的體驗(yàn)式工圖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適用于工程圖學(xué)課程中三維實(shí)體模型與二維視圖表達(dá)等相關(guān)知識(shí)探究，平臺(tái)對(duì)于相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)具有重要價(jià)值。
(1)可以作為各高校工程圖學(xué)課程的專業(yè)教室設(shè)備，與模型展示柜、多媒體設(shè)備等現(xiàn)有設(shè)備相輔相成，增加學(xué)生對(duì)于課程的興趣，深化其對(duì)于知識(shí)的理解;
(2)該設(shè)備也可以應(yīng)用于工程圖學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)課程，教學(xué)人員可利用該平臺(tái)設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)課程，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，培養(yǎng)三維構(gòu)型能力。
(3)本作品在武漢地區(qū)多所高校工程制圖課堂中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，反映良好，并吸引了校園媒體與搜狐，長(zhǎng)江網(wǎng)等校外媒體的關(guān)注和報(bào)道。
作品名稱：體驗(yàn)式工程圖學(xué)模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
完成單位：武漢理工大學(xué)
