多功能教学演示台设计分析介绍

关称心

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

作者简介：关称心（1990－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械工程专业。

摘 要：本作品通过对教室演讲台的改进、实验环境的优化以及演示教具的优化设计，使教学课堂教具演示方便易行，课堂教学达到更好的效果。本作品尤其添加了动力部分，通过机械传动实现了演示模型的自动上升和下降，以及演示教具的多方位动态演示，这些可以提升课堂的趣味性及实用性。

关键词：教师演示台；多功能；教学要求；机械传动

Abstract：This work in the classroom the improvement to the podium，the optimization of experimental environment，and a demonstration of the optimization design of teaching AIDS，make teaching classroom teaching demonstration convenient and feasible，the classroom teaching to achieve better effect．This work especially added power part，through the automatic me－chanical transmission to achieve the demonstration model rising and falling，and multi－dimensional dynamic demo presentation AIDS，these can improve the class more interesting and practical．

Key words：Teacher demonstration units；Multifunction；Teaching requirements；Mechanical transmission

1 引言及作品介绍

从老师授课的实际需要考虑，结合学生的学习经历，本作品通过对教室演示台的改进、实验环境的优化以及演示教具的优化设计，使教学课堂教具演示方便易行，课堂教学达到更好的效果。如图1所示，本作品尤其添加了动力部分，通过机械传动实现了演示模型的自动上升和下降，以及演示教具的多方位动态演示，这些可以提升课堂的趣味性及实用性，激发学生的学习热情和兴趣，使学生能更全面地认识了解的同时也为教师教学提供了方便，解放了教师的双手，使老师能更全面的讲解演示及拓展，节约课堂了时间，实现更高的课堂效率及更好的教学效果。通过动手操作的直观演示（平移、旋转、方向与位置等），既有效的调动了学生学习的积极性，又加深了学生对所学知识的理解和掌握，效果显著。

2 多功能演讲台的设计方案

2．1 总体方案设计

图1 多功能教学演示台总体结构

本作品是为方便老师演示教具，全方位地展示演示教具的机械结构，让学生更加高效学习，多功能教学教具设计的一款此多功能教学教具演示台。该演示台采用机械与电子结合的设计方式，演示、储物、授课于一体，如图2－1所示。演示教具采用模块化设计，只要模块的底座尺寸为300mm×60mm，就适用于该演示台，使本作品适用通用化演示模块。演示教具置于演示台栅格上，用升降平台实现演示教具的上升与下降。升降平台采用步进电机作为动力，用单片机控制，老师只需按动按钮就能实现操作。演示模块的切换采用手动切换模式。由于该作品集多个演示模块于一体，用齿轮齿条传动，通过带动栅格的前后移动，实现演示模块的切换。用45°锥齿轮改变力的传递方向，方便操作。为了全方位展示演示教具的结构，在升降平台的顶端用一个舵机，使演示模块可以旋转180°，可以让各个方向的学生清楚地观察到演示模块的结构，提高学习效率。

图2－1 内部结构图

2．2 升起装置

本作品升起装置由机械部分和控制部分实现，控制演示平台的升降起停，动力部分采用步进电机作为动力，通过一对45°锥齿轮改变传动方向，减小电机轴向负荷。采用滚珠丝杠传递扭矩，实现旋转运动转化为线性运动。在平台上设计三根成三角布置的光杆使平台保持水平，用直线轴承减小摩擦阻力。三个直线轴承和滚珠螺母通过一块铝板连接在一起。板上固定一根空心的铝合金管。通过滚珠丝杆带动滚珠螺母的上下移动，带动铝板和铝合金管上下移动，使上层板上下移动，实现平台的升降功能，如图2－2所示。

2．2．1 机械传动

动力部分采用步进电机作为动力，步进电机具有力矩大、定位锁死、控制方便等优点。通过一对45°锥齿轮改变传动方向，减小电机轴向负荷。采用滚珠丝杠传递扭矩，实现旋转运动转化为线性运动，减小升降平台在运动中的摩擦阻力，使运动更加顺畅，如图2－3所示。该升降平台为满足实验模块的顺利移动，而不干涉滑道的左右换挡，采用双层结构。在该升降平台中为了保证运动的稳定，在平台上设计三根成三角布置的光杆使平台保持水平，用直线轴承减小摩擦阻力。三个直线轴承和滚珠螺母通过一块亚克力板链接在一起，板上固定一根空心的铝合金管。通过滚珠丝杆带动滚珠螺母的上下移动，带动亚克力板和铝合金管上下移动，使上层板上下移动，实现平台的升降功能。

图2－2 升起装置

2．2．2 控制部分

控制部分主要采用单片机控制，以轻触开关作为限位开关，控制步进电机精确启动停止，以达到控制升降平台的升降起停。同时辅助控制按钮，使整个控制过程方便简单，易于操作。

2．3 模块切换机构

本部分换挡机构通过齿轮齿条实现控制栅栏盘的精确移动，通过旋转手柄控制齿条的移动实现换挡，实现模块的切换，如图2－4所示。

2．3．1 动力传递

为了方便切换演示模块，该装置将模块存放于有四个矩形组成的栅格内。栅格下方由两根镀鉻光杆作为导轨，以四个直线轴承为滑块，以支撑栅格的移动，减少摩擦阻力。栅格旁边固定一根齿条，用齿轮的转动，通过与齿条的啮合，实现动力传输，如图2－5所示。栅格的移动实现模块的切换。通过两对45°锥齿轮实现力传递方向的改变，方便教师操作。

图2－3 动力传输部分

图2－4 切换机构模拟图

图2－5 换挡机构结构简图

2．3．2 定位自锁装置

为了使切换模块精确定位，设计了该定位自锁装置，如图2－6所示。该装置由凹槽、钢珠、弹簧组成。当移动栅格时，固定导轨3带动钢珠1一起移动，此时弹簧处于压缩状态。当钢珠移动到凹槽中时，在弹簧弹力的作用下，钢珠被压缩到凹槽中。由于每个凹槽之间的距离对应移动一个栅格的距离。移动到凹槽中时，就对应移动了一个栅格的距离，从而实现了切换演示模块时的精确定位。

2．4 旋转装置

在课堂或实验演示中，经常出现不能全方位观察的情况，导致学生观察不够，不能深刻全面地理解。本作品中辅助以旋转平台，实现演示模块多角度的旋转，便于学生从不同角度观察，同时自由可控的旋转平台，更能激发学生的兴趣和热情，使学生认识深刻，学习更牢靠，以达到令人满意的教学效果。

本辅助旋转平台使用舵机作为旋转动力部分，根据舵机的控制原理，通过单片机控制，教师只需按按键就能实现演示旋转平台的平稳多方位旋转，以实现多方位展示，如图2－7所示。同时为了演示模块能与旋转平台紧密结合到一起，而不发生相对位移，在旋转平台上安装一条磁条，使之与演示模块紧密结合，从而防止了演示模块在运动过程中的不稳定。

图2－6 定位自锁装置

2－7 旋转装置

2．5 控制电路设计

本作品采用STC89C52单片机为控制芯片，控制电路如图2－8所示，主要控制步进电机实现升降平台的上下移动和舵机实现演示教具的旋转。在升降装置中，配合细分驱动器驱动控制步进电机的转动。在升降平台的上止点和下止点分别安装有轻触开关，作为平台到达最高端和最低端的触发信号，实现升降平台的精确控制。在模块旋转控制中，采用舵机控制模块的左右旋转，保证在上升到最上端以后可以随时转动。

图2－8 最小系统图

2．6 储物装置

在实际运用中，演示台通常被多门课程的老师使用，在使用时对应有多套演示模块。为了解决这个问题，设计了储物装置。该储物装置有三层用来存放各种标准化的备用模块或者不同学科的演示模块，使该多功能教师演示台能在同一讲台内实现多课程，多学科的模型的演示，极大方便了不同课堂的需求。每一层都可以轻便地操作，更换模块极为方便，如图2－9所示。

2．7 演示模型部分

针对课堂演示教具尺寸大小多样的特点，本作品将演示模块标准化、模块化，便于不同学科通用。因此减少了演示台的数量，也减少了学校在该部分的资金投入。在实际演示中使模型模块方便更换，易于维护，通用性强等特点。只要演示教具的尺寸大小在标准的范围内都可以在该演示台上使用。

图2－9 储物装置

3 多功能演讲台使用方法和性能分析

3．1 使用方法

该多功能教师教具演示台操作简单，它对应有三个按钮（分别为上升与下降按钮、模块旋转按钮、电源开关按钮）和一个模块切换手柄。首先打开电源开关按钮，给用电设备通电。旋转模块切换手柄，将需要的模块切换到指定位置。按动上升与下降按钮，演示教具上升到桌面上方。按动模块旋转按钮，将演示教具旋转到合适的位置，展示给同学观察。演示完毕以后，按动模块旋转按钮将演示教具旋转到初始位置，按动上升与下降按钮，演示教具下降，最后置于演示台的栅格内，演示完成。

3．2 性能分析

多功能教室教具演示台的结构设计简单，无复杂的零件，易于加工，成本低，可装配性与工艺性好；操作简单方便，大大节约了上课演示操作时间。本作品可以针对不同学科，除机械类课程实验，同时适用于不同的学科的教具演示。通过升降控制按钮，控制升降平台的起停，实现了演示模块的展示及收回。在演示的时候，通过旋转控制按钮，可以动态调整演示的角度，使之能更全面地展示在学生面前，增强演示效果。

4 多功能演讲台设计计算

4．1 电机的选择

根据工作要求需举起G＝500N的实验模块，传动齿轮外径为d1＝30mm，所需转速n＝180r／min

按工作条件和要求选用57HS5125A4步进电机

查技术手册可知：额定电I＝2．8A、额定电压E＝24V、额定转矩T＝10．1N·m

Tf力矩负载：Tf＝G·r＝500N×0．015 m＝7．5N·m＜10．1N·m

4．2 滚珠丝杆的校核

根据工作条件和使用要求SFU1605型滚珠丝杆，其参数如下：

动态载荷 Ca＝756N

静态载荷　 Coa＝1240N

公称直径　 D＝16mm

导程　 P＝5mm

球径　 d＝3．17mm

导程的校核：

工作时间校核：

查工作手册可得：fw＝1．3、fa＝1、fc＝0．44

当量转速nw＝1．5r／s、当量载荷Fm＝

4．3 锥齿轮设计

锥齿轮选用45号表面热处理，传动比i＝1．0，受力分析如图4．3．1所示

查工作手册可以得到：

取载荷系数K＝1．3，弹性系数ZE＝160．0，区域系数ZH＝2．5，齿宽系数ΦR＝0．25，齿轮上的转矩T＝2×103N·mm

按照标准取d1＝30mm，取齿宽b＝9mm。

齿数Z＝20，则模数

按弯曲疲劳强度校核

查工作手册

齿形系数YFa＝2．9，齿轮根修正系数YSa＝1．55

＝115MPa

因为σF≤［σF］，故该锥齿轮满足要求。

4．4 AB杆设计校核

锥齿轮受力分析如图4．3．2所示

图4．3．1 锥齿轮的当量齿轮

图4．3．2 锥齿轮受力分析图

轴向力Fa＝Fr＝66．5N

（1）求垂直面的支承反力

（2）求水平面的支承反力

（3）F力在支点产生的反力

F2F＝F＋F1F＝（50＋19．2）N＝69．2N

（4）绘垂直面的弯矩图

（5）绘水平面的弯矩图

＝4．3N·m

（6）F力产生的弯矩图

M2F＝F·K＝50×50×10－3＝2．5N·m a－a截面F力产生的弯矩为：

（7）求合成弯矩图

图4．3．3 合成弯矩图

（8）求危险截面的当量弯矩，a－a截面最危险，其当量弯矩为：

如认为轴的扭切应力是脉冲循环变应力，取折合系数α＝0．6，代入上式可得：

（9）计算危险截面处轴的直径

5 多功能演讲台创新设计

（1）通过将讲桌与实验演示柜、以及储物柜的改进和优化，实现演示平台的有机结合，使平台具有上课、实验演示、储存等功能，实现演示平台的多用途，节约空间和时间。

（2）演示模型的创意结合，为教学及演示提供了方便，使学生更容易理解机构的原理，达到更好的教学效果。

（3）演示模型的模块化，使演示教具的通用性加强，同时也适用于不同的课程，甚至是不同的学科。

（4）旋转升降平台。通过升降平台的提升及下降，使演示模块自动演示及回模块库，简单方便。

（5）多挡位模块切换。通过创新型设计，模块库设计成栏格样式，可存放多种模块，便捷易行。

（6）手动机动，随心所变。

参考文献

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