【體驗式工程圖學(xué)模型實驗平臺】

　　工程圖學(xué)課程作為一項工科基礎(chǔ)課程，是工科學(xué)生學(xué)習(xí)的重點和難點。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，鼓勵學(xué)生探究學(xué)習(xí)、互動學(xué)習(xí)，因此為了豐富制圖課堂教具的種類，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，設(shè)計了一款體驗式工程圖學(xué)模型實驗平臺。

　　該平臺可以實現(xiàn)以下三個方面的功能：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)通過模型的制作過程動態(tài)展示工程圖學(xué)的相關(guān)概念;3)可依托該平臺設(shè)計一系列的探究實驗，探究三維實體與二維視圖的對應(yīng)關(guān)系，此體驗式的過程對于學(xué)生理解工圖中的難點有良好的推動作用。

　　本項目采用模塊化的思想設(shè)計出實驗平臺的主體架構(gòu)，包括裝夾模塊、進給模塊、加工模塊。裝夾模塊采用類卡盤結(jié)構(gòu)進行裝夾，卡爪的數(shù)量及分布可調(diào)從而實現(xiàn)了對不同形狀形體的裝夾，利用四桿機構(gòu)死點特性實現(xiàn)對于主軸在任意位置的固定鎖緊，保證了制作過程中的穩(wěn)定性;進給模塊采用縱橫向絲桿螺母機構(gòu)及剪叉機構(gòu)，實現(xiàn)X、Y、Z三個方向上的進給運動，采用蝸輪蝸桿機構(gòu)實現(xiàn)了刀具繞Z軸的轉(zhuǎn)動;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)實現(xiàn)了對模型的靈活制作。

　　本作品的創(chuàng)新點體現(xiàn)在一下三個方面：1)以泡沫為材料，通過模型的制作過程動態(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)實現(xiàn)了對于模型的快速靈活制作;3)依托該平臺可設(shè)計多種工程圖學(xué)實驗，培養(yǎng)學(xué)生三維實體與二維視圖的對應(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，并在模型制作過程中動態(tài)展示工程圖學(xué)中的相關(guān)概念，同時還可作為工程圖學(xué)課程探究實驗儀器，供學(xué)生進行自主探究實驗，深化其對三維實體與二維視圖之間的對應(yīng)關(guān)系的理解。體驗式的過程發(fā)展了探究學(xué)習(xí)與互動學(xué)習(xí)模式，有助于充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

　　二、作品結(jié)構(gòu)原理

　　1、作品的機構(gòu)組成及工作原理

　　平臺整體設(shè)計采用模塊化思想，主要分為裝夾模塊、進給模塊和加工模塊，從而實現(xiàn)工圖模型制作、動態(tài)演示相關(guān)概念以及設(shè)計探究實驗等功能

　　在裝夾模塊中，設(shè)計了聯(lián)動的類卡盤結(jié)構(gòu)，卡盤扳手設(shè)計成錐齒輪結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動卡盤扳手時，驅(qū)動卡盤內(nèi)部錐齒輪傳動，從而帶動卡盤的四瓣聯(lián)動，實現(xiàn)對于坯料的定心夾緊;卡盤上設(shè)計有均布的多個卡爪安裝孔，同時自行設(shè)計加工了多個卡爪，由于卡爪的安裝個數(shù)以及安裝位置均可以依據(jù)夾持需要進行變化，因此實現(xiàn)了對不同形狀泡沫材料的夾持。為了保證制作模型過程中的穩(wěn)定性，設(shè)計了卡盤旋轉(zhuǎn)后的無級鎖緊機構(gòu)，可方便地實現(xiàn)對于主軸旋轉(zhuǎn)到任意位置后的固定鎖緊。設(shè)計了曲柄滑塊機構(gòu)以及制動盤結(jié)構(gòu)，利用曲柄滑塊機構(gòu)的死點特性，在旋轉(zhuǎn)到確定位置后，通過向上扳動手柄達(dá)到曲柄滑塊機構(gòu)的死點位置，壓緊制動盤，實現(xiàn)主軸的定位。需要調(diào)整時向下扳動扳手即可解除鎖緊，從而保證主軸的自由調(diào)整。

　　在進給模塊中，為了保證刀具的平穩(wěn)精確運動，在X、Y軸上設(shè)計了縱橫向絲杠螺母機構(gòu)，實現(xiàn)了將手搖回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刀具的直線運動。設(shè)計了開合螺母鎖緊機構(gòu)保證鎖止。在Z軸上，設(shè)計了剪叉升降機構(gòu)，實現(xiàn)刀具在該軸上的進給，保證了刀具在上升以及下降過程中的穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)刀具繞Z軸的轉(zhuǎn)動，設(shè)計了蝸輪蝸桿機構(gòu)，同時由于蝸輪蝸桿機構(gòu)的自鎖特性，可以保證刀具在制作過程中的穩(wěn)定性同時為了保證電熱絲切割加工的尺寸精度，設(shè)計有X、Y、Z 方向上的尺寸基準(zhǔn)定位機構(gòu)和走刀量控制機構(gòu)，在控制X、Y、Z方向進給運動時可以提供尺寸基準(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。為了實現(xiàn)刀架的快速調(diào)整，設(shè)計了偏心輪鎖緊機構(gòu)。為了提高制作的效率，自行設(shè)計了插入式的快速換刀結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要換刀時，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，縮短了模型制作時間，提高了制作的效率。

　　三、應(yīng)用前景

　　本作品研究設(shè)計的體驗式工圖實驗平臺適用于工程圖學(xué)課程中三維實體模型與二維視圖表達(dá)等相關(guān)知識探究，平臺對于相關(guān)課程的實踐教學(xué)具有重要價值。

　　(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)生對于課程的興趣，深化其對于知識的理解;

　　(2)該設(shè)備也可以應(yīng)用于工程圖學(xué)課程實踐教學(xué)課程，教學(xué)人員可利用該平臺設(shè)計探究實驗課程，鼓勵學(xué)生動手實踐，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行了實驗應(yīng)用，反映良好，并吸引了校園媒體與搜狐，長江網(wǎng)等校外媒體的關(guān)注和報道。

　　作品名稱：體驗式工程圖學(xué)模型實驗平臺

　　完成單位：武漢理工大學(xué)