王新海+陳志華

摘 要：基于傳統(tǒng)工業(yè)上的挖掘機(jī)靈感并結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)挖掘機(jī)的抽象性。設(shè)計(jì)了一款新型迷你氣動(dòng)挖掘機(jī)裝置，該裝置創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于有效的結(jié)合教學(xué)，巧妙運(yùn)用四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，從抽象化轉(zhuǎn)變具體化。介紹了挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)及自由度分析，對(duì)挖掘機(jī)末端伸縮設(shè)計(jì)計(jì)算，并且利用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模。加工出來(lái)的整體效果及功能實(shí)現(xiàn)良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣壓；四連桿；機(jī)構(gòu)；自由度；Solidworks

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.094

0 引言

在國(guó)家大力發(fā)展教育的這幾年里，無(wú)論是中小學(xué)還是大學(xué)里都缺少生動(dòng)形象的教具。從市場(chǎng)角度來(lái)看，現(xiàn)在全國(guó)的高校就有2000多所，還不包括對(duì)初中及高中的一個(gè)統(tǒng)計(jì)，教育教具市場(chǎng)如此廣闊，需要我們?nèi)ヌ剿鬟@個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于教學(xué)教具我們有以下幾點(diǎn)考慮的地方：（1）在質(zhì)量上要輕，便于提攜。（2）在組裝和拆卸方面，要簡(jiǎn)單。（3）教具需長(zhǎng)期使用，耐用性強(qiáng)。（4）教具在學(xué)生面前展示，所以安全尤為重要，設(shè)備需在安全電壓范圍內(nèi)來(lái)控制，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行盡可能的考慮到安全。

教具能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也能提高學(xué)生知識(shí)的興趣。而對(duì)于機(jī)械專業(yè)老師來(lái)說(shuō)，氣壓傳動(dòng)[1] 、連桿機(jī)構(gòu)等方面的知識(shí)卻是他們授課時(shí)很難用語(yǔ)言和圖紙表達(dá)清楚的，本次迷你氣動(dòng)挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)著力為機(jī)械專業(yè)教學(xué)工作提供幫助。

本文主要是對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、選材，并且對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的描述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期的目的。

1 傳動(dòng)挖掘機(jī)組成結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)原理分析：

如圖1.1是挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖，包括了基座，大臂，小臂，連桿，挖斗，氣缸。通過(guò)氣缸7推力作用，實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)；氣缸10的伸縮，實(shí)現(xiàn)大臂5的升降；氣缸6的伸縮，實(shí)現(xiàn)小臂4的升降；氣缸3的伸縮，帶動(dòng)連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)挖斗1的動(dòng)作。

該氣動(dòng)挖掘機(jī)由機(jī)身、氣動(dòng)系統(tǒng)部分組成。機(jī)身部分包括底座9、大臂5、小臂4和鏟斗1；氣動(dòng)系統(tǒng)部分包括氣缸3，氣缸6、7、10。各部分均采用輕巧、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保材料制作而成。各單元的運(yùn)動(dòng)由電氣動(dòng)系統(tǒng)加以控制，以實(shí)現(xiàn)底座的旋轉(zhuǎn)、大臂和小臂伸縮及鏟斗的抓放等預(yù)定動(dòng)作。

該挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)有14個(gè)活動(dòng)構(gòu)件其中低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副）個(gè)數(shù)為19個(gè)，高副個(gè)數(shù)為零，因此該機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，其中，，。得：。

所以該機(jī)構(gòu)需要四個(gè)動(dòng)力來(lái)源，因此我們選擇四個(gè)氣缸。

2 傳動(dòng)挖掘機(jī)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

此作品的一大特點(diǎn)在于大臂，小臂，末端之間動(dòng)作的流暢與穩(wěn)定，因此只有設(shè)計(jì)好各機(jī)構(gòu)的尺寸，才能完美實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的整個(gè)動(dòng)作[2]。

（1）大臂尺寸：根據(jù)挖掘機(jī)大臂主流外形以及滿足氣壓缸行程及其基本尺寸的要求，我們將大臂設(shè)計(jì)為半徑為280mm，圓心角為75°，厚度為40mm的彎桿，并在適當(dāng)?shù)奈恢昧舫鲞B接孔。

（2）小臂尺寸：根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)尺寸要求和氣壓缸行程需求以及工作強(qiáng)度的要求，我們將小臂設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度為324mm，厚度為20mm的直桿。

（3）挖斗尺寸：根據(jù)挖掘機(jī)整體尺寸的協(xié)調(diào)以及外形的美觀及工作需求，挖斗設(shè)計(jì)下面工程圖以給出。

（4）連接件尺寸：為了使大臂及氣壓缸與底座實(shí)現(xiàn)連接，根據(jù)三角形的穩(wěn)定性好。我們?cè)诘鬃习惭b一個(gè)底邊為30mm，高為30mm的等腰三角形連接件。

2.2 底座運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

如圖2已知桿、分別代表氣壓缸伸出和縮回的長(zhǎng)度，、代表底座圓盤半徑R，AC代表氣缸固定端到圓盤圓心的距離。

所以最大擺角=∠ACBˊ-∠ACB=45°

2.3 挖斗運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

運(yùn)動(dòng)類似于圖3四連桿運(yùn)動(dòng)，滿足“（最短AB+最長(zhǎng)AC） ﹤（其它兩桿長(zhǎng)度之和）”[2-4]，為雙曲柄機(jī)構(gòu)，相對(duì)桿AB固定，桿AC左右擺動(dòng)，通過(guò)連桿CD推動(dòng)桿BD左右擺動(dòng)，從而促使末端伸縮。

已知桿AC是通過(guò)氣缸伸縮，實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，從而推動(dòng)挖斗的伸縮。

BD代表氣壓缸回程過(guò)程中帶動(dòng)挖斗伸直時(shí)位置（圖3），代表氣壓缸從伸出過(guò)程中推動(dòng)挖斗轉(zhuǎn)動(dòng)的最大行程角度。

由已知條件可知：AB=3.5cm，AC=6.0cm，CD=5.5cm，BD=4.0cm，BC=7.5cm，=3.4cm

3 總結(jié)

本篇論文針對(duì)挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用CAD軟件會(huì)出機(jī)構(gòu)二維圖，并且進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)利用Solidworks對(duì)三維模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們理論分析一致，設(shè)計(jì)過(guò)程完全符合要求，同時(shí)該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)理念獨(dú)特，樣式新穎，有效的結(jié)合課堂教學(xué)，將PLC控制、氣壓傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)、控制法工作原理從抽象化轉(zhuǎn)變具體化，不僅幫助學(xué)生理解知識(shí)，更可以調(diào)動(dòng)其積極性。

（2）將工程實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化為迷你教具模型，易于學(xué)生理解液壓與氣壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特點(diǎn)。

（3）結(jié)構(gòu)巧妙，造型美觀，采用環(huán)保材料制作，性價(jià)比高，易于實(shí)現(xiàn)科研成果的轉(zhuǎn)化。

（4）可作為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，今后給其加配PLC控制[5-8]或單片機(jī)組件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2007.

[3]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]孫桓，陳作模，葛文杰.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編[M].北京：高等教育出版社，2006（05）.

[5]陽(yáng)險(xiǎn)峰.三菱FX系列PLC[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[6]徐福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7]李金城.三菱PLC功能指令應(yīng)用詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[8]向曉漢.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：王新海（1989-），男，江西九江人，學(xué)士，助教，主要從事機(jī)械制造研究。