基于三维建模教具设计的可行性

周振伟 单振杰

摘  要：本课题的主要任务是设计用于高等院校机械设计和机械原理等机械专业课课堂的辅助教学用具。该三球仪教学用具可用于课堂教学，它能演示关于太阳、地球、月球三者空间的相互运动关系，地球的自转公转所引起的昼夜长短的变化、月食、日食等自然现象，可以把抽象和难以理解的地理知识转变成直观形象的动态画面，并可以让学生亲自操作，帮助学生更好地理解天文现象。三球仪教学用具既能实现手动运行也能实现电动运行，通过建模、制造、装配等过程，三球仪教学用具基本满足在课堂教学中进行演示操作。

关键词：教学用具  三球仪  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

隨着社会经济的不断提高，科技水平的不断发展，学校教育的方式在不断的改革中变得多样化和与时俱进，促进教育设备数量日益增多，教育设备的种类也日渐完善，从大学公开课使用的投影仪到教育专业课所使用的机械结构教具等，教学辅助用具的使用已经普及了整个教学过程，因为在课堂上讲授某一方面知识的时候运用相应教具辅助教学能够将教学内容形象化、具体化和直观感受更加清晰生动，课堂的气氛会更加活跃，更加容易吸引学生在上课时注意力，提升学生在课堂中的听课状态，通过教具演示的同时能让学生更加容易地吸收消化所讲授的知识，加深对知识点本质的理解和认识，提高课堂教学内容输出的有效性。

1  绪论

1.1 国内外研究现状

高校机械设计、机械原理等课程是机械专业类学生必学的课程，说明它在整个知识结构中处于重要的组成部分，而机械类课程带有很多抽象的知识，在学习中需要学生有良好的空间想象能力和逻辑能力等，对正处于初级阶段的大学生而言，这类的抽象知识在学习的过程中是比较难掌握的。目前市场上比较成熟和推广宣传比较好的的三球仪有两类。如图1所示，第一类是闭式的飞碟型三球仪;如图2所示，第二类是开式的光照型三球仪。闭式飞碟型三球仪利用有昼夜暗明的球体，内套一个地球仪，借此来显示地球运行中的天文现象，但由于在技术上利用外透明球套地球仪，部分主要结构只能在球内演示，因而限制了该仪器运动时观看的放大，使三球仪演示的可见度受到影响，而且该三球仪演示时必须将在教育体与底座分离，才能清晰地展示，同时不能正确演示正午太阳高度的变化，也不能演示恒星日和太阳日的形成，以及时差和推算天文现象。该三球仪演示效果一般且传动装置复杂，故障多，不易维修。开式光照型三球仪利用灯光模拟太阳光，以灯光造影的方法来显示地球运行中的天文现象，由于依赖于灯光造影，容易造成晨昏线显示不清楚，不能进行教学讲解，更不能演示出正午太阳高度的变化，以及恒星日和太阳日的形成等，而且还要受到电源的限制。

1.2 现有三球仪教学用具的对比分析

目前，市场上比较占领市场份额的三球仪有两种，分别是飞碟型三球仪和光照型三球仪，教学辅助用具是为了让学生在课堂学习中更加容易的接收所讲授的知识的内容重点。以下从市场的两类三球仪与本课题三球仪的价格、体积的大小、传动方式、结构设计和可见度等方面对比所存在的问题与是否适合普及各校作一个对比。学校选用教学辅助用具更加应该选择价格便宜、体积小、能提高学生人数平均持有教学辅助教具的数量，并且三球仪的结构要简单紧凑，维修难度小，观看舒适度适宜，在使用上既能手动控制也能转换成电动控制，提升学生的课堂中的操作体验，增强学生对老师讲授知识的理解。如表1所示为三球仪多方面指标的对比。

2  总体设计方案

2.1 设计构想

三球仪教具的驱动方式有两种，一种是手动驱动，另一种是电机驱动，两种驱动方式可以通过机械结构的运动实现相互转换。通过多级齿轮的啮合传动和传动比的转变使地球能够实现环绕太阳公转1圈，地球自转365圈。地球自转36圈的同时月球环绕地球公转1圈，能够演示关于太阳、地球、月球三者空间的相互运动关系，而且地球的自转和公转所引起的一系列自然现象，可以通过光照和图标显示直观地体现在观看者眼前。

2.2 运动原理

如图3所示，动力输出分为手动驱动和电机驱动两种方式，三球仪教学用具常态之下是锥齿轮1与锥齿轮2进行啮合，左边为手动驱动方式，当转动手轮时，同过锥齿轮的啮合可以把动力传递给主传动轴。右边为电机驱动，当需要从手动驱动方式切换成电机驱动方式之前，电机应处于通电状态并且慢速转动，这时需要把手輪向左拉动，拉动的距离为锥齿轮3与锥齿轮2正好啮合处为适当，而锥齿轮1和锥齿轮2是处于分离的状态，同时对手轮的位置进行限制和固定，之后通过锥齿轮2和锥齿轮3的相互啮合，把力传递给主传动轴。

当动力传递到主传动轴时，主传动轴带动主动带轮转动，主动带轮通过利用带轮和传动带的摩擦或啮合作用将动力通过传送带传递给从动带轮，再通过从动带轮带动小传动轴转动将动力传动到各级齿轮，实现地球既可以自转还会绕太阳公转，而月球会绕地球公转。当从动带轮经过小传动轴把动力传递给主动齿轮，这时大齿轮固定不动，主动齿轮一方面环绕大齿轮整周旋转运动，另一方面主动齿轮把动力经过惰轮传递给从动齿轮，经过多级传动比的变化把动力传递到地球，这时地球除了自身的旋转之外还可以环绕太阳整周公转。月球固定在从动齿轮上，因而月球可以绕地球整周公转，实现太阳、地球、月球三者之间的运动关系。

2.3 机械机构方案选用

2.3.1 传动方式的选择

三球仪教学用具可用于大学机械原理、机械设计等专业课课堂的辅助教学用具，所以结构的设计必须简单紧凑，美观易拿，好操作。在相对运动的过程中，地球本身的自转和地球绕太阳公转的传动比相差比较大，所以三球仪在运行的过程中适合低转速、低载荷的工作环境，而且两轴相距较远，课堂环境应该保持安静没杂音，通过以上的条件和分析，适宜选择带传动作为此部分机构的传动方式。

为保证太阳、地球、月球三者之间的运动有精确的传动比，齿轮具有效率高、传动比准确、传动稳定等优点，所以适宜采用齿轮传动设计此部分机构。

2.3.2 滑动轨道的选择

直线导轨的钢珠与轨道是线接触，一般调整到过盈配合，没有间隙，寿命极长。对整体尺寸设计偏大、结构不够紧凑、分析优缺点得出手动驱动和电机驱动的切换机构选用直线导轨更为合理。

2.4 电动机的选型

设计三球仪教学用具中的太阳、地球、月亮之间的运动关系为地球绕太阳每分钟转1圈，地球每分钟自转365圈，月球绕地球公转10圈。根据齿轮传动比之间的关系，可得：电机每分钟需转5圈。由于传动比大，转速低，故本课题选用大扭矩低转速的蜗轮蜗杆电机。

该机械设备所需工作功率比较小。为让工作载荷平稳，选取电动机系列为Ts系列，查询资料后选取Ts-40GZ868-505型号涡轮蜗杆减速电机，具体参数数据如表2。

3  装配制造

3.1 齿轮的加工

在零件加工的工程中以直齿齿轮为例。辅助加工软件使用MastercamX5版本。首先在UG软件中建立三维立体模型，把齿轮的三维立体模型从UG中导出STP格式，接着导入MastercamX5。

3.2 驱动结构的部件装配

机械装配是按规定的精度和技术要求，将构成机器的零件组合成部件和产品的过程。装配是机器制造中的后期工作，是决定产品质量的关键环节。

第一步：对所有涉及到装配的零件进行清洗干净。

第二步：所有的零件连接采用螺栓连接。

第三步：对连接好的部件进行校正以及调整，严格要求各部件之间的装配要求，保证相互位置精度，相互运动精度，相互配合精度等。

为了保证机器的装配精度，保证机器能正常顺畅地运行，轴承座与直线轴承之间的同轴度精度必须达到0.03mm，太松会有间隙，运动不精确，太紧则可能导致运行困难的问题。

4  结论

本课题设计的三球仪教学用具模型主要用于教学演示，在此基础上进行了三球仪教学用具的制作与运动的实现，经过本次对三球仪教学用具的设计及制作，现将工作总结如下：

（1）完成了三球仪教学用具知识的收集，并对市场上多款三球仪教学用具进行对比分析各自的优缺点，初步了解了三球仪的工作原理;

（2）设计三球仪教学用具的传动机构，在设计过程中，首先根据三球仪要实现的功能与太阳、地球、月球三者旋转的扭矩确定所需电机的型号，采用12V直流减速电机，然后根据每个轴所承受的载荷确定轴承以及联轴器的型号，直线滑轨采用MGN12C型号等，通过载荷计算，齿轮的强度校核及价格方面的考虑，该三球仪教学用具能实现设计的目的;

（3）在UG中对三球仪教学用具各部件建模、装配。

参考文献

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