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机构动力车与四连杆课纲(增订中)

2015-12-25  EasyBot
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲
机构动力车集团军

01.平面连杆机构

  • 平面连杆机构定义:由若干构件通过低副(铰链或滑道)连接而成的机构,又称为低副机构。因构件形状多呈杆状,所以称连杆机构。所有构件的运动均平行于某一平面的连杆机构,即为平面连杆机构。而具有四个构件(包括机架)的平面连杆机构,称为平面四杆机构。
  • 平面连杆机构的特点:(1)能够进行多种运动形式的转换;(2)构件之间连接处是面接触,单位面积上的压力较小,磨损较慢,可以承受较大载荷;(3)两构件接触表面是圆柱面或平面,制造容易;(4)连接处的间隙造成的积累误差较大;(5)连杆机构运动时产生惯性力,不适用于高速场合。

02.机构动力车

  • 運用制式积木创新一种教学载体的动力车,并在此积木式动力车里头集中探讨机构设计的议题,首先把想要开发的全系列车款的底盘统一为一个平台,运用平台化、现代化、系列化、标准化与模块化先进技术,则同样底盘的多款式动力车,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,如此便能让每款车运行机制的机构设计方面能有所不同,进而能对接机械原理的机构设计,希望每个新发款作品都能够善用平台、除去装饰、专注机构、强化设计、加速学习,如能这样就非常值得供人研究与学习,并为此新期许的新机种,特创新设计并统称为「机构动力车」。例如,其动力来源可以是橡皮筋、压气罐、水火箭等等,还可以把YouTube影片《达文西铁匠》里特有蜗牛凸轮的机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【蜗牛凸轮机构动力车】,可充当物理、人文、科技、机械、历史等综合性的学习范例,市面上还没见过有这样运用蜗牛凸轮的玩具动力车。不要小看了积木,它还能协助研究指南车在物理学中几何相位的应用[1],其中是运用积木制作的指南车进行二维的高斯-博内公式(Gauss- Bonnet Formula)的一个操作式证明[1],由此可见,用机构动力车学习机构设计并非难事。

03.铰链四杆机构

  • 铰链四杆机构定义:当构件间全部用转动副(铰链)相连接的平面四杆机构,即为铰链四杆机构。铰链四杆机构是平面四杆机构的基本型式,其它型式的四杆机构,都可看成是在它的基础上通过演化而成的。
  • 曲柄摇杆机构:四连杆机构中,一连杆绕固定轴做旋转运动者为曲柄,一连杆绕固定轴做摇摆运动者为摇杆,称为曲柄摇杆机构。而用以连接曲柄与摇杆而传达相互间之运动之杆称为浮杆。连接两固定中心之线称为连心线或机架。
  • 双曲柄机构:铰链四杆机构中,若两个连架杆均为曲柄,则此四杆机构称为双曲柄机构。
  • 双摇杆机构:铰链四杆机构中,若两个连架杆均为摇杆,则此四杆机构称为双摇杆机构。

04.将铰链四杆机构设计到机构动力车里

  • 铰链四杆机构是平面四杆机构的基本型式,根据连架杆能否成为曲柄,铰链四杆机构可分为三种基本形式:曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构,将这些创新融入设计到动力车里,就成了铰链四杆机构教学载体的机构动力车,提供「做中学」与「玩中悟」的体验式学习环境。
  • 曲柄摇杆机构动力车:把曲柄摇杆机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了曲柄摇杆机构动力车,请参考博文【磕头机】。
  • 双曲柄机构动力车比赛终点站:把平行双曲柄机构,创新设计融入到动力车比赛终点站里头,就成了平行双曲柄机构动力车比赛终点站,请参考博文【黑白配】。
  • 双摇杆机构动力车:把双摇杆机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了双摇杆机构动力车,请参考博文【四连杆与义肢】。

05.平面四杆机构的演化

铰链四杆机构是四杆机构的基本形式,其它的一些常用四杆机构可以认为是由铰链四杆机构通过某些方法演化而来的。在平面四杆机构中,除了上述三种基本形式的铰链四杆机构之外,在实际中还广泛采用其他形式的四杆机构。这些四杆机构可以认为是通过改变某些构件的形状、改变构件的相对长度、改变某些运动副的尺寸、或者选择不同的构件作为机架等方法,由四杆机构的基本型式演化而成的。

06.将平面四杆机构的演化设计到机构动力车里

如曲柄滑块机构通过选取不同构件为机架可演化出曲柄摇块机构、移动导杆杆机构、摆动导杆机构、转动导杆机构,并将这些机构创新融入设计到机构动力车里。

曲柄滑块机构动力车
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲

如图示,以AC为机架由曲柄1、连杆2、滑块C组成的平面连杆机构,称为曲柄滑块机构。

把曲柄滑块机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【蒸气火车】博文里的曲柄滑块机构动力车。如左图所示,左边是呈待命状态的曲柄滑块机构动力车图,右边是经触发后动力启动的曲柄滑块机构动力车图。

曲柄摇块机构动力车
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲

将曲柄滑块机构中的构件2换作BC机架,即成为曲柄滑块机构,或称为摆动导杆滑块机构。

把曲柄摇块机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【自卸車】博文里的曲柄摇块机构动力车。如左图所示,左边是呈待命状态的曲柄摇块机构动力车图,右边是经触发后动力启动的曲柄摇块机构动力车图。

移动导杆机构动力车
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲

将曲柄滑块机构中的滑块3换作机架,即成为移动导杆机构。

把移动导杆机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【抽水唧筒】、【真假难辨猜一猜】博文里的曲柄摇块机构动力车。如左图所示,左边是呈待命状态的移动导杆机构动力车图,右边是经触发后动力启动的移动导杆机构动力车图。

摆动导杆机构动力车
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲

将曲柄滑块机构中的构件2换作机架时,即为摆动导杆机构。

把摆动导杆机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【投幣式搖搖馬】博文里的摆动导杆机构构动力车。如左图所示,左边是呈待命状态的摆动导杆机构动力车图,右边是经触发后动力启动的摆动导杆机构动力车图。

转动导杆机构动力车
从零讲:机器-人-机构设计之四连杆课纲

将曲柄滑块机构中的构件1当机架并以构件2为曲柄且构件长L1<L2 时,即为转动导杆机构。

把转动导杆机构,创新设计融入到机构动力车里头,就成了【惠氏急回机构】博文里的转动导杆机构动力车。如左图所示,左边是呈待命状态的转动导杆机构动力车图,右边是经触发后动力启动的转动导杆机构动力车图。



07.特殊设计的机构动力车

  • 三合一设计的机构动力车:为三种启动模式合一设计而的局限创作机构动力车【局限创作】其三合一启动设计共有三种启动法:中间用手下押启动法、前端用旗帜机构下押启动法、尾端让后车冲撞水平碰撞启动法。
  • 整合式设计的机构动力车:这是一套整合式六轮四驱皮筋机构动力车【手抱阴阳鱼】它整合了两台不同的机构动力车,后轮与前轮都有动力,但不同于一般的四驱车,而是先后轮带动,之后再自行切换前轮动力接手带动,其动态展示请参考YouTube影片示范。
  • 分离式设计的机构动力车:这是一台分离式设计概念的机构动力车【思想起】,其动态展示请参考YouTube影片示范。
  • 微缩式设计的机构动力车:这是小巧玲珑的卡丁机构动力车【小巧玲珑】,麻雀虽 小却五脏俱全,其动态展示请参考YouTube影片示范。
  • 飞弹式设计的机构动力车:这台车的设计点子,是模拟德国二战V-1飞弹飞行定距攻击这个机制,实作一台巡航飞弹机构动力车【V-1巡航飞弹】,能出车轮转动一圈半行程后自会出脚飞踢攻击。
  • 李小龙高脚踢机构动力车:这台车利用铰链四杆设计出180度翻转机构,实现了李小龙高脚踢机构动力车【李小龍】。
  • 机构死点活用机构动力车:一般机械作业要避开机构的死点位置,这里却要反其道而行,这台机构死点活用机构动力车【飞机起落架】是利用机构的死点状态对简易飞机轮起落架作业进行仿真。
  • 精简化设计:就是能用更少的材料做更多的事,请参考博文【精简化设计】。
  • 人机界面:就是有关人机界面的客户导向设计理念,请参考博文【人机界面】。

08.连杆机构运动应用于机构动力车

  • 运用连杆机构所产生之运动机构,其中被机构动力车拿来活用的有下列几种:

  • 连杆曲线:于连杆机构任杆件之任一点在机件运动时运行的轨迹,请参考博文【连杆打太极】。
  • 平行运动机构:为两对等边等长之双曲柄机构。其应用常见的有:劳氏天平、平行尺、万能绘图仪等。
  • 比例运动机构:在四连杆平行相等运动机构中任一直在线之三点进行比例运动,请参考博文【缩放绘图机】。
  • 直线运动机构:系指其所发生之直线运动有绝对在一直在线者,请参考博文【直线运动机构】。
  • 近似直线运动机构:系指其所发生之直线运动在一近似直线上者,请参考博文【近似直线运动】、【瓦特连杆】。

09.机构动力车与文学的邂逅

  • 人家是,诗中有画?画中有诗;这里有世界首创:故事里有索引?索引里有故事,把硬机械设计融入到软文学创作里,并将机构设计搬到制式积木动力车平台里上演一出出生动有活力的做中学戏码。由于前头有三十篇机构动力车博文,然而在博客的博文目录选项下一览表所提供的索引功能,总体来讲这种索引略显单调且结构松散,总想着有个另类索引方式,于是突发奇想,从零开始思考,重新与文学的邂逅,将这三十篇博文主题,纳入到新编的三国演义。请点阅新编机构动力车之精简版【微三国演义】,这故事也是个索引系统,索引里又能有另一则故事,不要忘了点取机构动力车博文主题的超链接,开始另一则故事,这可能是世界首创,如有类似手法,烦请告知,不胜感激!

10.风云再起

  • 机构动力车的出行,虽一路颠簸动力阑珊,仍保有着一番使命,试着航向机构设计的金银岛,去寻找一种风云再起的可能。若以拥有世界机关王比赛或游战经验的中小学学生来说,如能延续以玩过机关的心得做为辅助教育的基础,机关要内化于机构里,形成机器系统的一部分,这里已经形成具体的机构动力车,暂且不以书本定义的机构当蓝本,改以系统性解决手法注入到机构设计的学习领域,历经不断的尝试与犯错,也勇于创新,除了好玩,也富有意思。先求玩出成果与兴趣,专注于发现机构设计系统性问题的障碍,并设想提出有趣的解决方案,之后再回头看教课书,收获会更大,这不正是「做中学」与「玩中悟」体验式学习的真谛吗?!应用制式积木学习机构设计,可以省钱又能方便组装,学生还可以人手一套快速学习与验证理论。从未玩过积木机关游戏或比过机关王者,也没关系,因为学做机构动力车并不需要一些基础或背景,只要肯动手用心做,自然能够观念更上层楼,进而能力再上台阶,这不就是牛顿站在巨人肩膀能看更远的境界吗?!


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