小行程平面刨削集成教学系统设计

王俊伟 潘星合 孙同 林恩扬

Wang Junwei Pan Xinghe Sun Tong LinEnyang

杭州电子科技大学 机械设计制造及其自动化

1.设计目的

本课题研发一种以学生为中心的机械原理的教学用具——小行程平面刨削集成教学系统。该系统能够实现平面机构结构展示分析功能，展示机构的设计过程，提供运动和动力分析的载体，在实际切削条件下，能够实现数据感知，实现结构参数变化与动力特性参数变化及加工质量的关联演示。学生可以观察和对比分析调整设计结构参数的影响，加深对知识的理解和感知，进而为优化设计提供方向。

2.基本原理及方法

本课题对刨削主运动系统和进给系统进行了结构设计，通过设计曲柄长度可调节和曲柄回转中心可调节机构，实现了动力特性参数的变化调节。通过工作台的棘轮进给方案，合理地解决了实际切削加工的进刀问题，可以完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。对刨削装置电控系统和数据采集系统进行了设计，安装于小行程平面刨削装置的传感器，为小行程平面刨削装置的动力特性变化感知提供全面的数据支持。将数字孪生技术引入教具设计，能够对不同构件进行基于理论和动态真实数据的演示，学生可以据此给出优化设计方向；可以实现构件尺寸优化设计前后的动力特性数据的对比，给学生以直观感受，提供优异的数据展示效果。

3.主要设计过程或试验过程

1）小行程平面刨削装置动力特性仿真及结构优化设计

对小行程平面刨削装置的国内外研究现状进行调查、分析。对小行程平面刨削装置的主运动模块，结构优化模块进行方案分析，总体结构设计。通过设计曲柄长度可调节，以及曲柄回转中心可调节机构实现动力特性参数的变化调节，学生可以在观察和实际操作的过程中了解机构的运作原理，加深对知识的理解。对小行程平面刨削装置的主运动模块进行动力特性仿真，并以压力角和速度波动为目标，进行了结构的优化设计，学生可以调整结构，对比分析两种结构的变化带来的影响。对各模块进行详细的结构设计，通过仿真来验证结构优化模块的对刨削过程产生的影响。制作机构并进行调试。通过机构的装配与调试，讨论了影响机构稳定刨削的原因。最后，成功搭建了一台小行程平面刨削机构，并且验证其合理性。

2）工作台进给装置的动力性能分析和结构优化设计

以B665 型牛头刨床为参考范例，设计了小行程平面刨削装置和进给系统的结构。通过对连杆进行简化设计，实现了装置体积尽可能小以便于携带的目标。同时，通过对主运动的运动分析和传动结构的设计，实现了进给运动和主切削运动的工作节拍配合展示。采用了曲柄滑块机构、棘轮机构和螺旋机构这些机械基础结构结合的方案作为横向进给方案，实现了结构与知识点紧密联系，便于知识点的直接讲解。此外，对传动机构进行了结构优化，使得棘轮转动更加平稳，连杆装配更加方便。采用了棘轮机构作为间歇进给机构，完成了横向进给量可调的目标。通过工作台的纵向进给方案，合理地解决了实际切削加工让刀难的问题，可以完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。

3）小行程平面刨削装置的动力特性数据采集系统设计与制作

自主研发一套小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统，继而为小行程平面刨削装置的数字孪生系统提供关键部件的位置、速度等信号。小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统主要包括各部分测量传感器、IIC通信、模拟量采集、串口通信、主控芯片。传感器采集到相应的物理量，并输出相应电信号，主控接收到电信号后，上传至上位机，通过滤波、微分，最终获得需要采集的各项动力特性参数，并通过串口发送到上位机，提供给数字孪生系统进行建模同步。小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统的主要信号处理功能包括信号的去噪、计算和数据传输。信号由相应的传感器采集并传送到主控芯片后，通过滤波算法，去除信号中含有的由传感器自身产生的高频噪声和低频噪声，获得相对准确的有用信号。最终通过串口通信，实现与上位机的通信，并由上位机绘制图像，用于与理论值的对比试验。该系统主要基于Arduino-UNO-R3 单片机实现，使用Arduino-IDE编译器进行设计和调试完成。该动力特性参数采集系统实现了对小行程平面刨削装置动力特性参数的采集。与计算机的串口通信可以实现数据在计算机上显示、绘图、存储等功能，为学习机械原理课程的学生提供非常直观、准确的认识，有利于提高机械原理课程的学习效果。

4）小行程平面刨削装置的电控系统设计和数字孪生系统构建

基于工程教育背景，旨在改善机械原理课程教学效果，将数字孪生技术引入教具设计，构建针对机械原理课程的教具——小行程平面刨削装置的数字孪生系统。本课题设计的数字孪生系统基于Visual Studio和Unity两个平台联合开发，主要设计内容为：

（1）基于Visual Studio中的WPF技术完成人机交互层的设计。通过调用Win32 API将Unity程序嵌入WPF中，实现模型展示功能，同步展示虚拟模型的运动。借助WPF中的TextBox控件及Data Binding机制，将后台数据与前端展示层进行绑定，实现结构参数，如曲柄长度、机架高度、摇杆长度的数值展示功能。利用Interactive Data Display开源控件实现线图绘制功能，同步接收传感器采集的数据并绘制相应线图。借助Canvas控件实现机构运动简图绘制功能，同步绘制六杆机构动态运动简图。完成对比分析功能，实现对理论值与实测值的对比分析，实现对前后两次试验间的对比分析。

（2）利用Visual Studio编写C#后台脚本完成数据处理层的设计。通过矢量多边形法对六杆机构进行运动学分析，并转换为C#代码，完成动力特性参数计算，利用微分算法对采集的数据进行处理，计算得到各个构件的速度与加速度，实现数据处理功能。通过串口通信与Socket通信实现数据传输功能，完成各个模块间的数据联通。

（3）利用Unity完成模型驱动层的设计。将Solidworks中建立的模型导入Unity中，通过Unity将C#脚本挂载到构件上，借助C#脚本实现虚拟模型的实时运动。

（4）完成整体桌面应用程序的开发，进行联合调试，并对程序进行了完善。本课题将数字孪生技术应用于工程教具设计中，为工程教具设计提供了一个可行的方向，对提升工程教学质量具有一定的作用。

4.结论

（1）实现了小行程平面刨削机构的总体设计。通过设计曲柄长度可调节和曲柄回转中心可调节机构实现动力特性参数的变化调节，给优化设计提供依据。

（2）实现了横向进给系统和纵向进给系统的机械结构设计。采用了曲柄滑块机构、棘轮机构和螺旋机构等机械原理基本结构作为横向进给方案，实现了结构与知识点紧密联系，完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。

（3）研制了一套小行程平面刨削装置控制系统和动力特性参数测试系统，并为数字孪生系统提供数据支持，同时完成实物的搭建。

（4）完成数字孪生系统人机交互层设计，实现了模型展示功能、结构参数展示功能、性能参数展示功能、机构运动简图绘制功能、运动线图绘制功能和对比分析功能。

5.创新点

（1）设计了一种新型曲柄及机架结构，在可承受切削载荷的条件下实现曲柄长度及曲柄回转中心高度的自由调节，实现急回特性参数调整和传动性能参数调整。

（2）通过工作台的棘轮进给方案，合理地解决了实际切削加工的进刀问题，可以完成对蜡块及类似物块的刨削，提供更真实的应用环境。

（3）构建了控制系统和动力特性参数测试系统，将数字孪生技术引入教具设计，能够对不同构件进行基于理论和动态真实数据的演示，学生可以据此给出优化设计方向。

（4）给出一种连杆机构替代凸轮机构控制棘轮机构的创新设计方法，实现了机构简化，减小了机器的大小。

6.设计图或作品实物图

三维模型如图 1 所示，实物如图 2 所示，数字孪生系统界面如图 3 所示。

高校指导教师：叶红仙，于保华；企业指导教师：张尧 /+e+QYtg6+33/wSPK7pb91OcvIh4hLXUZHeFK97mtdW1FixPbTs/xnwgzQZ1RgVH