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[摘 要]大学生课外科技活动，灵活运用多种机械原理机构有效提高学生的设计能力，设计完成一种双向自动爬管（杆）装置，可以在该装置中巧妙运用变异曲柄滑块机构、刹车机构和交替卡紧机构等多种机械原理机构。装置总体构思巧妙，仅通过控制电机正反转即可实现装置在管（杆）上的双向运动，并实现交替卡住机架和上爪的刹车等操作，是一种很好的管道或杆件检测、清洁、维护等操作工具。
[关键词]机械原理；机构；爬管装置；曲柄滑块；刹车块结构
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0128-02
机械原理课程设计是高等学校机械类专业学生在《机械原理》课程理论教学完成后进行的一项重要的综合性实践教学训练活动。学生通过机械原理课程设计可以进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，培养学生机械系统运动方案设计能力、解决实际问题的能力以及机械开发创新能力。在设计题目的设置时，摒弃了由授课教师独立确定题目的“一言堂”做法，教师、学生、家长共同参与题目设定，并与实践紧密结合。机械原理课程设计题目由三部分组成：（1）封闭式题目——教师命题，保留多年来的经典设计题目并作适当扩展；（2）半开放式题目——结合学科竞赛、教师科研项目等实际需求，教师、学生共同提出项目功能目标，设定成果方式；（3）开放式题目——主要由学生自主选题确定。学生自主选题主要考虑学生以及家庭研究渊源，学生长期感兴趣、有一定研究积累的特长，家长在特定领域研究成果的拓展等。
将机械原理课程设计与大学生课外科技训练相结合，教师指导学生依据兴趣选题，充分调动社会、家庭参与研究训练的积极性，题目采用学生自选和教师指定相结合的原则，具有学生感兴趣的诸多因素。如双向管道爬行装置的设计与制作、糕点切片机的设计与制作、具有逃生功能自动窗的设计与制作等。
在双向管道爬行装置的设计与制作中，学生首先对该装置的实际运用进行了深入的调研。发现工程实际中存在大量的管道或者杆状的结构，对于它们的维护、监测、清洁的手段相对比较落后，基本靠人力手工完成。如能设计一种在管（杆）状结构上自动灵活双向移动的装置，实现方便、快捷、平稳的爬动，将非常必要，而且可将该装置作为一个平台，整合在其他的装置上完成所需的既定动作，在生产生活实际工作中将扮演多种运送机械手的重要角色。
一、爬管（杆）装置总体设计思路
为了实现装置在管上自由爬动，而且运行平稳安全，结合机械原理已知各个运动机构，最终选择变异曲柄滑块机构为主体爬行机构，而锁紧机构确定为转动的刹车橡胶块机构，具体结构示意图如图1所示。
在图1变异曲柄滑块主体机构中，A为装置工作时依附的管（杆）构件，B为上爪，套在管A上，C为连杆，连接上爪和曲柄，D为电机驱动的曲柄，可以整周转动，安装在机架上。E为滑动摆杆，能在曲柄的带动下左右摆动，F为机架，可套在管A上。
电机驱动曲柄D，在曲柄D驱动下，滑块机构能实现装置在管构件上的上下爬动的要求，而锁紧机构则整合在上爪B和机架F上，实现上爪和机架的交替锁紧，从而达到设计目的。
二、变异曲柄滑块机构的设计
根据设计要求，所爬的管（杆）机构直径在50～100mm范围内，其余各运动机构的尺寸均按该要求设计。根据实际装置的尺寸，计算选择曲柄D的长度为Ld=100mm，曲柄D与连杆C的尺寸比设计为1∶3，故连杆Lc=300mm，摆杆E设计为与连杆C等长，即摇摆LE=300mm。为确保装置在管（杆）构件上平稳运行，选择其平均爬行速度为v=10mm / s，曲柄转动一周装置爬行400mm，用时40s，所以曲柄角速度ω=1.5r / min。图2为设计完成的装置整体三维模拟图。
如图2所示，工作时驱动电机安装在机架F上，随着电机运动带动曲柄D转动，当机架F夹紧时，曲柄D转动带动连杆C的上爪B移动；当上抓B加紧时，曲柄D转动时可带动连杆C及机架F移动。这样上爪B与机架F交替加紧、移动，可以完成装置在管（杆）上的平稳滑动。
为保证装置能够具有一定负重，并且在管（杆）构件上平稳滑动，如图3、图4所示，上爪B和机架F均由三个可调滑轮G压紧在装置依附的管道上。
三、转动刹车块结构的设计
为保证上抓B和机架F能够平稳、连续交替夹紧管（杆）构件，特别设计制作了用于夹紧的转动刹车块结构，如图5所示。
如图5所示转动刹车块设计成中间凹状结构，便于箍紧管（杆）构件，为有效增大摩擦阻力，材料可选用橡胶等非金属材料。作为装置的关键零件，运动时刹车块结构转到一定位置时能保证在管（杆）构件上卡紧上爪B或机架F，从而达到装置交替爬动的目的。
结合上述讨论的变异曲柄滑块机构设计，如图6、图7所示为转动刹车块结构工作原理示意图。在图6中曲柄D转动，连杆C随之摆动，刹车块H与连杆C固连，所以刹车块H也能随着连杆C转动，此时由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置时带动上爪B卡紧在管（杆）上。
同理，如图7所示，曲柄转动D，滑动摆杆E随之摆动，刹车块H与摆杆E固连，刹车块H也随摆杆E转动，由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置下带动机架F卡紧在管（杆）上。图8、9、10、11为刹车块工作状态示意图。
以装置上行为例，当机架F上的滑动摆杆E带动刹车块转到图8位置时，刹车块把机架F卡紧在管（杆）上，此时上爪B刹车块处于松开状态如图9所示，由于电机转动，连杆会推动上爪B向上移动；而当机架F刹车块转到图10位置松开时，上爪B刹车块则转到图11位置卡紧状态，电机转动此时会拉动机架F向上移动，这种周而复始的运动，完成整个装置沿管（杆）稳步上行。只要改变电机转向，装置可实现平稳下行，装置下行原理相同。
由于刹车块是橡胶材料，加工方便，其工作时靠摩擦力来锁紧上爪B或者机架F，所以其尺寸需要根据工作依附面的具体情况来选材及设计尺寸。
四、结论
双向自动爬管（杆）装置，主要由曲柄、连杆、滑动摆杆、上爪、机架、电机、销钉、螺栓、螺母、刹车块、滑轮零部件组成。电机带动曲柄滑块装置运行，并通过整合在其上的刹车块的转动，上爪和机架交替卡紧，从而使得装置实现上爬或下爬。整个机构设计独特，构思巧妙，能最安全便捷的实现在管状物体上的平稳移动，为工程中的管道检测维护实现自动化提供了一个很好的平台。
通过理论与实践教学活动、课外科技活动、科学研究等途径，在指导学生深入学习理论知识的前提下，将教学与大学生课外科技活动有机结合，通过项目驱动的方法贯穿始终，使学生受益匪浅。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 申永胜.机械原理教程[M].北京：清华大学出版社，2006：50-120.
[2] 韩晓娟.机械设计课程设计[M].北京：机械工业出版社，2006：20-100.
[3] 紧固件连接设计手册[M].北京：国防工业出版社，2008：10-150.
[4] 蒲良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2015：10-220.
[5] 陆凤仪.机械设计[M].北京：机械工业出版社，2011：30-100.
[6] 江洪.Solidworks动画演示与运动分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2006：10-140.
[7] 杨魏.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2012：20-190.
[8] 蔡晓君，傅水根，窦艳涛.依托教学实验基地构建工程实践教学新体系[J].实验技术与管理，2007（9）：125-127.
[9] 蔡晓君，刘湘晨，窦艳涛.加强实践教育 提高学生的工程素质与能力[J].实验室研究与探索，2009（1）：136-138.
[责任编辑：张 雷]
[关键词]机械原理；机构；爬管装置；曲柄滑块；刹车块结构
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0128-02
机械原理课程设计是高等学校机械类专业学生在《机械原理》课程理论教学完成后进行的一项重要的综合性实践教学训练活动。学生通过机械原理课程设计可以进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，培养学生机械系统运动方案设计能力、解决实际问题的能力以及机械开发创新能力。在设计题目的设置时，摒弃了由授课教师独立确定题目的“一言堂”做法，教师、学生、家长共同参与题目设定，并与实践紧密结合。机械原理课程设计题目由三部分组成：（1）封闭式题目——教师命题，保留多年来的经典设计题目并作适当扩展；（2）半开放式题目——结合学科竞赛、教师科研项目等实际需求，教师、学生共同提出项目功能目标，设定成果方式；（3）开放式题目——主要由学生自主选题确定。学生自主选题主要考虑学生以及家庭研究渊源，学生长期感兴趣、有一定研究积累的特长，家长在特定领域研究成果的拓展等。
将机械原理课程设计与大学生课外科技训练相结合，教师指导学生依据兴趣选题，充分调动社会、家庭参与研究训练的积极性，题目采用学生自选和教师指定相结合的原则，具有学生感兴趣的诸多因素。如双向管道爬行装置的设计与制作、糕点切片机的设计与制作、具有逃生功能自动窗的设计与制作等。
在双向管道爬行装置的设计与制作中，学生首先对该装置的实际运用进行了深入的调研。发现工程实际中存在大量的管道或者杆状的结构，对于它们的维护、监测、清洁的手段相对比较落后，基本靠人力手工完成。如能设计一种在管（杆）状结构上自动灵活双向移动的装置，实现方便、快捷、平稳的爬动，将非常必要，而且可将该装置作为一个平台，整合在其他的装置上完成所需的既定动作，在生产生活实际工作中将扮演多种运送机械手的重要角色。
一、爬管（杆）装置总体设计思路
为了实现装置在管上自由爬动，而且运行平稳安全，结合机械原理已知各个运动机构，最终选择变异曲柄滑块机构为主体爬行机构，而锁紧机构确定为转动的刹车橡胶块机构，具体结构示意图如图1所示。
在图1变异曲柄滑块主体机构中，A为装置工作时依附的管（杆）构件，B为上爪，套在管A上，C为连杆，连接上爪和曲柄，D为电机驱动的曲柄，可以整周转动，安装在机架上。E为滑动摆杆，能在曲柄的带动下左右摆动，F为机架，可套在管A上。
电机驱动曲柄D，在曲柄D驱动下，滑块机构能实现装置在管构件上的上下爬动的要求，而锁紧机构则整合在上爪B和机架F上，实现上爪和机架的交替锁紧，从而达到设计目的。
二、变异曲柄滑块机构的设计
根据设计要求，所爬的管（杆）机构直径在50～100mm范围内，其余各运动机构的尺寸均按该要求设计。根据实际装置的尺寸，计算选择曲柄D的长度为Ld=100mm，曲柄D与连杆C的尺寸比设计为1∶3，故连杆Lc=300mm，摆杆E设计为与连杆C等长，即摇摆LE=300mm。为确保装置在管（杆）构件上平稳运行，选择其平均爬行速度为v=10mm / s，曲柄转动一周装置爬行400mm，用时40s，所以曲柄角速度ω=1.5r / min。图2为设计完成的装置整体三维模拟图。
如图2所示，工作时驱动电机安装在机架F上，随着电机运动带动曲柄D转动，当机架F夹紧时，曲柄D转动带动连杆C的上爪B移动；当上抓B加紧时，曲柄D转动时可带动连杆C及机架F移动。这样上爪B与机架F交替加紧、移动，可以完成装置在管（杆）上的平稳滑动。
为保证装置能够具有一定负重，并且在管（杆）构件上平稳滑动，如图3、图4所示，上爪B和机架F均由三个可调滑轮G压紧在装置依附的管道上。
三、转动刹车块结构的设计
为保证上抓B和机架F能够平稳、连续交替夹紧管（杆）构件，特别设计制作了用于夹紧的转动刹车块结构，如图5所示。
如图5所示转动刹车块设计成中间凹状结构，便于箍紧管（杆）构件，为有效增大摩擦阻力，材料可选用橡胶等非金属材料。作为装置的关键零件，运动时刹车块结构转到一定位置时能保证在管（杆）构件上卡紧上爪B或机架F，从而达到装置交替爬动的目的。
结合上述讨论的变异曲柄滑块机构设计，如图6、图7所示为转动刹车块结构工作原理示意图。在图6中曲柄D转动，连杆C随之摆动，刹车块H与连杆C固连，所以刹车块H也能随着连杆C转动，此时由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置时带动上爪B卡紧在管（杆）上。
同理，如图7所示，曲柄转动D，滑动摆杆E随之摆动，刹车块H与摆杆E固连，刹车块H也随摆杆E转动，由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置下带动机架F卡紧在管（杆）上。图8、9、10、11为刹车块工作状态示意图。
以装置上行为例，当机架F上的滑动摆杆E带动刹车块转到图8位置时，刹车块把机架F卡紧在管（杆）上，此时上爪B刹车块处于松开状态如图9所示，由于电机转动，连杆会推动上爪B向上移动；而当机架F刹车块转到图10位置松开时，上爪B刹车块则转到图11位置卡紧状态，电机转动此时会拉动机架F向上移动，这种周而复始的运动，完成整个装置沿管（杆）稳步上行。只要改变电机转向，装置可实现平稳下行，装置下行原理相同。
由于刹车块是橡胶材料，加工方便，其工作时靠摩擦力来锁紧上爪B或者机架F，所以其尺寸需要根据工作依附面的具体情况来选材及设计尺寸。
四、结论
双向自动爬管（杆）装置，主要由曲柄、连杆、滑动摆杆、上爪、机架、电机、销钉、螺栓、螺母、刹车块、滑轮零部件组成。电机带动曲柄滑块装置运行，并通过整合在其上的刹车块的转动，上爪和机架交替卡紧，从而使得装置实现上爬或下爬。整个机构设计独特，构思巧妙，能最安全便捷的实现在管状物体上的平稳移动，为工程中的管道检测维护实现自动化提供了一个很好的平台。
通过理论与实践教学活动、课外科技活动、科学研究等途径，在指导学生深入学习理论知识的前提下，将教学与大学生课外科技活动有机结合，通过项目驱动的方法贯穿始终，使学生受益匪浅。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 申永胜.机械原理教程[M].北京：清华大学出版社，2006：50-120.
[2] 韩晓娟.机械设计课程设计[M].北京：机械工业出版社，2006：20-100.
[3] 紧固件连接设计手册[M].北京：国防工业出版社，2008：10-150.
[4] 蒲良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2015：10-220.
[5] 陆凤仪.机械设计[M].北京：机械工业出版社，2011：30-100.
[6] 江洪.Solidworks动画演示与运动分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2006：10-140.
[7] 杨魏.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2012：20-190.
[8] 蔡晓君，傅水根，窦艳涛.依托教学实验基地构建工程实践教学新体系[J].实验技术与管理，2007（9）：125-127.
[9] 蔡晓君，刘湘晨，窦艳涛.加强实践教育 提高学生的工程素质与能力[J].实验室研究与探索，2009（1）：136-138.
[责任编辑：张 雷]