一种多示教板集成式示教台设计

2020-03-22刘新磊刘祥栋葛庆欣

机械工程与自动化 2020年1期

刘新磊，刘祥栋，葛庆欣，姜鑫

（山东交通学院，山东济南 250300）

0 引言

随着高等教育的快速发展，高等院校越来越重视实验教学以及实验室的建设，实验教学设备数量急剧增加，实验室将会面临设备需求增加与所需占地空间不足的矛盾［1－2］。示教板是实验室中很重要的一类实验教学设备，其购置量较大，所需占地空间也非常大，并且自动化水平较低。因此，示教板类实验教学设备在功能集成以及自动化方面的改进是非常有必要的。

在现有技术中，同一学科的示教板大都是分立的，每一个主题的示教板需要占用一个台架，因此存在占用空间大、所需台架数量多、整体成本较高以及操作不便等缺点。为了解决此类问题，亟需设计一种可将同学科的多个示教板集成在一个台架上的自动化教学设备，以节省占地空间、降低整体成本和简化人工操作步骤。本文设计了一种新型的自动化多示教板集成式示教台。

1 示教台总体结构方案

本多示教板集成式示教台主要由壳体、展示架、存储架、滚筒、主驱动电机、电机驱动器、举升系统、锁紧机构、操控面板、主控制器等部件组成，其外观和内部结构分别如图1、图2所示。

图1 示教台整体外观

示教台壳体中设计有一个旋转滚筒，该滚筒外周均匀分布2个以上用来滑动安装示教板的存储架，有利于集成多个示教板，图1中的示教台设计有4个存储架。在壳体上表面设计有一个操控面板，其主要功能为接收用户选择的指令，并向主控制器发送信号。当用户在操控面板上选择好需要展示的目标示教板时，主控制器将对操控面板发送的信号进行解析和运算，并向主驱动系统和举升系统发送控制指令。主驱动系统驱动与之相连的滚筒旋转一定角度，将目标示教板旋转至滚筒上侧并保持竖直状态。举升系统安装在每个存储架上，用来根据主控制器的指令将示教板举升至展示架中或从展示架上降至存储架中。

图2 示教台内部结构

2 举升系统设计

举升系统由举升电机、举升电机驱动器、齿轮齿条机构构成。举升电机与举升电机驱动器安装在示教板存储架上，举升电机驱动器根据主控制器发出的指令控制驱动电机旋转，带动齿轮齿条机构的齿轮，齿轮与固定在示教板背面的齿条相互啮合［3－4］。当齿轮在举升电机的驱动下旋转时，示教板可以在存储架和展示架中上下移动。示教板举升过程如图3所示。

3 锁紧机构设计

锁紧机构如图4所示，主要由盒体、锁舌、电磁铁、限位片、弹簧和两个导电弹片等部件组成，安装在存储架背面，与举升系统同侧。

图3 示教板举升过程示意图

图4 锁紧机构结构示意图

锁紧机构盒体的一侧设有滑孔，滑孔内安装了一个楔形锁舌，锁舌一侧连接一限位杆，限位杆安装有一个作为吸盘的圆形铁片。锁舌通过一个螺旋弹簧压紧在限位片与盒体内壁之间。在与铁片相对的盒体内壁上设计有一个电磁铁，当电磁铁线圈通电时，就可以吸引锁舌向电磁铁滑动；当电磁铁线圈断电时，锁舌在弹簧的作用下向示教板一侧滑动直到铁片被限位片挡住。

在盒体内还设计有导电弹片A和导电弹片B，两导电弹片相邻并且平行设置；弹片A的固定端连接控制器I／O端口，且该I／O端口初始值设置为高电平，而弹片B固定端接地；两弹片的自由端均位于锁舌与铁片之间，当锁舌向电磁铁方向移动时其凸起部位将弹片B的自由端压向弹片A进而使两者接触，控制器I／O端口电平状态发生变化，由此控制器可判断锁舌位置发生变化。

示教板上设置有两个锁止孔，分别为上锁止孔和下锁止孔，如图3所示。当锁舌插在示教板的下锁止孔内时，示教板的展示区将被固定在展示架内；当锁舌插在上锁止孔内时，示教板将被固定在储架内。为了防止示教板在存储架和展示架中晃动，将插入示教板的一端设计成楔形，在弹簧的作用下可以将示教板进行自适应锁紧。

4 控制逻辑

为了便于选取示教板，对存储架和示教板顺次进行编号，并且两者同编号。假设滚筒初始位置为1号示教板位于滚筒上部且处于竖直状态，其控制流程如图5所示。

假设n号示教板被用户选中，主控制器首先判断当前滚筒位置是否在初始位置，如果处于初始位置，再次判断示教板是否已升起，如果没有升起，启动举升电机使n号示教板上升；如果已经升起处于展示架中，则无需任何动作。如果n号示教板没有处于初始位置，则先判断有无示教板在举升状态，如果当前状态有示教板处于举升状态而位于展示架中，则需先降下该示教板；如果没有任何示教板处于举升状态，主驱动系统则旋转α角度。滚筒的旋转角度按如下公式进行计算：