资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修2
机器人设计与制作
第二章　机器人的传动机械
第 二 节 齿轮传动和平面连杆机构
教学设计
教学背景
党的二十大明确指出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，开辟发展新领域新赛道，不断塑造发展新动能新优势”。
机器人是20世纪人类的伟大发明，今天，它不仅能够代替人类登陆火星和潜入几千米以下的深海，还可以不知疲倦地工作在各种生产线上，并服务于我们的日常生活。
关于机器人，我国科学家认为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。国际标准化组织认为工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解齿轮和齿轮系传动，能计算简单的齿轮传动比，按照装配图样安装和调试简单的齿轮装置。
2.正确分析常见连杆传动装置的结构及其应用，并根据需求设计和制作简单的连杆装置。
教学内容分析:
机器人是一种能够按照预先设计程序而自动执行工作的机械装置。当前机器人已经大规模地走进工业生产、军事、政府管理、商业应用等领域，它们可以帮助或代替人类完成不同的工作，在各个方面影响着人类的生活。通过本章的学习，让我们来初步了解和认识机器人吧。
机械部分是机器人重要的组成部分，它能通过传动装置，将动力装置产生的运动和力传递到执行装置的移动机构和手爪机构，实现行走和抓取。机器人中的传动装置是机械传动。在各种高新技术飞速发展的今天，我们的日常生活和工农业生产都离不开机械传动。
让我们通过本章的学习来了解和初步掌握机械传动的知识和应用吧。
学情分析:
生活在科技迅猛发展的21世纪，同学们有必要了解一些机器人的知识，因为未来的机器人将对我们的生活和工作产生巨大的影响。
　　自己动手制作机器人是让同学们了解机器人的最好手段。同学们一起进入机器人设计与制作的精彩世界吧。
教学重难点:
了解齿轮和齿轮系传动，能计算简单的齿轮传动比，按照装配图样安装和调试简单的齿轮装置。
正确分析常见连杆传动装置的结构及其应用，并根据需求设计和制作简单的连杆装置。
教学策略:
本节课教学主要由教师通过实物和多媒体手段设置学习情境，并加以引导，让学生在过程中发展学生核心素养、培养实践能力、提升创新意识、开阔认知视野；将自主学习、合作学习、探究学习等多种学习方式渗透进学生的学习和教师的教学当中；不断尝试现代教育技术和方法的运用。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景倒入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修2第二章机器人的传动机械第 二 节 齿轮传动和平面连杆机构。
情景
在生产和生活的各类产品中，齿轮传动应用广泛。
如图2-5（参见教材P11）所示是汽车变速箱齿轮。通过变速箱齿轮改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，并在发动机旋转方向不变的情况下，使汽车能倒退行驶。
如图2-6（参见教材P11）所示是机械表的齿轮传动。机械表通过重锤或弹簧释放的能量作为动力，推动一系列齿轮运转，借擒纵调速器调节齿轮系转速，用指针指示时刻和计量时间。
如图2-7（参见教材P11）所示为手摇削笔器中的齿轮。手摇削笔器是利用齿轮结构来让削笔操作变得更加省时省力。
齿轮传动是现代机械中使用广、类型多的传动方式之一。在机器人中主要用到的有直齿圆柱齿轮传动、齿条与齿轮传动、圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动等。
一、齿轮传动机构
（一）直齿圆柱齿轮传动
直齿圆柱齿轮传动是由两个齿轮在同一平面上相互啮合组成（图2-8）（参见教材P12）。它是最简单、最基本、应用最广泛的一种齿轮传动方式。
在图2-8（参见教材P12）中，作为主动轮的小齿轮固定在电机的转轴上，与它啮合的大齿轮为从动轮。当小齿轮随电机转动时，由于两个齿轮之间是逐齿啮合，小齿轮转动一周，大齿轮转动半周，形成一个减速传动，这个装置的传动比为2。
直齿圆柱齿轮传动的传动比公式：
传动比= 从动轮的齿数／主动轮的齿数
在图2-8（参见教材P12）中，从动轮（大齿轮）的旋转方向与主动轮相反，其转矩增加。如果将电机固定在大齿轮上，那么大齿轮就是主动轮，此时，小齿轮的转速增加，转矩减少，这样的齿轮传动就是增速传动。
立即行动
图2-9（参见教材P12）是机器人中的两组齿轮传动。左边的一组中，小齿轮是主动轮；右边的一组中，大齿轮是主动轮。请分析这两组齿轮传动的转速和转矩变化，计算它们的传动比，并填写到表2-2中。
表2-2 两组齿轮传动的转速和转矩变化及传动比
分 析 组 别 转速和转矩变化 传 动 比
左边一组
右边一组
（二）齿条与齿轮传动
齿条与齿轮传动如图2-10（参见教材P13）所示。齿条与齿轮的啮合能实现从旋转运动到直线运动的转换，当固定在转轴上的主动轮转动时，能够移动的从动齿条将形成直线运动。其中，从动齿条直线运动的方向如图2-10（参见教材P13）中箭头所示。
图2-11（参见教材P13）所示为机器人利用齿条与齿轮传动，通过主动轮的转动来改变车轮的方向。
由于齿条与齿轮传动是将旋转运动转换为直线运动，所以其传动比就变成主动齿轮的转速与从动齿条的线速度的转换关系。传动比取决于齿轮的转速、齿数和齿条上的齿距等3个因素。
案例
图2-12（参见教材P13）为齿条与齿轮运动转换示意图。假设主动齿轮有20个齿，转速为10 r/min，从动齿条的齿距为0.2 cm。以X点为基准，主动齿轮旋转1周，齿轮上有20个齿经过X点，此时与齿轮逐齿啮合的从动齿条也移动了20个齿，其移动的距离为4 cm，由此可得齿条移动的速度为40 cm/min。
（三）圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动
当我们需要传递两交叉轴（交叉角一般为直角）之间的运动和动力时，经常会使用到圆锥齿轮传动（图2-13a）（参见教材P14）和蜗杆蜗轮传动（图2-13b）（参见教材P14）。通过这两种传动方式，可以轻松地改变动力输出的方向，实现多种巧妙的设计。例如汽车在转弯时，因为左、右两个车轮的转速不同，需要用到圆锥齿轮构成的差速器。同样，在机器人中也会使用到差速器（图2-13c）（参见教材P14）。
（四）齿轮系
前面已经讨论了各种齿轮传动，其传动形式都很简单，然而实际的机械传动往往很复杂。在主动轴与从动轴的距离较远、要求较大传动比及多方向变换等情况下，仅用一对齿轮传动或蜗杆蜗轮传动是不够的，必须通过一系列相互啮合的齿轮组成的传动装置将主动轴的运动传递到从动轴。这种由一系列互相啮合的齿轮组成的传动装置称为齿轮系，图2-14（参见教材P14）所示是齿轮系在机器人中的应用。
案例
图2-15（参见教材P15）所示的是由4个直齿圆柱齿轮组成的齿轮系，其中齿轮B和齿轮C固定在同一个轴上，齿轮A为主动轮，齿轮D为末端从动轮。
当齿轮A转动时，与它啮合的齿轮B做减速转动。同时，在同一个轴上的齿轮C与齿轮B转速相同，而与齿轮C啮合的末端从动齿轮D也做减速转动。它的传动比为下面的公式：
传动比= B的齿数／A的齿数×D的齿数／C的齿数
该齿轮系中齿轮A与齿轮B的转动方向相反，而与齿轮D的转动方向相同
齿轮系传动比，即齿轮系中首轮与末轮的角速度或转速之比。进行齿轮系传动比计算时，除计算传动比大小以外，一般还要确定首轮、末轮的转向关系。
实践
图2-16（参见教材P15）为四驱车模型的齿轮传动装置，按照装配图组装简单的齿轮系统。经历装配和调试的全过程，进一步了解齿轮传动装置。
齿轮传动机构的特点是能保证恒定不变的传动比，传动效率高、结构紧凑、工作可靠、使用寿命长。然而也存在制造及安装精度要求高、价格较贵、不宜用于两轴间距离较大的场合等缺点。
二、平面连杆机构
平面连杆机构是由若干杆构件通过铰链连接，并且所有构件都在同一平面内运动的机构，图2-17（参见教材P16）所示的拖把就应用了这种机构。
图2-18（参见教材P16）所示的铰链四连杆机构是平面连杆机构的基本形式。一般杆AD是固定的，称为机架。AB、CD两构件与机架相连，AB、CD称为连架杆。杆BC不直接与机架相连，称为连杆。在铰链四连杆机构中，ABCD这4个铰链点都能转动，形成封闭系统。
当AB连架杆作为主动件转动时，通过BC连杆带动从动件CD连架杆转动，反之当CD连架杆为主动件时，AB连架杆为从动件。在实际的应用中，还会经常采用在这基础上演化而成的其他四连杆机构。
案例
在铰链四连杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四连杆机构称为曲柄摇杆机构。在这种机构中，当曲柄为主动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变成摇杆的往复摆动。此种机构应用广泛，图2-19a（参见教材P16）所示的汽车前窗刮雨器即为此种机构。它的原理如图2-19b（参见教材P16）所示，电机带动主动曲柄AB转动时，连杆BC拉动摇杆CD作往复运动，从而实现雨刮的功能。
观察图2-20（参见教材P17）所示的挖掘机，找出哪些地方使用了连杆机构，然后分析这些连杆机构是如何工作的，对挖掘机实现功能有什么作用。
立即行动
1．图2-23（参见教材P17）是家用缝纫机的针头机构，试讨论针头的运动形式及原理。
2．图2-24（参见教材P17）是火车的车轮连接示意，请分析这种平行四边形的四连杆机构的运动过程。
案例
图2-21（参见教材P17）是由铰链四连杆机构演化成的曲柄滑块机构。它在各种机械中得到广泛应用，当然也应用在机器人中。图2-22（参见教材P17）所示为曲柄滑块机构的运动原理。在常见的曲柄滑块机构中，主动连架杆是曲柄，而从动连架杆演变成导轨中的滑块，当曲柄整周转动时，通过连杆使滑块在导轨中作往复直线运动。
在实际中，四连杆机构形式多样，应用广泛，它们都可以认为是由四连杆机构的基本形式演化而来的。从上述案例和讨论中，我们了解到，四连杆机构的各种演化机构外形虽然各不相同，但是它们的运动性质及分析和设计方法却常常是相同或类似的。
由于平面连杆机构中两构件之间的铰链为面接触，因而承受的压强小、便于润滑、磨损较轻，可以承受较大的载荷，而且构件形状简单，加工方便，工作可靠。但铰链在面接触时存在间隙，会引起运动误差，不易实现精确的复杂运动。连杆机构不适用于高速场合。
实践
1．图2-25是一个凸轮和平面连杆组成的机构，先分析它的运动原理，然后动手将该机构制作出来。
2．向同学们展示你所制作的机构，并结合机构说明其运动原理。
板书设计
第二章　机器人的传动机械
第 二 节 齿轮传动和平面连杆机构
一、齿轮传动机构
（一）直齿圆柱齿轮传动
（二）齿条与齿轮传动
（三）圆锥齿轮传动和蜗杆蜗轮传动
（四）齿轮系
二、平面连杆机构
教学反思
通用技术
选择性必修2
电子控制技术
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：李 榕
本册副主编：郑永驹 钟清华
编 写 人 编：
张百睿 李 榕 郑永驹 钟清华　周 嘉 龚泽祥 胡智豪
广东教育出版社
广东科技出版社

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