資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修2
機器人設計與制作
第二章　機器人的傳動機械
第 二 節 齒輪傳動和平面連桿機構
教學設計
教學背景
黨的二十大明確指出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開辟發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢”。
機器人是20世紀人類的偉大發明，今天，它不僅能夠代替人類登陸火星和潛入幾千米以下的深海，還可以不知疲倦地工作在各種生產線上，并服務于我們的日常生活。
關于機器人，我國科學家認為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。國際標準化組織認為工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。
教學目標：
知識與技能目標:
1.了解齒輪和齒輪系傳動，能計算簡單的齒輪傳動比，按照裝配圖樣安裝和調試簡單的齒輪裝置。
2.正確分析常見連桿傳動裝置的結構及其應用，并根據需求設計和制作簡單的連桿裝置。
教學內容分析:
機器人是一種能夠按照預先設計程序而自動執行工作的機械裝置。當前機器人已經大規模地走進工業生產、軍事、政府管理、商業應用等領域，它們可以幫助或代替人類完成不同的工作，在各個方面影響著人類的生活。通過本章的學習，讓我們來初步了解和認識機器人吧。
機械部分是機器人重要的組成部分，它能通過傳動裝置，將動力裝置產生的運動和力傳遞到執行裝置的移動機構和手爪機構，實現行走和抓取。機器人中的傳動裝置是機械傳動。在各種高新技術飛速發展的今天，我們的日常生活和工農業生產都離不開機械傳動。
讓我們通過本章的學習來了解和初步掌握機械傳動的知識和應用吧。
學情分析:
生活在科技迅猛發展的21世紀，同學們有必要了解一些機器人的知識，因為未來的機器人將對我們的生活和工作產生巨大的影響。
　　自己動手制作機器人是讓同學們了解機器人的最好手段。同學們一起進入機器人設計與制作的精彩世界吧。
教學重難點:
了解齒輪和齒輪系傳動，能計算簡單的齒輪傳動比，按照裝配圖樣安裝和調試簡單的齒輪裝置。
正確分析常見連桿傳動裝置的結構及其應用，并根據需求設計和制作簡單的連桿裝置。
教學策略:
本節課教學主要由教師通過實物和多媒體手段設置學習情境，并加以引導，讓學生在過程中發展學生核心素養、培養實踐能力、提升創新意識、開闊認知視野；將自主學習、合作學習、探究學習等多種學習方式滲透進學生的學習和教師的教學當中；不斷嘗試現代教育技術和方法的運用。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景倒入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修2第二章機器人的傳動機械第 二 節 齒輪傳動和平面連桿機構。
情景
在生產和生活的各類產品中，齒輪傳動應用廣泛。
如圖2-5（參見教材P11）所示是汽車變速箱齒輪。通過變速箱齒輪改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，以適應經常變化的行駛條件，并在發動機旋轉方向不變的情況下，使汽車能倒退行駛。
如圖2-6（參見教材P11）所示是機械表的齒輪傳動。機械表通過重錘或彈簧釋放的能量作為動力，推動一系列齒輪運轉，借擒縱調速器調節齒輪系轉速，用指針指示時刻和計量時間。
如圖2-7（參見教材P11）所示為手搖削筆器中的齒輪。手搖削筆器是利用齒輪結構來讓削筆操作變得更加省時省力。
齒輪傳動是現代機械中使用廣、類型多的傳動方式之一。在機器人中主要用到的有直齒圓柱齒輪傳動、齒條與齒輪傳動、圓錐齒輪傳動和蝸桿蝸輪傳動等。
一、齒輪傳動機構
（一）直齒圓柱齒輪傳動
直齒圓柱齒輪傳動是由兩個齒輪在同一平面上相互嚙合組成（圖2-8）（參見教材P12）。它是最簡單、最基本、應用最廣泛的一種齒輪傳動方式。
在圖2-8（參見教材P12）中，作為主動輪的小齒輪固定在電機的轉軸上，與它嚙合的大齒輪為從動輪。當小齒輪隨電機轉動時，由于兩個齒輪之間是逐齒嚙合，小齒輪轉動一周，大齒輪轉動半周，形成一個減速傳動，這個裝置的傳動比為2。
直齒圓柱齒輪傳動的傳動比公式：
傳動比= 從動輪的齒數／主動輪的齒數
在圖2-8（參見教材P12）中，從動輪（大齒輪）的旋轉方向與主動輪相反，其轉矩增加。如果將電機固定在大齒輪上，那么大齒輪就是主動輪，此時，小齒輪的轉速增加，轉矩減少，這樣的齒輪傳動就是增速傳動。
立即行動
圖2-9（參見教材P12）是機器人中的兩組齒輪傳動。左邊的一組中，小齒輪是主動輪；右邊的一組中，大齒輪是主動輪。請分析這兩組齒輪傳動的轉速和轉矩變化，計算它們的傳動比，并填寫到表2-2中。
表2-2 兩組齒輪傳動的轉速和轉矩變化及傳動比
分 析 組 別 轉速和轉矩變化 傳 動 比
左邊一組
右邊一組
（二）齒條與齒輪傳動
齒條與齒輪傳動如圖2-10（參見教材P13）所示。齒條與齒輪的嚙合能實現從旋轉運動到直線運動的轉換，當固定在轉軸上的主動輪轉動時，能夠移動的從動齒條將形成直線運動。其中，從動齒條直線運動的方向如圖2-10（參見教材P13）中箭頭所示。
圖2-11（參見教材P13）所示為機器人利用齒條與齒輪傳動，通過主動輪的轉動來改變車輪的方向。
由于齒條與齒輪傳動是將旋轉運動轉換為直線運動，所以其傳動比就變成主動齒輪的轉速與從動齒條的線速度的轉換關系。傳動比取決于齒輪的轉速、齒數和齒條上的齒距等3個因素。
案例
圖2-12（參見教材P13）為齒條與齒輪運動轉換示意圖。假設主動齒輪有20個齒，轉速為10 r/min，從動齒條的齒距為0.2 cm。以X點為基準，主動齒輪旋轉1周，齒輪上有20個齒經過X點，此時與齒輪逐齒嚙合的從動齒條也移動了20個齒，其移動的距離為4 cm，由此可得齒條移動的速度為40 cm/min。
（三）圓錐齒輪傳動和蝸桿蝸輪傳動
當我們需要傳遞兩交叉軸（交叉角一般為直角）之間的運動和動力時，經常會使用到圓錐齒輪傳動（圖2-13a）（參見教材P14）和蝸桿蝸輪傳動（圖2-13b）（參見教材P14）。通過這兩種傳動方式，可以輕松地改變動力輸出的方向，實現多種巧妙的設計。例如汽車在轉彎時，因為左、右兩個車輪的轉速不同，需要用到圓錐齒輪構成的差速器。同樣，在機器人中也會使用到差速器（圖2-13c）（參見教材P14）。
（四）齒輪系
前面已經討論了各種齒輪傳動，其傳動形式都很簡單，然而實際的機械傳動往往很復雜。在主動軸與從動軸的距離較遠、要求較大傳動比及多方向變換等情況下，僅用一對齒輪傳動或蝸桿蝸輪傳動是不夠的，必須通過一系列相互嚙合的齒輪組成的傳動裝置將主動軸的運動傳遞到從動軸。這種由一系列互相嚙合的齒輪組成的傳動裝置稱為齒輪系，圖2-14（參見教材P14）所示是齒輪系在機器人中的應用。
案例
圖2-15（參見教材P15）所示的是由4個直齒圓柱齒輪組成的齒輪系，其中齒輪B和齒輪C固定在同一個軸上，齒輪A為主動輪，齒輪D為末端從動輪。
當齒輪A轉動時，與它嚙合的齒輪B做減速轉動。同時，在同一個軸上的齒輪C與齒輪B轉速相同，而與齒輪C嚙合的末端從動齒輪D也做減速轉動。它的傳動比為下面的公式：
傳動比= B的齒數／A的齒數×D的齒數／C的齒數
該齒輪系中齒輪A與齒輪B的轉動方向相反，而與齒輪D的轉動方向相同
齒輪系傳動比，即齒輪系中首輪與末輪的角速度或轉速之比。進行齒輪系傳動比計算時，除計算傳動比大小以外，一般還要確定首輪、末輪的轉向關系。
實踐
圖2-16（參見教材P15）為四驅車模型的齒輪傳動裝置，按照裝配圖組裝簡單的齒輪系統。經歷裝配和調試的全過程，進一步了解齒輪傳動裝置。
齒輪傳動機構的特點是能保證恒定不變的傳動比，傳動效率高、結構緊湊、工作可靠、使用壽命長。然而也存在制造及安裝精度要求高、價格較貴、不宜用于兩軸間距離較大的場合等缺點。
二、平面連桿機構
平面連桿機構是由若干桿構件通過鉸鏈連接，并且所有構件都在同一平面內運動的機構，圖2-17（參見教材P16）所示的拖把就應用了這種機構。
圖2-18（參見教材P16）所示的鉸鏈四連桿機構是平面連桿機構的基本形式。一般桿AD是固定的，稱為機架。AB、CD兩構件與機架相連，AB、CD稱為連架桿。桿BC不直接與機架相連，稱為連桿。在鉸鏈四連桿機構中，ABCD這4個鉸鏈點都能轉動，形成封閉系統。
當AB連架桿作為主動件轉動時，通過BC連桿帶動從動件CD連架桿轉動，反之當CD連架桿為主動件時，AB連架桿為從動件。在實際的應用中，還會經常采用在這基礎上演化而成的其他四連桿機構。
案例
在鉸鏈四連桿機構中，若兩個連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿，則此四連桿機構稱為曲柄搖桿機構。在這種機構中，當曲柄為主動件，搖桿為從動件時，可將曲柄的連續轉動轉變成搖桿的往復擺動。此種機構應用廣泛，圖2-19a（參見教材P16）所示的汽車前窗刮雨器即為此種機構。它的原理如圖2-19b（參見教材P16）所示，電機帶動主動曲柄AB轉動時，連桿BC拉動搖桿CD作往復運動，從而實現雨刮的功能。
觀察圖2-20（參見教材P17）所示的挖掘機，找出哪些地方使用了連桿機構，然后分析這些連桿機構是如何工作的，對挖掘機實現功能有什么作用。
立即行動
1．圖2-23（參見教材P17）是家用縫紉機的針頭機構，試討論針頭的運動形式及原理。
2．圖2-24（參見教材P17）是火車的車輪連接示意，請分析這種平行四邊形的四連桿機構的運動過程。
案例
圖2-21（參見教材P17）是由鉸鏈四連桿機構演化成的曲柄滑塊機構。它在各種機械中得到廣泛應用，當然也應用在機器人中。圖2-22（參見教材P17）所示為曲柄滑塊機構的運動原理。在常見的曲柄滑塊機構中，主動連架桿是曲柄，而從動連架桿演變成導軌中的滑塊，當曲柄整周轉動時，通過連桿使滑塊在導軌中作往復直線運動。
在實際中，四連桿機構形式多樣，應用廣泛，它們都可以認為是由四連桿機構的基本形式演化而來的。從上述案例和討論中，我們了解到，四連桿機構的各種演化機構外形雖然各不相同，但是它們的運動性質及分析和設計方法卻常常是相同或類似的。
由于平面連桿機構中兩構件之間的鉸鏈為面接觸，因而承受的壓強小、便于潤滑、磨損較輕，可以承受較大的載荷，而且構件形狀簡單，加工方便，工作可靠。但鉸鏈在面接觸時存在間隙，會引起運動誤差，不易實現精確的復雜運動。連桿機構不適用于高速場合。
實踐
1．圖2-25是一個凸輪和平面連桿組成的機構，先分析它的運動原理，然后動手將該機構制作出來。
2．向同學們展示你所制作的機構，并結合機構說明其運動原理。
板書設計
第二章　機器人的傳動機械
第 二 節 齒輪傳動和平面連桿機構
一、齒輪傳動機構
（一）直齒圓柱齒輪傳動
（二）齒條與齒輪傳動
（三）圓錐齒輪傳動和蝸桿蝸輪傳動
（四）齒輪系
二、平面連桿機構
教學反思
通用技術
選擇性必修2
電子控制技術
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：李 榕
本冊副主編：鄭永駒 鐘清華
編 寫 人 編：
張百睿 李 榕 鄭永駒 鐘清華　周 嘉 龔澤祥 胡智豪
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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