CN103943022B - 一种用于模拟反转法的组合教具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于模拟反转法的组合教具，该组合教具由底座、支架、箱体、驱动部件以及模拟部件组成，其中箱体和支架固定安装在底座上，支架位于箱体中，驱动部件以及模拟部件均安装在箱体中且固定在支架上，所述的驱动部件至少包括差速器、手柄、输出轴以及制动装置；所述制动装置设有两个，分别安装在输出轴A和输出轴B上；所述的模拟部件中至少包括有主轴以及反转盘，反转盘套在主轴上且两者之间可相对旋转，主轴安装在输出轴A上，所述的模拟部件具体为四杆机构模拟部件或凸轮机构模拟部件。该教具解决了背景技术中的不足，采用该教具，能够示教平面四杆机构和凸轮机构在设计中的反转法基本原理。

Description

一种用于模拟反转法的组合教具

技术领域

本发明涉及一种机械领域的教学用具，具体涉及一种用于模拟演绎反转法的教学用具，该教具能够演绎四杆机构和凸轮的机构的反转法原理。

背景技术

教具很早便出现在了课堂和实验室中。教具可以帮助学生更好地理解理论知识，提高学生的动手实践能力，是很多大学课程的必要辅助教学设备。随着时代的发展和社会的进步，大学专业的划分越来越细，数量也越来越多，要求学生进行课外动手实验的课程也越来越多；还有很多课程涉及到抽象的理论知识，学生不易懂，老师不好教，对于机械专业学生来说尤其如此。

如今市场上与机械原理课程有关的教具种类繁多，但是用来演绎反转法基本原理的教具至今尚未出现。特别是利用反转法基本原理设计平面四杆机构和凸轮轮廓这两部分内容，抽象的反转法原理让很多学生难以理解，老师也没有合适的教学设备进行辅助教学。在这个背景下，为了帮助学生更好地理解反转法基本原理，同时也为了教室更顺利的授课，就必须提供一种简单、实用的反转法原理教具。

发明内容

本发明提供了一种用于模拟反转法的组合教具，该教具解决了背景技术中的不足，采用该教具，能够示教平面四杆机构和凸轮机构在设计中的反转法基本原理。本教具通过模块化设计，将平面四杆机构和凸轮机构的反转法基本原理示教机构集成到了同一个基础模块上，两部分功能切换方便，简化了设计。本教具可以帮助同学们更好地理解反转法的基本原理，同时也为老师在课堂上讲授该部分内容提供了帮助。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种用于模拟反转法的组合教具，该组合教具由底座、支架、箱体、驱动部件以及模拟部件组成，其中箱体和支架固定安装在底座上，支架位于箱体中，驱动部件以及模拟部件均安装在箱体中且固定在支架上，所述的驱动部件至少包括差速器、手柄、输出轴以及制动装置，手柄安装在箱体的一侧壁上，手柄通过联轴器与差速器的输入轴连接并带动输入轴旋转，差速器的两输出轴朝向左右两侧，且分别为输出轴A和输出轴B，其中输出轴A和输出轴B上均套有锥形齿轮，分别为锥形齿轮A和锥形齿轮B，输出轴A与锥形齿轮A间隙配合且两者之间可相对旋转，输出轴B与锥形齿轮B之间键连接，锥形齿轮A和锥形齿轮B之间还设有与两者啮合的锥形传动齿轮，当输出轴B旋转时带动锥形齿轮B旋转，锥形齿轮B通过锥形传动齿轮带动锥形齿轮A绕输出轴A旋转；输出轴A的顶端设有十字槽，锥形齿轮A的外侧壁上固定安装有螺栓；所述制动装置设有两个，分别安装在输出轴A和输出轴B上，用于控制输出轴A和输出轴B的旋转；所述的模拟部件中至少包括有主轴以及反转盘，反转盘套在主轴上且两者之间可相对旋转，主轴安装在输出轴A上，且主轴的顶端设有与十字槽相咬合的十字键，输出轴A带动主轴旋转；反转盘与锥形齿轮A外侧壁上的螺栓固定连接，锥形齿轮A通过螺栓带动反转盘旋转，所述的模拟部件具体为四杆机构模拟部件或凸轮机构模拟部件。

所述的制动装置采用弹簧紧闸块式制动器，该装置包括制动杆、弹簧、两橡胶块以及两弹性片，其中橡胶块固定在弹性片上，两橡胶块共同将输出轴夹在两者之间，两弹性片上设有位置相对应的通孔，制动杆穿过两弹性片上的通孔并且能够在通孔中移动，制动杆的内端设有宽度大于通孔直径的限位块，制动杆的外端由箱体上朝外伸出，且制动杆的外端设有拉环，弹簧套在位于两弹性片之间的制动杆上，两弹性片均固定在底座上，当向外拉动制动杆时，两弹性片在限位块的作用下相对运动，两橡胶块从而将输出轴包夹在两者之间，阻止输出轴转动。

所述的四杆机构模拟部件包括主轴、副轴、反转盘、透明盘、主动杆、从动杆以及传动轴，透明盘和反转盘相平行，主轴、副轴和传动轴均安装在透明盘和反转盘之间，主动杆和从动杆分别安装在主轴和副轴的端部上，且与透明板相平行，主轴、副轴和传动轴上均安装有两个直齿轮，两个直齿轮分别为大齿轮和小齿轮，且大齿轮和小齿轮之间固定连接，其中主轴和副轴上的大齿轮和小齿轮的安装位置相对应，传动轴位于主轴和副轴之间，且传动轴可轴向移动，当传动轴沿轴向推进箱体中时，其上的大齿轮与主轴和副轴上的小齿轮相啮合，当传动轴沿轴向拉出箱体时，其上的小齿轮与主轴和副轴上的大齿轮相啮合。

所述的凸轮机构模拟部件包括主轴、反转盘、凸轮盘、推杆以及推杆架，其中反转盘安装在箱体的侧壁上且可旋转，凸轮盘安装固定在主轴的外端上且随轴旋转，凸轮盘与反转盘平行，推杆架固定在反转盘上，推杆安装在推杆架中。

所述的组合教具中还设有电子控制部件，所述的电子控制部件包括旋转编码器、驱动器、单片机和步进电机，所述的旋转编码器安装在手柄上，用于获取手柄的旋转速度和旋转方向，所述的步进电机安装于推杆架上，控制推杆运动，旋转编码器与单片机连接将获取的参数传输至单片机，单片机通过驱动器控制步进电机运动。

本发明提供的用于模拟反转法的组合教具与现有技术相比有以下优点：1、本发明中提供的组合教具能够示教平面四杆机构和凸轮机构在设计中的反转法基本原理，帮助同学们更好地理解反转法的基本原理，同时也为老师在课堂上讲授该部分内容提供了帮助。2、本教具通过模块化设计，将平面四杆机构和凸轮机构的反转法基本原理示教机构集成到了同一个基础模块上，两部分功能切换方便，简化了设计。3、该教具成本较低，可用于教室以及实验室，性价比高。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的用于模拟反转法的组合教具的整体结构示意图；

图2为驱动部件的结构示意图；

图3为四杆机构模拟部件的结构示意图；

图4为四杆机构反转法的原理示意图；

图5为实施例2提供的用于模拟反转法的组合教具的整体结构示意图；

图6为凸轮机构模拟部件的结构示意图；

图7为凸轮机构反转法的原理示意图；

图8为电子控制部件的示意图；

图中：1-底座，2-支架，3-箱体，4-差速器，5-手柄，6-拉环，7-制动杆，8-弹簧，9-橡胶块，10-弹性片，11-限位块，12-联轴器，13-输出轴A，14-输出轴B，15-锥形齿轮A，16-锥形齿轮B，17-锥形传动齿轮，18-十字槽，19-螺栓，20-主轴，21-反转盘，22-副轴，23-透明盘，24-主动杆，25-从动杆，26-传动轴，27-大齿轮，28-小齿轮，29-凸轮盘，30-推杆，31-推杆架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

实施例1

本实施例中提供的用于模拟反转法的组合教具用于模拟演绎四杆机构的反转原理。本实施例中提供的用于模拟反转法的组合教具的整体结构如图1所示，由底座1、支架2、箱体3、驱动部件以及四杆机构模拟部件组成，其中箱体3和支架2固定安装在底座1上，支架2位于箱体3中，驱动部件以及四杆机构模拟部件均安装在箱体3中且固定在支架2上。

所述的驱动部件的结构如图2所示，至少包括差速器4、手柄5、输出轴以及制动装置，手柄5安装在箱体3的一侧壁上，手柄5通过联轴器12与差速器4的输入轴连接并带动输入轴旋转，差速器4的两输出轴朝向左右两侧，且分别为输出轴A13和输出轴B14，其中输出轴A13和输出轴B14上均套有锥形齿轮，分别为锥形齿轮A15和锥形齿轮B16，输出轴A13与锥形齿轮A15间隙配合且两者之间可相对旋转，输出轴B14与锥形齿轮B16之间键连接，锥形齿轮A15和锥形齿轮B16之间还设有与两者啮合的锥形传动齿轮17，当输出轴B旋转时带动锥形齿轮B旋转，锥形齿轮B通过锥形传动齿轮带动锥形齿轮A绕输出轴A旋转。

所述制动装置设有两个，分别安装在输出轴A13和输出轴B14上，用于控制输出轴A和输出轴B的旋转；所述的制动装置采用弹簧紧闸块式制动器，该装置包括制动杆7、弹簧8、两橡胶块9以及两弹性片10，其中橡胶块9固定在弹性片10上，两橡胶块共同将输出轴夹在两者之间，两弹性片10上设有位置相对应的通孔，制动杆7穿过两弹性片上的通孔并且能够在通孔中移动，制动杆7的内端设有宽度大于通孔直径的限位块11，制动杆7的外端由箱体上朝外伸出，且制动杆的外端设有拉环6，弹簧8套在位于两弹性片10之间的制动杆7上，其中两弹性片10均固定在底座1上，当向外拉动制动杆时，两弹性片在限位块的作用下相对运动，两橡胶块从而将输出轴包夹在两者之间，阻止输出轴转动。

输出轴A13的顶端设有十字槽18，锥形齿轮A15的外侧壁上固定安装有螺栓19。所述的四杆机构模拟部件的结构如图3所示，至少包括主轴20、副轴22、反转盘21、透明盘23、主动杆24、从动杆25以及传动轴26，反转盘21套在主轴20上且两者之间可相对旋转，主轴20安装在输出轴A13上，且主轴20的顶端设有与十字槽18相咬合的十字键，输出轴A13带动主轴20旋转；反转盘21与锥形齿轮A15外侧壁上的螺栓19固定连接，锥形齿轮A15通过螺栓19带动反转盘21旋转。透明盘23和反转盘21相平行，主轴20、副轴22和传动轴26均安装在透明盘23和反转盘21之间，主动杆24和从动杆25分别安装在主轴20和副轴22的端部上，且与透明板23相平行，主轴20、副轴22和传动轴26上均安装有两个直齿轮，两个直齿轮分别为大齿轮27和小齿轮28，且大齿轮27和小齿轮28之间固定连接，其中主轴和副轴上的大齿轮和小齿轮的安装位置相对应，传动轴位于主轴和副轴之间，且传动轴可轴向移动，当传动轴沿轴向推进箱体中时，其上的大齿轮与主轴和副轴上的小齿轮相啮合，当传动轴沿轴向拉出箱体时，其上的小齿轮与主轴和副轴上的大齿轮相啮合。

在本实施例中，四杆机构的反转法原理如图4所示，根据图示，我们可以看出反转法步骤是，当主动杆AB顺时针绕A点转动α角度之后，将四杆机构刚化，使ABCD整体绕D点逆时针转动β角度，总共是两个步骤。而本发明的设计目的是：保证以上要求的同时将两个步骤合成一步实现，即AB转动α角度时，机架同时转动β角度。

在对传动轴进行轴向位置调动时，既要保证位置的准确，还要考虑传动轴轴向固定。在本实施例中，传动轴与反转盘之间有铜套，用于减小摩擦。在传动轴与反转盘配合处，传动轴上开设两个圆锥形环槽，相应的，铜套上径向打两个直径比圆锥形环槽宽度略小的孔，里面放弹簧和小钢珠。当轴向调整传动轴的位置时，小钢珠分别与轴上的环槽配合，既不影响轴的转动，也能达到轴向定位的目的。

演绎反转法原理：当传动轴上的小齿轮参与啮合时，该机构构成一个行星轮系，从驱动部件获得动力，副轴及安装在其端部的从动杆绕主轴逆时针反转的同时自身顺时针也转过一定角度，此时主轴固定不转动；当传动轴、副轴不绕主轴转动时，此时主轴及其端部的主动杆顺时针转动，通过齿轮的传动，副轴及其端部的从动杆也顺时针转过相应的角度，验证上述逆时针反转时转过的角度。当传动轴上的大齿轮参与啮合时演绎原理及过程与此相同，只是两连架杆转过的角度之比不同。

实施例2

本实施例中提供的用于模拟反转法的组合教具用于模拟演绎凸轮机构的反转原理。本实施例中提供的用于模拟反转法的组合教具的整体结构如图5所示，由底座1、支架2、箱体3、驱动部件以及凸轮机构模拟部件组成，其中箱体3和支架2固定安装在底座1上，支架2位于箱体3中，驱动部件以及四杆机构模拟部件均安装在箱体3中且固定在支架2上。

所述的驱动部件的结构如图2所示，本实施例中驱动部件的结构与实施例1中相同，不做累述。

输出轴A13的顶端设有十字槽18，锥形齿轮A15的外侧壁上固定安装有螺栓19。所述的凸轮机构模拟部件的结构如图6所示，包括主轴20、反转盘21、凸轮盘29、推杆30以及推杆架31，反转盘21套在主轴20上且两者之间可相对旋转，主轴20安装在输出轴A13上，且主轴20的顶端设有与十字槽18相咬合的十字键，输出轴A带动主轴旋转；反转盘21与锥形齿轮A15外侧壁上的螺栓19固定连接，锥形齿轮A15通过螺栓19带动反转盘21旋转。反转盘21安装在箱体3的侧壁上且可旋转，凸轮盘29安装固定在主轴20的外端上且随轴旋转，凸轮盘29与反转盘21平行，推杆架31固定在反转盘29上，推杆30安装在推杆架31中。

所述的组合教具中还设有电子控制部件，如图8所示，所述的电子控制部件包括旋转编码器、驱动器、单片机和步进电机，所述的旋转编码器安装在手柄上，用于获取手柄的旋转速度和旋转方向，所述的步进电机安装于推杆架上，控制推杆运动，旋转编码器与单片机连接将获取的参数传输至单片机，单片机通过驱动器控制步进电机运动。

在本实施例中，凸轮机构的反转法原理如图7所示，根据图示，当凸轮以ω绕轴O逆时针转动时，推杆在凸轮的推动下实现预期运动。现设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度-ω，使其绕轴心O顺时针转动。这时凸轮与推杆之间的相对运动并未改变，但此时凸轮静止不动，而推杆则一方面随其导轨以角速度-ω绕轴心O转动，一方面又在导轨内做预期的往复移动。这样，推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线。

根据上述分析，在设计凸轮轮廓时，可假设凸轮静止不动，而推杆相对于凸轮沿-ω方向作反转运动，同时又在其导轨内作预期的运动，这样就做出了推杆一系列位置，将其尖顶所占据的位置I、II……连成平滑曲线，这就是要求的凸轮轮廓线。

演绎反转法原理如下：为了实现以上功能，我们采用直线步进电机精确控制推杆相对于凸轮盘的径向往复运动，推杆反转运动时在凸轮盘上描绘出凸轮轮廓。推杆及步进电机安装在推杆架上，推杆架从驱动部件获得动力，带动推杆及步进电机反转，推杆在步进电机的控制下做预定的的径向往复运动，描绘凸轮轮廓；然后推杆架不动，凸轮盘正转，同时推杆做径向往复运动，其运动规律与描绘出来的凸轮轮廓保持一致，验证凸轮轮廓。

Claims (5)

1.一种用于模拟反转法的组合教具，其特征在于：该组合教具由底座、支架、箱体、驱动部件以及模拟部件组成，其中箱体和支架固定安装在底座上，支架位于箱体中，驱动部件以及模拟部件均安装在箱体中且固定在支架上，所述的驱动部件至少包括差速器、手柄、输出轴以及制动装置，手柄安装在箱体的一侧壁上，手柄通过联轴器与差速器的输入轴连接并带动输入轴旋转，差速器的两输出轴朝向左右两侧，且分别为输出轴A和输出轴B，其中输出轴A和输出轴B上均套有锥形齿轮，分别为锥形齿轮A和锥形齿轮B，输出轴A与锥形齿轮A间隙配合且两者之间可相对旋转，输出轴B与锥形齿轮B之间键连接，锥形齿轮A和锥形齿轮B之间还设有与两者啮合的锥形传动齿轮，当输出轴B旋转时带动锥形齿轮B旋转，锥形齿轮B通过锥形传动齿轮带动锥形齿轮A绕输出轴A旋转；输出轴A的顶端设有十字槽，锥形齿轮A的外侧壁上固定安装有螺栓；所述制动装置设有两个，分别安装在输出轴A和输出轴B上，用于控制输出轴A和输出轴B的旋转；所述的模拟部件中至少包括有主轴以及反转盘，反转盘套在主轴上且两者之间可相对旋转，主轴安装在输出轴A上，且主轴的顶端设有与十字槽相咬合的十字键，输出轴A带动主轴旋转；反转盘与锥形齿轮A外侧壁上的螺栓固定连接，锥形齿轮A通过螺栓带动反转盘旋转，所述的模拟部件具体为四杆机构模拟部件或凸轮机构模拟部件。

2.根据权利要求1所述的用于模拟反转法的组合教具，其特征在于：所述的制动装置采用弹簧紧闸块式制动器，该装置包括制动杆、弹簧、两橡胶块以及两弹性片，其中橡胶块固定在弹性片上，两橡胶块共同将输出轴夹在两者之间，两弹性片上设有位置相对应的通孔，制动杆穿过两弹性片上的通孔并且能够在通孔中移动，制动杆的内端设有宽度大于通孔直径的限位块，制动杆的外端由箱体上朝外伸出，且制动杆的外端设有拉环，弹簧套在位于两弹性片之间的制动杆上，两弹性片均固定在底座上，当向外拉动制动杆时，两弹性片在限位块的作用下相对运动，两橡胶块从而将输出轴包夹在两者之间，阻止输出轴转动。

3.根据权利要求1所述的用于模拟反转法的组合教具，其特征在于：所述的四杆机构模拟部件包括主轴、副轴、反转盘、透明盘、主动杆、从动杆以及传动轴，透明盘和反转盘相平行，主轴、副轴和传动轴均安装在透明盘和反转盘之间，主动杆和从动杆分别安装在主轴和副轴的端部上，且与透明板相平行，主轴、副轴和传动轴上均安装有两个直齿轮，两个直齿轮分别为大齿轮和小齿轮，且大齿轮和小齿轮之间固定连接，其中主轴和副轴上的大齿轮和小齿轮的安装位置相对应，传动轴位于主轴和副轴之间，且传动轴可轴向移动，当传动轴沿轴向推进箱体中时，其上的大齿轮与主轴和副轴上的小齿轮相啮合，当传动轴沿轴向拉出箱体时，其上的小齿轮与主轴和副轴上的大齿轮相啮合。

4.根据权利要求1所述的用于模拟反转法的组合教具，其特征在于：所述的凸轮机构模拟部件包括主轴、反转盘、凸轮盘、推杆以及推杆架，其中反转盘安装在箱体的侧壁上且可旋转，凸轮盘安装固定在主轴的外端上且随轴旋转，凸轮盘与反转盘平行，推杆架固定在反转盘上，推杆安装在推杆架中。

5.根据权利要求4所述的用于模拟反转法的组合教具，其特征在于：所述的组合教具中还设有电子控制部件，所述的电子控制部件包括旋转编码器、驱动器、单片机和步进电机，所述的旋转编码器安装在手柄上，用于获取手柄的旋转速度和旋转方向，所述的步进电机安装于推杆架上，控制推杆运动，旋转编码器与单片机连接将获取的参数传输至单片机，单片机通过驱动器控制步进电机运动。