淺談便攜式連桿繪圖儀教具的制作

張善勤

摘要：本項(xiàng)目針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)采用的無(wú)實(shí)物PPT講解，不直觀不形象的缺點(diǎn)，進(jìn)而設(shè)計(jì)一款連桿繪圖儀教具，利用這種實(shí)物模型教學(xué)，便于學(xué)生理解連桿的特點(diǎn)。該產(chǎn)品采用鋁合金制作，易加工、易攜帶，可實(shí)現(xiàn)各種連桿機(jī)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換，并能繪制不同的連桿曲線。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要分為三部分：基座和支架采用折疊和伸縮結(jié)構(gòu)，動(dòng)力部分采用手搖桿結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)部分采用滑塊、連桿和一些鉸鏈接，并通過(guò)控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各連桿機(jī)構(gòu)間的轉(zhuǎn)換和繪制各種圖形。

關(guān)鍵詞：連桿繪圖儀;教具;基座

0? 引言

便攜式連桿繪圖儀，包括機(jī)架、主動(dòng)件組、從動(dòng)件組、連桿和繪圖桿，所述機(jī)架由底座、框架桿、立式支撐座和線軌構(gòu)成。該裝置包括一個(gè)手輪、一個(gè)聯(lián)軸器和滑塊組成。該裝置通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪、滑塊、從動(dòng)框架連桿和第四軸、第二滑塊和從動(dòng)框架連桿組合而成，連桿的一端通過(guò)第二波與底盤(pán)對(duì)準(zhǔn)，連桿的另一端通過(guò)第三軸與從動(dòng)架連接器。對(duì)準(zhǔn)這個(gè)牽引桿可以通過(guò)第五軸設(shè)置在任何一個(gè)桿上達(dá)到不同形式圖形的繪制，機(jī)構(gòu)各部分均采用輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)方便攜帶且不易損壞。

1? 概述

1.1 繪圖儀的概念

根據(jù)人們的需要自動(dòng)繪制圖形的設(shè)備它可以以圖形的形式輸出計(jì)算機(jī)的信息，特別能對(duì)不同的管理卡和統(tǒng)計(jì)圖、大地測(cè)量圖、便攜式繪圖儀教材設(shè)計(jì)圖、開(kāi)關(guān)線路圖、繪制各種機(jī)械圖紙和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

1.2 繪圖儀性能

繪圖儀是一種輸出圖形的硬拷貝設(shè)備。繪圖儀在繪圖軟件的支持下可繪制出復(fù)雜、精確的圖形，是各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不可缺少的工具。繪圖儀的性能指標(biāo)主要有繪圖筆數(shù)、圖紙尺寸、分辨率、接口形式及繪圖語(yǔ)言等。

1.3 繪圖儀的構(gòu)成

繪圖儀通常由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、插補(bǔ)器、電路板、繪圖臺(tái)、彈簧座、機(jī)械齒輪等組成。只是當(dāng)軟硬件結(jié)合在一起時(shí)，我們用畫(huà)畫(huà)這個(gè)應(yīng)用軟件。繪圖儀有很多種，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和工作方式可分為滾筒式和平板式。

1.4 連桿機(jī)構(gòu)

由若干剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接而成的機(jī)構(gòu)稱為連桿機(jī)構(gòu)，其特征是有一作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，稱為連桿，連桿機(jī)構(gòu)又稱為低副機(jī)構(gòu)。其廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、攪拌機(jī)、輸送機(jī)、橢圓儀、機(jī)械手爪、牛頭刨床、開(kāi)窗、車(chē)門(mén)、機(jī)器人、折疊傘等。

根據(jù)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)可分為平面連桿和空間連桿平面連接是一種聯(lián)合練習(xí)牽引機(jī)構(gòu)。是指剛性構(gòu)件全部低對(duì)連接，所以也是低對(duì)機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械、儀表和控制裝置計(jì)劃?rùn)C(jī)制頻繁如何使用。活塞驅(qū)動(dòng)、水泵和空氣壓縮機(jī)以及夾子、槽、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、顎式破碎機(jī)、旋轉(zhuǎn)式輸送機(jī)、印刷機(jī)，紡織機(jī)械與其他基本機(jī)械是平面連桿在如果構(gòu)件不在同一平面或平行平面上移動(dòng)，則連接機(jī)構(gòu)稱為空間機(jī)構(gòu)。

2? 便攜式連桿繪圖儀教具項(xiàng)目研究背景

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

廣泛使用的包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、紡織機(jī)械、印刷機(jī)、組合刀具等平面連接機(jī)構(gòu)是平面機(jī)構(gòu)，具有旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)對(duì)的所有組件這個(gè)最簡(jiǎn)單的平面耦合機(jī)構(gòu)，由所有轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的平面四邊形機(jī)構(gòu)稱為四邊形機(jī)構(gòu)，也是平面方形機(jī)構(gòu)最基本的。這種連接機(jī)構(gòu)不僅制作簡(jiǎn)單、可靠，而且可以有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡意識(shí)了。不過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平很高，互連機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法的研究一直是眾多數(shù)學(xué)家、工程技術(shù)人員和科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

2.2 工作條件

項(xiàng)目由天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)刀具實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地組成。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地配有齊全的機(jī)床及加工設(shè)備，代表了項(xiàng)目硬件的實(shí)際情況，團(tuán)隊(duì)成員有相應(yīng)的處理基礎(chǔ)和豐富的理論基礎(chǔ)，支持項(xiàng)目的理論可行性。

2.3 項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

2.3.1 研究目標(biāo)

制作一款方便攜帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可繪制多種圖形，并實(shí)現(xiàn)不同連桿之間相互轉(zhuǎn)換的連桿繪圖儀。使教師在教學(xué)中方便講解連桿的特點(diǎn)，學(xué)生更容易直觀接受知識(shí)點(diǎn)，提高教學(xué)效率。

2.3.2 主要內(nèi)容

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多元化繪圖的機(jī)構(gòu)，連桿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作、基座的設(shè)計(jì)制作。

3? 項(xiàng)目創(chuàng)新特色

①該裝置是一個(gè)純機(jī)械結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低;②裝置維護(hù)簡(jiǎn)單，操作方便，易于大規(guī)模推廣;③拆裝方便，便于攜帶，提高空間利用率;④可多元化繪制連桿曲線，或者三角形、圓、橢圓等;⑤實(shí)現(xiàn)各連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，更容易理解各連桿的特點(diǎn);⑥該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由板書(shū)多媒體教學(xué)等一維二維教學(xué)方式到實(shí)物教學(xué)的三維的跳躍。

4? 項(xiàng)目研究技術(shù)路線

4.1 便攜半自動(dòng)化連桿繪圖儀的設(shè)計(jì)

方案一：根據(jù)要求要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易繪圖儀，我們想的第一種方案就是根據(jù)平臺(tái)繪圖儀的結(jié)構(gòu)來(lái)開(kāi)始設(shè)計(jì)，平臺(tái)上固定支架。平臺(tái)下方采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制。一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制平臺(tái)沿X軸移動(dòng)，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制水平工作臺(tái)沿Y軸移動(dòng)。方案二：第二種方案就是下面的有機(jī)玻璃平臺(tái)不動(dòng)，上面的筆來(lái)動(dòng)，在筆上安裝卡輪，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)使筆運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)控制筆沿X軸運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)控制筆沿Y軸運(yùn)動(dòng)，由于兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的速度不同，筆按要求移動(dòng)，然后完成一系列動(dòng)作。方案三：第三種方案就是水平平臺(tái)和筆都動(dòng)的情況，用一個(gè)電機(jī)來(lái)控制有機(jī)玻璃平臺(tái)板沿X軸運(yùn)動(dòng)，使用引擎控制平臺(tái)上的筆沿Y軸移動(dòng)快走?？客ㄟ^(guò)控制兩臺(tái)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制玻璃板和筆，可以畫(huà)在紙上英文或漢字上所寫(xiě)的相應(yīng)圓圈。

4.2 基座的鎖定與折疊設(shè)計(jì)

制備一種具有一個(gè)或多個(gè)突出物的底涂層，所述基體具有與所述基底涂層的前進(jìn)方向相對(duì)應(yīng)的褶皺，并且所述基底涂層通過(guò)鍛造組裝到所述基體中，其中，在鍛造過(guò)程中，至少有突出部分和每個(gè)褶皺發(fā)生塑性變形，以便它們能夠相互作用。單個(gè)假體和至少褶皺的輪廓形狀經(jīng)過(guò)局部修改，使得鉛和皺紋具有不同的截面。

4.3 外輪廓的折疊方案設(shè)計(jì)

本實(shí)用新型涉及一種可折疊便攜式左手繪圖儀輔助外形，包括兩個(gè)X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)Z軸支架，每個(gè)Z軸支架折疊連接到兩個(gè)X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，Y軸支架設(shè)置在兩個(gè)Z軸支架之間，兩個(gè)Z軸支架的端部為旋轉(zhuǎn)連接到兩個(gè)X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而另一端的兩個(gè)軸支撐連接到Y(jié)軸的兩端這個(gè)X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)Z軸位置的襟翼驅(qū)動(dòng)裝置，抬起并折疊。折疊式便攜式左繪圖儀指令的Z軸支架和X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有助于輪廓形成祭壇連接結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在打印便攜式標(biāo)尺繪圖儀教具輪廓時(shí)，不僅可以快速、精確地改變Z軸上噴嘴的高度，而且可以將Z軸支架和X軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行折疊和運(yùn)輸，從而大大提高了等高線研究者在運(yùn)輸定位布置中的便攜式連接線抽簽教學(xué)的工作效率。

為了實(shí)現(xiàn)四級(jí)桿的進(jìn)化功能，我們需要四根桿，以便在桿長(zhǎng)滿足使用要求時(shí)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)桿長(zhǎng)的伸縮和桿長(zhǎng)的固定致在我們計(jì)劃的同時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)“支撐點(diǎn)”鉸鏈四個(gè)桿和繪圖板，一個(gè)折疊框架設(shè)計(jì)。不同的要求在彩筆畫(huà)與畫(huà)板的距離上也有所不同。在此基礎(chǔ)上，我們計(jì)劃采用螺桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)它們之間的距離。

4.4 連桿的連接方案設(shè)計(jì)

本實(shí)用新型打開(kāi)連桿機(jī)構(gòu)和連桿，連桿由第一連桿和第二連桿組成，第二連桿的端部裝有一對(duì)導(dǎo)軌，第二連桿的端部夾持在導(dǎo)軌上，連桿還包括一個(gè)連桿，連桿由一個(gè)可以繞著導(dǎo)軌和夾板旋轉(zhuǎn)的銷(xiāo)波組成中間軸。第二個(gè)連桿的末端;在軌道的外側(cè)有一個(gè)連接銷(xiāo)軸的部件，所述銷(xiāo)軸的連接部牢固地連接到所述銷(xiāo)軸的一端;所述外殼通過(guò)連接部與軸的連接。這個(gè)供應(yīng)模型提供的連桿機(jī)構(gòu)和連桿;通過(guò)設(shè)置銷(xiāo)波將第一連桿的一端連接到第二連桿的端部，卡箍和銷(xiāo)軸的固定部分圍繞銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)，最后在第二連桿處連接卡住了。比較一下以最先進(jìn)的技術(shù)簡(jiǎn)化連桿機(jī)構(gòu)和連桿提供了連接結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程。

4.5 滑軌滑塊的滑動(dòng)與鎖定方案設(shè)計(jì)

可完成各種形式平面四梁機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括曲柄搖桿、雙曲柄、雙搖桿正、負(fù)平行柱塞機(jī)構(gòu)、等腰梯形機(jī)構(gòu)、離心滑塊、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)等，機(jī)構(gòu)的發(fā)展主要取決于部件形狀和尺寸的變化（旋轉(zhuǎn)副變成運(yùn)動(dòng)副），以及有兩種可能的框架交換：曲軸搖桿，雙軸，雙搖桿，正負(fù)平行四邊形機(jī)構(gòu)和等腰梯形機(jī)構(gòu)。它們都可以通過(guò)以下四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)來(lái)展開(kāi)，只需用蝶形螺釘將滑塊固定在桿上，與滑塊相對(duì)應(yīng)的只是一個(gè)鉸鏈點(diǎn)，然后相應(yīng)地調(diào)整桿的長(zhǎng)度。

如果有滑塊，可以分為滑塊機(jī)構(gòu)和雙滑塊機(jī)構(gòu)。個(gè)別滑動(dòng)機(jī)構(gòu)包括離心曲線滑塊機(jī)構(gòu)、偏心曲線滑塊機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、曲軸機(jī)構(gòu)和固定閉鎖機(jī)構(gòu)。雙滑塊機(jī)構(gòu)包括正弦機(jī)構(gòu)、切線機(jī)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)。

4.6 創(chuàng)建三維模型運(yùn)動(dòng)仿真改進(jìn)

要?jiǎng)?chuàng)建三維模型，首先需要學(xué)習(xí)如何在三維空間中定位點(diǎn)，以及如何創(chuàng)建用于編輯和表達(dá)Xi-YZ空間的數(shù)字表格生成點(diǎn)線和面是構(gòu)成三維物體的基本元素。由XYZ位置簡(jiǎn)單定義;直線可由兩個(gè)端點(diǎn)的XYZ位置定義;邊界可由兩個(gè)相鄰曲面定義;平面可由其邊界線的位置定義通常都是一個(gè)物體由幾個(gè)點(diǎn)組成，線條與曲面這個(gè)建立一個(gè)三維模型要處理大量的數(shù)據(jù)，模型越詳細(xì)就要處理越復(fù)雜的數(shù)據(jù)，因此我們必須使用計(jì)算工具來(lái)創(chuàng)建三維模型。

4.7 各部件的材質(zhì)確定及檢驗(yàn)

針對(duì)連桿繪圖儀的材質(zhì)選擇，需要遵循耐用經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行集中采購(gòu)。同時(shí)要注重根據(jù)不同的設(shè)計(jì)單位進(jìn)行安排，有的部分可以用軟一點(diǎn)，有些部分用硬一些的材料都可以。此外，對(duì)于材料的檢驗(yàn)工作也是至關(guān)重要的，不能放過(guò)任何一處發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，需要對(duì)不同的問(wèn)題進(jìn)行解析和解決才能保證教具的應(yīng)用。

4.8 產(chǎn)品的制作與使用實(shí)踐

可進(jìn)行雷達(dá)角度俯仰動(dòng)作的演示，其由曲柄搖桿和雷達(dá)兩部分組成。還可進(jìn)行攪拌機(jī)攪拌動(dòng)作的演示，雙作用式水泵工作原理的演示。

4.9 優(yōu)化產(chǎn)品

剪叉機(jī)構(gòu)的使用，使機(jī)架能夠?qū)崿F(xiàn)折疊，方便攜帶。通過(guò)滑塊和蝶形螺栓的組合，滑塊在四根桿上滑動(dòng)，起到更強(qiáng)的作用重心。四梁連接的演變過(guò)程與同步運(yùn)動(dòng)曲線的繪制過(guò)程相結(jié)合，使教學(xué)方法更加新穎有趣。

5? 結(jié)論

該教具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于機(jī)械基礎(chǔ)課中平面聯(lián)軸器機(jī)構(gòu)的輔助教學(xué)由于其連接機(jī)制的進(jìn)化功能具有優(yōu)勢(shì)，“有多種用途的物體”存在。擴(kuò)展內(nèi)容和實(shí)例相結(jié)合可以增加教學(xué)興趣。此外，本實(shí)用新型體積小、重量輕、磨損輕、滲透性強(qiáng)耐久性。同時(shí)可以是一系列環(huán)節(jié)到教輔組，通過(guò)一系列的環(huán)節(jié)來(lái)支持教輔，體現(xiàn)出各種力學(xué)原理的知識(shí)點(diǎn)，可以提高教學(xué)效果，使教學(xué)更有針對(duì)性和適用性。

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