CN104008699B - 凸轮实验教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮实验教具，包括机架以及设置在机架上的双向凸轮组机构、双向推板机构、写字台机构和控制上述机构运动的底部传动机构，所述的双向凸轮组机构包括X向凸轮组、Y向凸轮组、X向凸轮轴、Y向凸轮轴、X向凸轮抬升板、Y向凸轮抬升板、X向滑轮、Y向滑轮、X向导杆以及Y向导杆，所述的写字台机构包括工作台、法兰直线轴承、笔夹具、笔杆、抬升凸轮与抬升顶针，所述的工作台通过所述的法兰直线轴承固设在所述的机架上，所述的笔夹具设置在所述的工作台上。本发明采用组合可变式凸轮机构，结合多档调控方法，可演示凸轮的基本知识点与文字等复杂图形的绘画；同时，采用平面二维编码的思想，将复杂图形投射到矩阵中。

Description

凸轮实验教具

技术领域

本发明涉及一种凸轮实验教具，属于教学仪器领域。

背景技术

我国对凸轮机构的应用和研究已有多年的历史，凸轮机构在包装机械、食品机械等自动化设备中均有大量的应用。但是，与先进国家比较，我国对凸轮机构的研究仍有较大差距，特别是在振动、加工、产品开发方面。

另一方面，在很多高校相关专业的课程学习中，凸轮机构虽是《机械原理》的必要学习内容，但其对于凸轮这一知识面的讲解比较抽象。而现有的凸轮实验教具只能简单地演示凸轮从动件的运动，功能单一，限制了教学内容，且用于演示的教具大多为整式机，无法拆卸组装，可操作性不强，限制了学生动手实践的能力。

以上的种种因素导致了学生对于凸轮学习的热情低迷，所以有必要设计一款直观，形象的凸轮实验教具，让高校的同学们通过亲自动手实践，来进一步掌握凸轮的工作原理以及感受到凸轮机构的巧妙性，从而建立起对于凸轮学习的浓厚兴趣，为进一步研究凸轮机构打下良好的基础，也为国家实现凸轮机构的深入研究以及广泛应用储备人才。

发明内容

为了克服现有课程学习中针对凸轮机构这一知识面的讲解比较抽象、现有教具功能单一，限制了教学内容，且用于演示的教具大多为整式机，无法拆卸组装，可操作性不强，限制了学生动手实践的能力等的缺点，本发明提供一种具有组合式可变凸轮机构、并具有多档调控功能的凸轮实验教具，通过绘制文字及复杂图形的方式直观，形象地演示凸轮的基本知识点，使学生建立起对于凸轮机构学习的兴趣的凸轮实验教具。

本发明采用的技术方案是：

凸轮实验教具，其特征在于：包括机架以及设置在机架上的双向凸轮组机构、双向推板机构、写字台机构和控制上述机构运动的底部传动机构，

所述的双向凸轮组机构包括X向凸轮组、Y向凸轮组、X向凸轮轴、Y向凸轮轴、X向凸轮抬升板、Y向凸轮抬升板、X向滑轮、Y向滑轮、X向导杆以及Y向导杆，所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组分别设置在所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板上；所述的X向凸轮轴以及Y向凸轮轴分别穿过所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板的中心，且所述的X向凸轮轴以及Y向凸轮轴分别与所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组平键连接，所述的X向凸轮抬升板以及Y向凸轮抬升板安装在所述的机架上，所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板上方的机架上分别安装有X向导杆以及Y向导杆，所述的X向滑轮和Y向滑轮分别对称分布在X向导杆以及Y向导杆的两侧，所述的X向导杆和Y向导杆分别滑动连接在所述的机架上且可分别带动所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组上下移动；

所述的双向推板机构包括X向推板、Y向推板、X向推板顶针和Y向推板顶针，所述的X向推板搭接在所述的Y向推板上，所述的X向推板顶针的一端固定在X向推板的外侧，另一端与所述的X向凸轮组触接；所述的Y向推板顶针的一端与所示的Y向凸轮组的外轮廓触接，另一端与Y向推板连接；

所述的写字台机构包括工作台、法兰直线轴承、笔夹具、笔杆、抬升凸轮与抬升顶针，所述的工作台通过所述的法兰直线轴承固设在所述的机架上，所述的笔夹具设置在所述的工作台上，所述的笔夹具与所述的X向推板相连，所述的笔杆固设在所述的笔夹具上；所述的抬升顶针固定在所述的工作台的下方，所述的抬升凸轮设置在所述的抬升顶针的下方，并与所述的抬升顶针触接；

所述的底部传动机构包括电机、X向转轴、Y向转轴、直齿轮、90°锥齿轮、槽轮、驱动皮带轮、X向皮带轮、Y向皮带轮、X向绕线器、Y向绕线器，所述的电机的电机轴与所述的直齿轮传动连接，所述的直齿轮与所述的90°锥齿轮相互啮合，所述的90°锥齿轮与驱动皮带轮啮合，所述的驱动皮带轮分别通过同步带与所述的X向皮带轮与Y向皮带轮传动连接，所述的X向皮带轮和Y向皮带轮分别套设在所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴上并分别与所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴过盈配合，所述的驱动皮带轮带动X向凸轮组与Y向凸轮组同步旋转；所述的X向转轴与Y向转轴通过锥齿轮相啮合，所述的X向转轴上设置有X向绕线器，所述的Y向转轴上设置有Y向绕线器，所述的槽轮与所述的电机的转轴传动连接，并且所述的槽轮与Y向转轴传动连接，所述的X向绕线器与X向滑轮之间和所述的Y向绕线器与Y向滑轮之间分别绕有绕线，所述的绕线实现X向凸轮组和Y向凸轮组的抬升。

进一步，所述的X向凸轮组和Y向凸轮组分别由多个上下叠置的凸轮单元组成，所述的凸轮单元包括凸轮基准块以及配合设置在凸轮基准块外缘的凸轮分块，所述的凸轮基准块包括多边形凸轮基体和曲面基体，所述的多边形凸轮基体和曲面基体一体式连接；所述的凸轮分块配合设置在多边形凸轮基体的各边上，每个所述的凸轮分块上设置有凸起，所述的多边形凸轮基体的各边上相应位置开有与所述的凸起配合使用的防止凸轮分块周向滑动的凹槽。

进一步，所述的多边形凸轮基体的各边上均设有第一卡槽，所述的第一卡槽内设置有磁体；所述的凸轮分块上与所述的多边形凸轮基体的边相接触的边上设置有第二卡槽，所述的第二卡槽内设置有与所述的磁体极性相反的磁头，所述的多边形凸轮基体与所述的凸轮分块通过磁体和磁头的磁力连接。

进一步，所述的曲面基体的两端端点与相邻凸轮分块连接的端点在同一圆周上；相邻凸轮分块的两端端点均在同一圆周上。

进一步，所述的X向皮带轮与驱动皮带轮之间以及Y向皮带轮与驱动皮带轮之间分别设置有用于防止同步带打滑的张紧轮。

进一步，所的槽轮为60°槽轮，所述的60°槽轮包括拨盘和从动轮，所述的拨盘与所述的电机的转轴传动连接，所述的从动轮与所述的拨盘连接，所述的从动轮套设在所述的Y向转轴上。

本发明中平面二维编码方案如下所示：

将每个凸轮单元分成五个凸轮分块和一个凸轮基准块，基准块上的60°扇形圆弧(即曲面基体)为基圆，其曲率半径标记为ρ₀。剩下的五个凸轮分块各占据凸轮单元上60°的圆心角。其中，凸轮分块端部的曲率半径共有7种大小，由小到大依次标号为ρ₀，ρ₁，ρ₂，ρ₃，ρ₄，ρ₅，ρ₆。且： $\begin{array}{c}({\mathrm{\ρ}}_6-{\mathrm{\ρ}}_5)=({\mathrm{\ρ}}_5-{\mathrm{\ρ}}_4)=({\mathrm{\ρ}}_4-{\mathrm{\ρ}}_3)\\ =({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_2)=({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)=({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_0)\end{array};$ 基准块与分块之间采用磁连接。运动时，以X轴方向为例，当曲率半径为ρ₀的凸轮单元轮廓与X向推板接触时，笔杆位于坐标零点；而当曲率半径为ρ₁的轮廓与X向推板接触时，笔杆向右移动1个单位长度；ρ₂则移动2个单位长度，以此类推，笔杆在X向上能运动的最大距离为6个单位长度。同理，Y轴上的运动也如此。于是，通过X向与Y向的联动，其运动范围便覆盖了一个6×6的矩阵，而笔杆每一次的位置点均在矩阵的节点上。

本发明中换挡方案如下所示：

当上一块凸轮单元作用完毕时，绕线器带动绕线将凸轮抬升板向上拉升一定的距离，使得推板顶针从上一块凸轮单元的基圆处平稳过渡至下一块凸轮单元的基圆处，实现换挡的过程。

本发明的有益效果体现在：在教学演示基础上，增加了凸轮轮廓设计部分，打破了现有凸轮教具对于教学内容的局限；根据模块化重构的思想，采用组合式可变凸轮，结合多档调控方法，可演示凸轮的基本知识点及复杂图形的绘制；此外，本教具将复杂的图形投射到矩阵中，利用平面二维编码的方法，可实现任意几何图形与文字的路径规划。

附图说明

图1为本发明专利的正视图。

图2为本发明专利的右视图。

图3为底部传动机构图。

图4为写字台机构结构示意图。

图5为局部结构直观图。

图6a为组合式凸轮中凸轮单元的拆分结构示意图。

图6b为凸轮单元整体示意图。

具体实施方式

参照图1至图6b，凸轮实验教具，包括机架以及设置在机架上的双向凸轮组机构、双向推板机构、写字台机构和控制上述机构运动的底部传动机构，

所述的双向凸轮组机构包括X向凸轮组4、Y向凸轮组1、X向凸轮轴、Y向凸轮轴、X向凸轮抬升板23、Y向凸轮抬升板、X向滑轮20、Y向滑轮21、X向导杆22以及Y向导杆，所述的X向凸轮组4以及Y向凸轮组1分别设置在所述的X向凸轮抬升板23和Y向凸轮抬升板上；所述的X向凸轮轴7以及Y向凸轮轴7分别穿过所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板的中心，且所述的X向凸轮轴以及Y向凸轮轴分别与所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组平键连接，所述的X向凸轮抬升板以及Y向凸轮抬升板安装在所述的机架上，所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板上方的机架上分别安装有X向导杆以及Y向导杆，所述的X向滑轮和Y向滑轮分别对称分布在X向导杆以及Y向导杆的两侧，所述的X向导杆和Y向导杆分别滑动连接在所述的机架上且可分别带动所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组上下移动；

所述的双向推板机构包括X向推板6、Y向推板3、X向推板顶针5和Y向推板顶针2，所述的X向推板6搭接在所述的Y向推板3上，所述的X向推板顶针5的一端固定在X向推板6的外侧，另一端与所述的X向凸轮组4触接；所述的Y向推板顶针2的一端与所示的Y向凸轮组1的外轮廓触接，另一端与Y向推板3连接；

所述的写字台机构包括工作台17、法兰直线轴承、笔夹具16、笔杆15、抬升凸轮19与抬升顶针18，所述的工作台17通过所述的法兰直线轴承固设在所述的机架上，所述的笔夹具16设置在所述的工作台17上，所述的笔夹具16与所述的X向推板6相连，所述的笔杆15固设在所述的笔夹具16上；所述的抬升顶针18固定在所述的工作台17的下方，所述的抬升凸轮19设置在所述的抬升顶针18的下方，并与所述的抬升顶针18触接；

所述的底部传动机构包括电机14、X向转轴27、Y向转轴26、直齿轮12、90°锥齿轮13、槽轮24、驱动皮带轮11、X向皮带轮8、Y向皮带轮9、X向绕线器28、Y向绕线器25，所述的电机14的电机轴与所述的直齿轮12传动连接，所述的直齿轮12与所述的90°锥齿轮13相互啮合，所述的90°锥齿轮13与驱动皮带轮11啮合，所述的驱动皮带轮11分别通过同步带与所述的X向皮带轮8与Y向皮带轮9传动连接，所述的X向皮带轮8和Y向皮带轮9分别套设在所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴上并分别与所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴过盈配合，所述的驱动皮带轮11带动X向凸轮组4与Y向凸轮组1同步旋转；所述的X向转轴27与Y向转轴26通过锥齿轮相啮合，所述的X向转轴27上设置有X向绕线器28，所述的Y向转轴26上设置有Y向绕线器25，所述的槽轮24与所述的电机14的转轴传动连接，并且所述的槽轮24与Y向转轴27传动连接，所述的X向绕线器28与X向滑轮20之间和所述的Y向绕线器25与Y向滑轮21之间分别绕有绕线，所述的绕线实现X向凸轮组和Y向凸轮组的抬升。

进一步，所述的X向凸轮组和Y向凸轮组分别由多个上下叠置的凸轮单元组成，所述的凸轮单元包括凸轮基准块41以及配合设置在凸轮基准块外缘的凸轮分块42，所述的凸轮基准块41包括多边形凸轮基体和曲面基体，所述的多边形凸轮基体和曲面基体一体式连接；所述的凸轮分块42配合设置在多边形凸轮基体的各边上，每个所述的凸轮分块42上设置有凸起421，所述的多边形凸轮基体的各边上相应位置开有与所述的凸起配合使用的防止凸轮分块周向滑动的凹槽411。

进一步，所述的多边形凸轮基体的各边上均设有第一卡槽412，所述的第一卡槽内设置有磁体413；所述的凸轮分块42上与所述的多边形凸轮基体的边相接触的边上设置有第二卡槽422，所述的第二卡槽内设置有与所述的磁体极性相反的磁头423，所述的多边形凸轮基体与所述的凸轮分块通过磁体和磁头的磁力连接。

进一步，所述的曲面基体的两端端点与相邻凸轮分块连接的端点在同一圆周上；相邻凸轮分块的两端端点均在同一圆周上。

进一步，所述的X向皮带轮8与驱动皮带轮11之间以及Y向皮带轮9与驱动皮带轮11之间分别设置有用于防止同步带打滑的张紧轮10。

进一步，所的槽轮24为60°槽轮，所述的60°槽轮包括拨盘和从动轮，所述的拨盘与所述的电机的转轴传动连接，所述的从动轮与所述的拨盘连接，所述的从动轮套设在所述的Y向转轴上。

使用时，首先，根据要书写的字体，分析其由几笔笔画所组成(教具走的一笔只为线性的一笔，如横竖撇捺点，复杂的笔画由几个线性笔画所组成)。由于每个凸轮单元控制两笔的书写，可因此确定在每个方向上需要几个凸轮单元(如六画就需要六个，X与Y方向上各三个)。再观察其由哪几个笔画所组成，在6×6的方格中确定其所占据的合适的位置，并据此挑选每个凸轮的基圆上所需安装的凸轮分块，将其按顺序吸附在凸轮的基圆上。以y向凸轮机构为例，当y向凸轮组安装完成后，将y向推板顶针顶在第一个凸轮单元的外轮廓上，推板顶针的另一端则与y向推板相连。此时的工作台17应处于最高位置，笔杆15则停在原点。

准备完成后，闭合开关，电机14通过直齿轮13，90°锥齿轮12传动，带动驱动皮带轮11转动，之后通过同步带传动，带动X向皮带轮8与Y向皮带轮9的转动。其中，张紧轮10用来防止同步带的打滑，保证同步带传动的可靠性。由于X向皮带轮8与Y向皮带轮9分别与X向和Y向的凸轮轴7过盈配合，则两向皮带轮的转动又带动X与Y两个方向上的凸轮轴7的旋转，继而将动力传递给Y向凸轮组1与x向凸轮组4。而两个方向上的推板顶针2与5分别在旋转的凸轮组1与4的作用下，控制固定在x向推板6上的笔夹具16进行着推程-回程的往复运动，而笔杆15由于固定在笔夹具16上，则亦进行着相同的运动。此外，写字台机构为了配合笔杆的运动，在推程时，抬升凸轮19的最大轮廓半径处与抬升顶针18接触，使工作台17上升到最高点。而笔杆15回程时，抬升凸轮19控制工作台17下降。

这样的X与Y两向凸轮配合作用便写出特定的两笔笔画。以下介绍换挡过程：

对于x向凸轮组4的抬升，待一个凸轮单元作用完成后，槽轮24转过60°，带动y向转轴26相应地转过一个角度，y向转轴26又经由锥齿轮带动x向转轴27转过一定角度，而绕过固定在导杆22上的x向滑轮20，连接x向转轴27上的x向绕线器28与x向凸轮抬升板23的绕线在受到指向x向转轴27轴的拉力作用下，向上拉动x向凸轮抬升板23，从而使x向凸轮组4向上抬升一定距离，使得x向推板顶针5与第二个凸轮单元接触。

而对于y向凸轮的抬升，由于槽轮24直接带动y向转轴26转过一个角度，则连接y向绕线器25与y向滑轮21的绕线便拉动y向凸轮1向上运动。此外，由于x向转轴27与y向转轴26是同时转动，则保证了两向凸轮组亦是同时抬升，从而平稳地进入下一个运动过程。

依此类推，直到所有的凸轮作用完毕，相应的字体也就书写完成。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.凸轮实验教具，其特征在于：包括机架以及设置在机架上的双向凸轮组机构、双向推板机构、写字台机构和控制上述机构运动的底部传动机构，

所述的双向凸轮组机构包括X向凸轮组、Y向凸轮组、X向凸轮轴、Y向凸轮轴、X向凸轮抬升板、Y向凸轮抬升板、X向滑轮、Y向滑轮、X向导杆以及Y向导杆，所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组分别设置在所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板上；所述的X向凸轮轴以及Y向凸轮轴分别穿过所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板的中心，且所述的X向凸轮轴以及Y向凸轮轴分别与所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组平键连接，所述的X向凸轮抬升板以及Y向凸轮抬升板安装在所述的机架上，所述的X向凸轮抬升板和Y向凸轮抬升板上方的机架上分别安装有X向导杆以及Y向导杆，所述的X向滑轮和Y向滑轮分别对称分布在X向导杆以及Y向导杆的两侧，所述的X向导杆和Y向导杆分别滑动连接在所述的机架上且可分别带动所述的X向凸轮组以及Y向凸轮组上下移动；

所述的双向推板机构包括X向推板、Y向推板、X向推板顶针和Y向推板顶针，所述的X向推板搭接在所述的Y向推板上，所述的X向推板顶针的一端固定在X向推板的外侧，另一端与所述的X向凸轮组触接；所述的Y向推板顶针的一端与所述的Y向凸轮组的外轮廓触接，另一端与Y向推板连接；

所述的写字台机构包括工作台、法兰直线轴承、笔夹具、笔杆、抬升凸轮与抬升顶针，所述的工作台通过所述的法兰直线轴承固设在所述的机架上，所述的笔夹具设置在所述的工作台上，所述的笔夹具与所述的X向推板相连，所述的笔杆固设在所述的笔夹具上；所述的抬升顶针固定在所述的工作台的下方，所述的抬升凸轮设置在所述的抬升顶针的下方，并与所述的抬升顶针触接；

所述的底部传动机构包括电机、X向转轴、Y向转轴、直齿轮、90°锥齿轮、槽轮、驱动皮带轮、X向皮带轮、Y向皮带轮、X向绕线器以及Y向绕线器，所述的电机的电机轴与所述的直齿轮传动连接，所述的直齿轮与所述的90°锥齿轮相互啮合，所述的90°锥齿轮与驱动皮带轮啮合，所述的驱动皮带轮分别通过同步带与所述的X向皮带轮与Y向皮带轮传动连接，所述的X向皮带轮和Y向皮带轮分别套设在所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴上并分别与所述的X向凸轮轴与Y向凸轮轴过盈配合，所述的驱动皮带轮带动X向凸轮组与Y向凸轮组同步旋转；所述的X向转轴与Y向转轴通过锥齿轮相啮合，所述的X向转轴上设置有X向绕线器，所述的Y向转轴上设置有Y向绕线器，所述的槽轮与所述的电机的转轴传动连接，并且所述的槽轮与Y向转轴传动连接，所述的X向绕线器与X向滑轮之间和所述的Y向绕线器与Y向滑轮之间分别绕有绕线，所述的绕线实现X向凸轮组和Y向凸轮组的抬升。

2.如权利要求1所述的凸轮实验教具，其特征在于：所述的X向凸轮组和Y向凸轮组分别由多个上下叠置的凸轮单元组成，所述的凸轮单元包括凸轮基准块以及配合设置在凸轮基准块外缘的凸轮分块，所述的凸轮基准块包括多边形凸轮基体和曲面基体，所述的多边形凸轮基体和曲面基体一体式连接；所述的凸轮分块配合设置在多边形凸轮基体的各边上，每个所述的凸轮分块上设置有凸起，所述的多边形凸轮基体的各边上相应位置开有与所述的凸起配合使用的防止凸轮分块周向滑动的凹槽。

3.如权利要求2所述的凸轮实验教具，其特征在于：所述的多边形凸轮基体的各边上均设有第一卡槽，所述的第一卡槽内设置有磁体；所述的凸轮分块上与所述的多边形凸轮基体的边相接触的边上设置有第二卡槽，所述的第二卡槽内设置有与所述的磁体极性相反的磁头，所述的多边形凸轮基体与所述的凸轮分块通过磁体和磁头的磁力连接。

4.如权利要求3所述的凸轮实验教具，其特征在于：所述的曲面基体的两端端点与相邻凸轮分块连接的端点在同一圆周上；相邻凸轮分块的两端端点均在同一圆周上。

5.如权利要求4所述的凸轮实验教具，其特征在于：所述的X向皮带轮与驱动皮带轮之间以及Y向皮带轮与驱动皮带轮之间分别设置有用于防止同步带打滑的张紧轮。

6.如权利要求5所述的凸轮实验教具，其特征在于：所的槽轮为60°槽轮，所述的60°槽轮包括拨盘和从动轮，所述的拨盘与所述的电机的转轴传动连接，所述的从动轮与所述的拨盘连接，所述的从动轮套设在所述的Y向转轴上。