CN104091512A - 基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，包括前板、后板、底座、底板和主轴五大部分，并通过其相互间的连接和运动关系，可将凸轮正转得到推杆运动规律曲线的功能及其反转得到凸轮廓线的功能结合于一体，验证反转法绘制凸轮廓线的原理，而且平动推杆和摆动推杆可简单地实现转换。在摆动推杆中，通过扇形齿轮与齿条间的啮合，实现了角位移的坐标化。本发明提出的基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置通过简单的机械结构可以实现各机构间复杂的相对运动，具有灵动轻便，易携带，操作简单，便于演示的优点。

Description

基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置

技术领域

本发明涉及教学教具技术领域，具体而言涉及一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置。

背景技术

现有的用于推杆运动规律演示系统演示系统多是大型的凸轮机构动态测试实验台，该实验台采用了步进电机驱动系统和高精度光栅尺测量系统可以测量出凸轮的真实运动轨迹及推杆每角度的运动位移，通过手工或计算机软件可以绘出凸轮的真实廓线及推杆的速度、加速度。而凸轮轮廓形成原理的演示系统几乎是空白的。

对于凸轮机构动态测试实验台存在如下不足：(1)实验台整体尺寸大，质量重，不易携带，只能安放在专用的实验室内；(2)实验台只能测量凸轮机构中相关运动参数及绘制凸轮的真实廓线，并没有将凸轮廓线的推导原理——凸轮反转法实现。(3)实验台能进行多种类型凸轮的转换，但不能实现平、摆动从动件的转换。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，通过凸轮正转得到推杆运动规律和根据反转法原理由推杆运动规律反求凸轮廓线，基于差动轮系机构实现两种情况的转换和比较，真实展现凸轮反转法原理。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：

一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，包括前板，后板，底座，底板和主轴，其中：

前板上设置有双联行星轮，在工作时，该前板作为双联行星轮的行星架，双联行星轮作为行星轮；

前板上设置有第一导轨-和定位滚子，后板上设置有与第一导轨-配合的第二导轨(-)和与定位滚子配合的滚子槽，第一导轨-与第二导轨-配合限定相对平动，滚子槽与定位滚子配合从而实现前板和后板的轴向定位；

前板上还设置有齿条和扇形齿，齿条在前板的阶梯槽内滑动，且齿条和扇形齿啮合；齿条的一端装有曲线画笔/模板滚子，其上固定连接以平动推杆，平动推杆上安装有模板滚子/曲线画笔，曲线画笔和模板滚子的相异组合；

后板上设置有模板导轨，一曲线模板和曲线画板插入在该模板导轨内并固定，其中一模板导轨上标有基圆大小刻度，另一模板导轨导轨上设置有大头螺钉用于固定曲线模板或曲线画板；

曲线模板上设置有一滚子槽位，前述齿条上设置有滚子，滚子可在所述曲线模板的滚子槽位内运动，实现齿条的上下平动；

底板作为整个装置的支撑架，其上装有直角架，并与所述底座相固联，最终实现稳定的支撑；

底板上安装有步进电机，电机的输出轴上安装有一蜗杆和一联轴器，联轴器的另一端与一个梅花把手相固联，涡杆与一涡轮配合，进而驱动后续机构；

主轴为一个空心轴，内部设置一根芯轴，依次安装有第二太阳轮，第一太阳轮，轴承，涡轮，轴承，第二太阳轮可在主轴上自由转动，第一太阳轮和涡轮均通过紧定螺钉与主轴固联，涡轮与电机输出轴上的蜗杆啮合，将电机输出的转动传递到主轴上；

芯轴的一端安装有止推轴承，通过压紧止推轴承实现主轴和芯轴在底板上的轴向定位；

芯轴通过螺纹连接与载物台固联，载物台通过螺钉与第二太阳轮固联，如此实现芯轴与第二太阳轮固联；

后板上设置有齿条，齿条与第二太阳轮啮合，实现后板的驱动；

载物台外表面贴有铁皮，凸轮通过定位销与载物台配合，同时凸轮内部嵌入多个磁铁，用于将凸轮固定在载物台上；

芯轴的另一端通过圆柱销与芯轴卡子固联，通过杠杆卡紧芯轴卡子；

第二太阳轮的一端凸台上设置有轴承，该轴承外圈与前板配合，该轴承支撑前板的部分重量；

第一太阳轮的另一端凸台上设置有另一轴承，该轴承外圈与后板配合，该轴承支撑后板的部分重量；

所述主轴上的轴承与一固定轴承组合使用，使主轴在后板上定位；

底板上设置有转换舵机，舵机输出轴固联前述杠杆，杠杆的一端通过销轴滑动副与一Y型接头相连，Y型接头上过盈配合一插轴，插轴插入前板的定位孔即可固定前板；杠杆的另一端卡入芯轴卡子使芯轴卡紧；

底板上设置有控制电路，用于驱动所述步进电机和转换舵机。

进一步的实施例中，所述底板上的控制电路为基于单片机控制的编程电路。

进一步的实施例中，所述底板上的控制电路中包括一无线遥控接收设备，用于接收遥控控制信号。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

1、双迹互换，将凸轮正转得到推杆运动规律曲线的功能及其反转得到凸轮廓线的功能结合于一体，验证了反转法绘制凸轮廓线的原理；

2、角度平动，在摆动推杆中，通过扇形齿轮与齿条间的啮合，实现了角位移的坐标化；

3、从简观繁，通过简单的机械结构可以实现各机构间复杂的相对运动；

4、多功能化，平动推杆和摆动推杆可简单地实现转换；

5、小巧灵动，轻便易携带；操作简单，便于演示。

附图说明

图1为本发明较优实施例基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置的结构示意图。

图2为图1实施例中前板的结构示意图。

图3为图1实施例中后板的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1所示，结合图2和图3，本实施例公开一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，其包括前板6，后板14，底座33，底板36和主轴21。

如图2结合图1所示，前板6上设置有双联行星轮40，在工作时，该前板6作为双联行星轮40的行星架，双联行星轮40作为行星轮。

前板6上设置有第一导轨34-1和定位滚子7，后板14上设置有与第一导轨34-1配合的第二导轨(34-2)和与定位滚子7配合的滚子槽，第一导轨34-1与第二导轨34-2配合限定相对平动，滚子槽与定位滚子7配合从而实现前板6和后板14的轴向定位。

前板6上还设置有齿条10和扇形齿38，齿条10在前板6的阶梯槽内滑动，且齿条10和扇形齿38啮合；齿条10的一端装有曲线画笔11/模板滚子8，其上固定连接以平动推杆9，平动推杆9上安装有模板滚子8/曲线画笔11，曲线画笔11和模板滚子8的相异组合。本实施例中，齿条10在前板6的阶梯槽内滑动，如此作为平动推杆9的导向；同时齿条10和扇形齿38啮合，实现了角位移的坐标化，将摆动推杆的运动规律用坐标曲线表达出来。

通过曲线画笔和模板滚子的相异组合，实现凸轮正转得到推杆运动规律和根据反转法原理由推杆运动规律反求凸轮廓线。

如图3结合图1所示，后板14上设置有模板导轨13，一曲线模板41和曲线画板12插入在该模板导轨13内并固定，其中一模板导轨上标有基圆大小刻度，另一模板导轨导轨上设置有大头螺钉42用于固定曲线模板或曲线画板。根据反转法原理由推杆运动规律反求凸轮廓线的情况时，调节曲线模板在模板导轨的位置并用大头螺钉锁紧可以实现凸轮基圆大小的调节。

曲线模板41上设置有一滚子槽位，前述齿条10上设置有滚子8，滚子8可在所述曲线模板41的滚子槽位内运动，实现齿条10的上下平动。

底板36作为整个装置的支撑架，其上装有直角架32，并与所述底座33相固联，最终实现稳定的支撑。

底板36上安装有步进电机18，电机的输出轴上安装有一蜗杆19和一联轴器，联轴器的另一端与一个梅花把手相固联(从而可实现手动驱动，未示出)，涡杆19与一涡轮20配合，进而驱动后续机构。

主轴21为一个空心轴，内部设置一根芯轴22，依次安装有第二太阳轮5，第一太阳轮15，轴承17，涡轮20，轴承26，第二太阳轮5可在主轴上自由转动，第一太阳轮15和涡轮20均通过紧定螺钉与主轴固联，涡轮20与电机输出轴上的蜗杆19啮合，将电机输出的转动传递到主轴21上。轴承均为过盈配合。

芯轴22的一端安装有止推轴承23，通过压紧止推轴承23实现主轴21和芯轴22在底板36上的轴向定位。

芯轴22通过螺纹连接与载物台2固联，载物台2通过螺钉3与第二太阳轮5固联，如此实现芯轴22与第二太阳轮5固联。

后板14上设置有齿条35，齿条35与第二太阳轮5啮合，实现后板14的驱动。

载物台2外表面贴有铁皮，凸轮1通过定位销与载物台2配合，同时凸轮1内部嵌入多个磁铁，用于将凸轮1固定在载物台2上。

芯轴22的另一端通过圆柱销25与芯轴卡子24固联，通过杠杆28卡紧芯轴卡子24从而实现反转法原理演示时载物台相对底板静止。

第二太阳轮5的一端凸台上设置有轴承4，该轴承4外圈与前板6配合，轴承的使用可减小第二太阳轮与前板间摩擦力，该轴承4支撑前板6的部分重量。

第一太阳轮15的另一端凸台上设置有另一轴承16，该轴承16外圈与后板14配合，轴承的使用可减小第一太阳轮与后板间摩擦力，该轴承16支撑后板14的部分重量。

所述主轴20上的轴承17与一固定轴承26组合使用，使主轴20在后板14上定位。

底板36上设置有转换舵机27，舵机输出轴固联前述杠杆28，杠杆28的一端通过销轴滑动副与一Y型接头29相连，Y型接头29上过盈配合一插轴30，插轴30插入前板6的定位孔即可固定前板6；杠杆28的另一端卡入芯轴卡子24使芯轴22卡紧。

底板36上设置有控制电路[31]，用于驱动所述步进电机[18]和转换舵机[27]。

如图1所示，通过杠杆28可使前板6定位与芯轴22定位的转换只需一个动作，简化了操作。

作为可选的实施方式，前述底板36上的控制电路为基于单片机控制的编程电路。

作为可选的实施方式，所述底板36上的控制电路中包括一无线遥控接收设备，用于接收遥控控制信号。如此，整个装置即可由外部的遥控器实现控制。

考虑的单导轨的稳定性和平衡力矩，在前板6的后上方加一个直径为6mm的销轴[7]，销轴上装有法兰轴承，轴承在后板的滚子导槽内滚动，形成滚动副，减小摩擦力，同时起到限位的作用。

结合图1与图2、图3所示，本实施例的基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，其传动过程和实现原理如下：

当由凸轮1正转得到推杆运动规律时，控制电路部分31驱动转换舵机27，转换舵机转动杠杆28，通过Y型接头29使杠杆下端的插销30插入前板6的定位孔内，使前板与底板36保持相对静止，即行星架的输入为零。同时上端离开芯轴卡子24，让与芯轴固联的载物台2可以自由转动。

控制电路部分驱动步进电机18，蜗杆与涡轮20啮合，将运动传给主轴20。主轴20的转动带动太阳轮15。第一太阳轮与双联行星轮40啮合，带动双联行星轮40，双联行星轮40再与第二太阳轮啮合，从而带动载物台2，这样便可将转动传递至装在载物台上的凸轮1。

在齿条10的导向作用下，由滚子8与凸轮1形成高副，推动平动推杆9上下运动。同时第二太阳轮还与固联在后板14上的齿条35啮合，驱动后板14相对前板6平动，最后画笔11相对曲线画板形成复杂的平面运动，并将该运动曲线在曲线画板上绘制出来，即为平动推杆的运动规律曲线。当进行摆动推杆的实验时，只需将平动推杆拆下，装上摆动推杆即可。其运动的传递关系与平动推杆一样，在此不再赘述。

当根据反转法原理由推杆运动规律反求凸轮廓线时，转换舵机27转动杠杆28，使下端的插销拔离前板的定位孔，使前板6可以自由转动。同时上端卡入芯轴卡子，使载物台2与底板36相对静止，即第二太阳轮的输入为零。通过与上述相同的运动传递链，当运动传递至双联行星轮40时，由于第二太阳轮的运动被限制，故根据运动的相对性原理，前板6会绕着主轴20进行逆时针旋转，带动后板14旋转。在后板14旋转的同时，后板14上的齿条35会与第二太阳轮形成齿轮副，齿轮副驱动后板14相对前板6进行X方向的平动。此时，齿条10的上端的滚子8，后板上的线模板41，滚子8嵌入曲线模板41进行滚动，使得齿条10上下平动，带动其上固联的平动推杆9，推杆9的端部有画笔12。载物台上铺有画纸，用磁铁固定。最终，画笔12相对于载物台2得到复杂的平面运动，并将该运动曲线在画纸上绘制出来，即为凸轮廓线。当进行摆动推杆的实验时，只需将平动推杆拆下，装上摆动推杆即可，其运动的传递关系与平动推杆一样，在此不再赘述。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，其特征在于，包括前板(6)，后板(14)，底座(33)，底板(36)和主轴(21)，其中：

前板(6)上设置有双联行星轮(40)，在工作时，该前板(6)作为双联行星轮(40)的行星架，双联行星轮(40)作为行星轮；

前板(6)上设置有第一导轨(34-1)和定位滚子(7)，后板(14)上设置有与第一导轨(34-1)配合的第二导轨(34-2)和与定位滚子(7)配合的滚子槽，第一导轨(34-1)与第二导轨(34-2)配合限定相对平动，滚子槽与定位滚子(7)配合从而实现前板(6)和后板(14)的轴向定位；

前板(6)上还设置有齿条(10)和扇形齿(38)，齿条(10)在前板(6)的阶梯槽内滑动，且齿条(10)和扇形齿(38)啮合；齿条(10)的一端装有曲线画笔(11)/模板滚子(8)，其上固定连接以平动推杆(9)，平动推杆(9)上安装有模板滚子(8)/曲线画笔(11)，曲线画笔(11)和模板滚子(8)的相异组合；

后板(14)上设置有模板导轨(13)，一曲线模板(41)和曲线画板(12)插入在该模板导轨(13)内并固定，其中一模板导轨上标有基圆大小刻度，另一模板导轨导轨上设置有大头螺钉(42)用于固定曲线模板或曲线画板；

曲线模板(41)上设置有一滚子槽位，前述齿条(10)上设置有滚子(8)，滚子(8)可在所述曲线模板(41)的滚子槽位内运动，实现齿条(10)的上下平动；

底板(36)作为整个装置的支撑架，其上装有直角架(32)，并与所述底座(33)相固联，最终实现稳定的支撑；

底板(36)上安装有步进电机(18)，电机的输出轴上安装有一蜗杆(19)和一联轴器，联轴器的另一端与一个梅花把手相固联，涡杆(19)与一涡轮(20)配合，进而驱动后续机构；

主轴(21)为一个空心轴，内部设置一根芯轴(22)，依次安装有第二太阳轮(5)，第一太阳轮(15)，轴承(17)，涡轮(20)，轴承(26)，第二太阳轮(5)可在主轴上自由转动，第一太阳轮(15)和涡轮(20)均通过紧定螺钉与主轴固联，涡轮(20)与电机输出轴上的蜗杆(19)啮合，将电机输出的转动传递到主轴(21)上；

芯轴(22)的一端安装有止推轴承(23)，通过压紧止推轴承(23)实现主轴(21)和芯轴(22)在底板(36)上的轴向定位；

芯轴(22)通过螺纹连接与载物台(2)固联，载物台(2)通过螺钉(3)与第二太阳轮(5)固联，如此实现芯轴(22)与第二太阳轮(5)固联；

后板(14)上设置有齿条(35)，齿条(35)与第二太阳轮(5)啮合，实现后板(14)的驱动；

载物台(2)外表面贴有铁皮，凸轮(1)通过定位销与载物台(2)配合，同时凸轮(1)内部嵌入多个磁铁，用于将凸轮(1)固定在载物台(2)上；

芯轴(22)的另一端通过圆柱销(25)与芯轴卡子(24)固联，通过杠杆(28)卡紧芯轴卡子(24)；

第二太阳轮(5)的一端凸台上设置有轴承(4)，该轴承(4)外圈与前板(6)配合，该轴承(4)支撑前板(6)的部分重量；

第一太阳轮(15)的另一端凸台上设置有另一轴承(16)，该轴承(16)外圈与后板(14)配合，该轴承(16)支撑后板(14)的部分重量；

所述主轴(20)上的轴承(17)与一固定轴承(26)组合使用，使主轴(20)在后板(14)上定位；

底板(36)上设置有转换舵机(27)，舵机输出轴固联前述杠杆(28)，杠杆(28)的一端通过销轴滑动副与一Y型接头(29)相连，Y型接头(29)上过盈配合一插轴(30)，插轴(30)插入前板(6)的定位孔即可固定前板()6；杠杆(28)的另一端卡入芯轴卡子(24)使芯轴(22)卡紧；

底板(36)上设置有控制电路，用于驱动所述步进电机[18]和转换舵机[27]。

2.根据权利要求1所述的基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，其特征在于，所述底板(36)上的控制电路为基于单片机控制的编程电路。

3.根据权利要求1所述的基于差动轮系的推杆运动及凸轮轮廓形成演示装置，其特征在于，所述底板(36)上的控制电路中包括一无线遥控接收设备，用于接收遥控控制信号。