CN104200740A - 凸轮机构复合型教具及其演示控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮机构复合型教具及其演示控制方法，其中，教具包括箱体、凸轮机构和演示控制系统，演示控制系统包括数据采集模块、控制处理单元和显示模块，对教具的位移、速度、加速度和压力等数据进行采集，并将采集数据转化成显示模块的特性曲线图像，使教学受众直观且具体的了解关于凸轮机构的组成结构、运动过程和凸轮机构运动特性的理论知识，提高教学实验中凸轮机构各知识点教学的连贯性；方法包括对数据的采集、处理和显示步骤，通过智能化过程将教具运动特性的量化结果直观的显示出来，让教学受众通过数据对比与分析深化到理论层面，达到探索型实验的目的。

Description

凸轮机构复合型教具及其演示控制方法

技术领域

本发明涉及教学领域，特别涉及一种凸轮机构复合型教具及其演示控制方法。

背景技术

随着国家对于机械行业人才综合素质要求的提高，使得高校机械类的课程，特别是机械原理、机械设计等基础类课程的要求也在不断提高。就目前机械原理的实验教学模式来看，对于理论基础知识的讲解几乎还处在空白状态，尤其是实验课教具还停留在传统的“一物一模型”阶段，这已经与当代大学生的学习习惯与思维习惯脱节，也与日益增长的对机械行业人才需求量的客观现实相矛盾。

就凸轮机构来说，凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构架组成的高副结构，因其结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在工业生产中得到广泛使用，目前，凸轮机构机械原理实验教学存在以下三大问题：

1、未能妥善解决凸轮机构知识传授与学生能力培养的关系，片面强调知识传授，忽视了将知识内化为学生能力与素质；实验教学中验证型的实验多，而探索型实验少，实验课并没有让同学走进凸轮机构理论知识内部，也并没有激发起同学们对凸轮机构理论知识的探索欲望，没有发挥实验教学的应有的作用；

2、凸轮机构实验教学缺乏系统性，各个理论知识点分块化现象严重，没有一款涉猎凸轮机构多个知识层面并且将其统一成宏观知识体系的复合教具；与此同时，凸轮机构实验教学和其他实践教学活动脱离，忽视了凸轮机构知识的整合及连贯性，各实践环节之间相互独立，在整个教学过程中没有强调凸轮机构整体设计理念；

3、因为学时的限制，不能安排较多的时间让学生集中、同步实验；而传统凸轮机构实验教学因为受到实验场地、实验器材、实验趣味性等多方面的约束而难以展开，加之同学们获取知识途径与习惯的变化，传统单一型凸轮机构教具在凸轮机构机械原理实验课上逐步退出教学舞台。

因此，需要对凸轮机构教具及其演示控制方法进行改进，使其可涉猎凸轮机构多个知识层面并且将各知识层面在教具上内化统一成宏观知识体系，提高教学实验中凸轮机构各知识点教学的连贯性，并可突出凸轮机构整体设计理念，使学生可通过教具直接且宏观具体的了解凸轮机构理论知识，增强学生对凸轮机构理论知识的探索欲望，并且通过改进演示控制方法，使教具可不受教学实验场地、实验器材和实验趣味性等多方面的约束而任意展开，提高其广泛适用性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种凸轮机构复合型教具及其演示控制方法，使教具本身可涉猎凸轮机构多个知识层面，并且将各知识层面在教具上内化统一成宏观知识体系，提高教学实验中凸轮机构各知识点教学的连贯性，并可突出凸轮机构整体设计理念，使学生可通过教具直接且宏观具体的了解凸轮机构理论知识，增强学生对凸轮机构理论知识的探索欲望，并且其演示控制方法智能化程度较高，使教具操作可不受教学实验场地、实验器材和实验趣味性等多方面的约束而任意展开，提高其广泛适用性。

本发明的凸轮机构复合型教具，包括箱体和凸轮机构，凸轮机构包括实体凸轮、推杆和机架导轨，推杆包括并列设置的推杆Ⅰ和推杆Ⅱ，推杆Ⅰ和推杆Ⅱ均与机架导轨纵向滑动配合，机架导轨以可相对于两推杆纵向移动的方式设置，机架导轨为横向长度可调结构，实体凸轮对应所述推杆Ⅰ设置；

还包括演示控制系统，演示控制系统包括：

数据采集模块，用于采集获取推杆运动特性参数，推杆运动特性参数包括：推杆的位移、速度和加速度，以及机构压力；

控制处理单元，用于将数据采集模块传来的不同特性参数所对应信号分别处理成数字信号，并对处理后的数字信号进行整合后传输，同时对机构运动过程中是否发生自锁进行保护判断；

显示模块，用于根据整合后的数字信号描点显示凸轮机构推杆的运动规律图像。

进一步，数据采集模块包括：位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器，位移传感器、速度传感器和加速度传感器均安装设置于箱体外壁；

位移传感器，用于监测推杆的位移变化情况；

速度传感器，用于监测推杆的速度变化情况；

加速度传感器，用于监测推杆的加速度变化情况；

压力传感器，安装于机架导轨两侧，用于动态监测推杆上升过程中推杆对机架导轨反作用力的变化情况；

教具还包括一顶置导轨，推杆Ⅰ和推杆Ⅱ均以可横向移动的方式与顶置导轨配合设置，顶置导轨以可随两推杆同步上下往复移动的方式设置于箱体，顶置导轨上分别设置有与位移传感器、速度传感器和加速度传感器一一对应的感应元件。

进一步，控制处理单元包括：主机和从机，从机对应位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器各设置一个，主机和四个从机采取串行多机通信的方式连接；

控制处理单元还包括一一对应每一从机设置的滤波放大电路和模数转换器，滤波放大电路输入端与对应传感器输出端连接，模数转换器输入端与滤波放大电路输出端连接，输出端与对应从机输入端连接。

进一步，演示控制系统还包括：外部中断判断单元，用于在主机与显示模块之间通过外部中断方式进行数据传输时进行外部判断。

进一步，还包括凸轮廓线反转绘制组件，凸轮廓线反转绘制组件包括画板、标线尺和用于驱动画板相对于实体凸轮反向转动的反转驱动组件，画板对应推杆Ⅱ设置于箱体，推杆Ⅱ下端设置有画笔；

反转驱动组件包括动力装置、主动力齿轮、实体凸轮驱动副和画板驱动副，主动力齿轮与动力装置输出端传动配合，实体凸轮驱动副包括分支齿轮Ⅰ和与分支齿轮Ⅰ传动配合的槽轮机构Ⅰ，画板驱动副包括分支齿轮Ⅱ和与分支齿轮Ⅱ传动配合的槽轮机构Ⅱ，分支齿轮Ⅰ与主动力齿轮直接啮合传动，分支齿轮Ⅱ与分支齿轮Ⅰ直接啮合传动，槽轮机构Ⅰ的从动轴与实体凸轮固定配合，槽轮机构Ⅱ的从动轴与所述画板固定配合。

进一步，还包括偏心距调节组件，偏心距调节组件包括用于驱动推杆沿顶置导轨横向移动的横向进给机构，横向进给机构对应两推杆分别设置一个，每一横向进给机构均包括蜗轮蜗杆机构Ⅰ和丝杆螺母副Ⅰ，蜗轮蜗杆机构Ⅰ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅰ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅰ的螺母部分置于对应推杆背侧设置的纵向滑槽内，每一推杆可相对于对应横向进给机构上下移动。

进一步，还包括用于驱动机架导轨相对于推杆纵向移动的纵向进给机构，机架导轨纵向进给机构包括蜗轮蜗杆机构Ⅱ和丝杆螺母副Ⅱ，蜗轮蜗杆机构Ⅱ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅱ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅱ的螺母与机架导轨配合连接。

本发明还公开一种所述凸轮机构复合型教具的演示控制方法，包括：

通过不同分机分别处理数据采集模块所采集的与凸轮机构的推杆运动参数相对应的不同信号，并将处理后的数字信号通过串行多机通信方式反馈给主机；

主机对不同分机所传递数字信号整合后传输至显示模块上描点，同时主机还对凸轮机构进行自锁保护判断；

显示与推杆运动参数相对应的运动特性曲线。

进一步，主机与所述显示模块之间的数据传送采用外部中断方式进行。

进一步，主机对机构进行自锁保护判断，包括：

主机首次读取推杆位移数据S0；

主机在额定时间T1内读取位移信号10-20次，取最后一次位移数据S1；

判断比较S0与S1数值关系，当S0≠S1，判断机构未自锁，结束；

当S0＝S1，主机首次读取压力数据为F0；

主机在额定时间T2内读取压力数据10-20次，取最后一次为F1；

判断比较F0与F1数值关系，当F1＝nF0时，主机发出控制步进电机停转的控制信号,其中n为倍数且3≤n≤5；

电机停转，结束。

本发明的有益效果：本发明的凸轮机构复合型教具，设置凸轮机构，通过演示控制系统对凸轮机构运动过程中推杆的位移、速度和加速度，以及机构的压力进行采集检测，并处理转换成数字信号送到显示模块对推杆的运动速度规律图像、运动位移规律图像和运动加速度规律图像进行显示，该教具不仅本身涉猎凸轮机构多个知识层面，并将各知识层面内化成统一的知识体系，而且定性给出凸轮机构的运动过程、运动特性，还将其定量化，使教学受众直观且具体的了解关于凸轮机构的组成结构、运动过程和凸轮机构运动特性的理论知识，提高教学实验中凸轮机构各知识点教学的连贯性，并可突出凸轮机构整体设计理念，使学生可通过教具直接且宏观具体的了解凸轮机构理论知识，增强学生对凸轮机构理论知识的探索欲望；而且，本教具使用智能化程度较高，使教具操作可不受教学实验场地、实验器材和实验趣味性等多方面的约束而任意展开，提高其广泛适用性。

本发明的凸轮机构复合型教具演示控制方法，智能化程度高，将教具运动特性的量化结果直观的显示出来，让教学受众通过数据对比与分析深化到理论层面，达到探索型实验的目的；而且由于实行串行多机通信方式，保证主机能够连续接收数据，保证了数据传递的一致性，防止中断的紊乱，可在教具的一个工作循环内，同时、连续绘制出推杆运动规律的速度图像、位移图像和加速度图像，而且还可对机构自锁进行保护判断，不但了解机构压力角和自锁现象的理论知识，还保护了整体结构。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的凸轮机构复合型教具的结构示意图；

图2为本发明的凸轮机构复合型教具的传动结构示意图；

图3为本发明的凸轮机构复合型教具的槽轮机构结构示意图；

图4为本发明凸轮机构复合型教具演示控制方法的流程示意图；

图5为本发明凸轮机构复合型教具的演示控制系统的运动特性参数信号通道图；

图6为本发明凸轮机构复合型教具及其演示控制方法中串行多机通信的流程图；

图7为本发明凸轮机构复合型教具及其演示控制方法中显示模块显示运动规律图像的过程流程图；

图8为本发明凸轮机构复合型教具及其演示控制方法中机构自锁判断保护过程流程图。

具体实施方式

如图1所示：本实施例的凸轮机构复合型教具，包括箱体1和凸轮机构，凸轮机构包括实体凸轮2、推杆和机架导轨3，推杆包括并列设置的推杆Ⅰ4和推杆Ⅱ4a，推杆Ⅰ4和推杆Ⅱ4a均与机架导轨3纵向滑动配合，机架导轨3以可相对于两推杆纵向移动的方式设置，机架导轨3为横向长度可调结构，实体凸轮2对应所述推杆Ⅰ4设置；

还包括演示控制系统，演示控制系统包括：

数据采集模块，用于采集获取推杆运动特性参数，推杆运动特性参数包括：推杆的位移、速度和加速度，以及机构压力；

控制处理单元，用于将数据采集模块传来的不同特性参数所对应信号分别处理成数字信号，并对处理后的数字信号进行整合后传输，同时对机构运动过程中是否发生自锁进行保护判断；

显示模块9，用于根据整合后的数字信号描点显示凸轮机构推杆的运动规律图像；推杆的运动规律图像包括：运动位移规律图像、运动速度规律图像和运动加速度规律图像。

其中，实体凸轮2为实际应用中任意形式的凸轮，为了让各种形式的凸轮更加容易更换，本发明的实体凸轮2采用拆卸方便的卡簧定位；机架导轨3为横向长度可调结构，且机架导轨3的横向长度在调整到某一所需长度时可在推杆运动时保持该长度不动，需要其它长度时需对其重新调节，其结构可通过现有机械伸缩方式实现，在此不再赘述；为了增加推杆的运动平稳性，可采用锁止弹簧机构对两推杆进行预紧，另外，本发明力图满足所有推杆类型的需要，在推杆尾端设置一个销钉，用以连接各种不同形式的推杆；教具可能在机架导轨3长度调节过程中发生自锁，因而必须设置一个保护系统避免自锁带来的破坏

如图1所示，本实施例中，数据采集模块包括：位移传感器5、速度传感器6、加速度传感器7和压力传感器，位移传感器5、速度传感器6和加速度传感器7均安装设置于箱体1外壁；

位移传感器5，用于监测推杆的位移变化情况；

速度传感器6，用于监测推杆的速度变化情况；

加速度传感器7，用于监测推杆的加速度变化情况；

压力传感器，安装于机架导轨3两侧，用于动态监测推杆上升过程中推杆对机架导轨3反作用力的变化情况；其中，压力传感器为压电式传感器，位移传感器5采用电容式传感器，速度传感器6采用霍尔式传感器，加速度传感器7采用压阻式传感器；

教具还包括一顶置导轨8，推杆Ⅰ4和推杆Ⅱ4a均以可横向移动的方式与顶置导轨8配合设置，顶置导轨8以可随两推杆同步上下往复移动的方式设置于箱体1，顶置导轨8上分别设置有与位移传感器5、速度传感器6和加速度传感器7一一对应的感应元件(图中为感应元件5a、感应元件6a和感应元件7a)。

本实施例中，控制处理单元包括：主机和从机，从机对应位移传感器5、速度传感器6、加速度传感器7和压力传感器各设置一个，主机和四个从机采取串行多机通信的方式连接；如图5和图6所示，控制处理单元的主机和从机均为单片机，通过不同分机分别处理不同传感器传递过来的信号，再将处理后的数字信号通过串行通讯方式反馈给主机(主控单片机)，主机将传递过来的信号整合后送到显示模块9，显示出推杆的运动规律图像，也就是说，演示控制系统需要三个输入模拟通道，分别对应位移输入通道、速度输入通道、加速度输入通道，三个通道分别对应三块从机，每块从机将各自通道采集到的数据在存储单元里面进行存储，即每一输入通道的数据均通过相应的从机存储、传输，所以从机要在内部开辟一段存储空间，用于存储对应的位移、速度、加速度信息，优选地，该存储空间的存储结构为队列结构；由主机发出控制命令，与相应的从机进行串行通讯，主控单片机完成与从机的数据交换后，将数据送到显示模块9上描点，在本教具的一个工作循环内，可以同时、连续绘制出推杆运动规律的运动位移规律图像、运动速度规律图像和运动加速度规律图像。

控制处理单元还包括一一对应每一从机设置的滤波放大电路和模数转换器，滤波放大电路输入端与对应传感器输出端连接，模数转换器输入端与滤波放大电路输出端连接，输出端与对应从机输入端连接；移传感器、速度传感器6、加速度传感器7和压力传感器采集的量均为模拟量，而单片机处理的是数字量，所以需要对各个通道进行A/D转换，同时，还需对传感器采集到的模拟量进行采样/保持、放大、滤波等一系列的处理；

四个从机分别存储一个通道的数据，各自通道的传感器采集的信号经过一系列的处理后，再通过A/D转换将转换数据存储在相应从机的特定存储区域内。值得注意的是：从机数据应采用顺序存储，使得数据在时间上具有连续性。由图可以看到，从机的数据要传给主机，为了保证数据传递的一致性，对于主机与从机之间的多机通信，还应做出相关约定。

本实施例中，如图7所示，演示控制系统还包括：外部中断判断单元，用于在主机与显示模块9之间通过外部中断方式进行数据传输时进行外部判断；另外，主机的数据来自四个不同的通道，所以主机需要在数据缓存区开辟四块独立的空间分别存储这四类数据，本发明在主机与显示模块9之间的数据传送采用外部中断方式进行。

本实施例中，如图2和图3所示，还包括凸轮廓线反转绘制组件，凸轮廓线反转绘制组件包括画板10、标线尺11和用于驱动画板10相对于实体凸轮2反向转动的反转驱动组件，画板10对应推杆Ⅱ4a设置于箱体1，推杆Ⅱ4a下端设置有画笔；凸轮廓线反转绘制组件主要是将实体凸轮2通过反转法绘制成虚拟凸轮，即虚拟凸轮为画笔根据实体凸轮2根据实体凸轮2运用反转法原理连续画出，虚拟凸轮不受推杆初始位置和实体凸轮2类型以及偏距的影响，使实验者了解通过反转法对凸轮进行设计的方法；另外，标线尺11是一个安装固定且尺寸线对称的直尺，必须注意到的是，真实凸轮与虚拟凸轮的偏心距必须相等并且互为相反，这样才能得到正确绘制结构，为了保证调节过程中的准确性，本发明设置一个尺寸线对称分布并且零刻线分布与真实凸轮和虚拟凸轮旋转中心对齐的水平直尺(即标线尺11)，在调节各自偏心的过程中用于参照；

反转驱动组件包括动力装置14、主动力齿轮15、实体凸轮驱动副和画板驱动副，主动力齿轮15与动力装置14输出端传动配合，实体凸轮驱动副包括分支齿轮Ⅰ16和与分支齿轮Ⅰ16传动配合的槽轮机构Ⅰ17，画板驱动副包括分支齿轮Ⅱ18和与分支齿轮Ⅱ18传动配合的槽轮机构Ⅱ19，分支齿轮Ⅰ16与主动力齿轮15直接啮合传动，分支齿轮Ⅱ18与分支齿轮Ⅰ16直接啮合传动，槽轮机构Ⅰ17的从动轴与实体凸轮2固定配合，槽轮机构Ⅱ19的从动轴与所述画板10固定配合；其中，动力装置14采用控制精度高的步进电机，画板10和实体凸轮2通过反转驱动组件实现反转，槽轮机构具有制造简单、分度精度高的优点，槽轮机构Ⅰ17和槽轮机构Ⅱ19对称设置成对称槽轮机构，形成对称间隙机构，以实现实体凸轮2与画板10的相对反转，为了实现完全同步运行槽轮机构Ⅰ17和槽轮机构Ⅱ19装配位置关系一定要严格对称，在两个槽轮机构对应的叶子上做好标记；另外，要达到对称槽轮机构的相对反转，而且考虑到其转速同步精度高的要求，用尺寸规格一致的分支齿轮Ⅰ16与分支齿轮Ⅱ18外啮合传动来实现；当然本发明的对称间歇机构也可以是其它能够达到所述目的的一切机构；

其中，主动力齿轮15为一小齿轮，分支齿轮Ⅰ16与主动力齿轮15直接啮合，分支齿轮Ⅱ18与分支齿轮Ⅰ16啮合传动，槽轮机构Ⅰ17的主动转盘20与分支齿轮Ⅰ16同轴传动，槽轮机构Ⅰ17的从动槽轮21与实体凸轮同轴传动，槽轮机构Ⅱ19的主动转盘22与分支齿轮Ⅱ18同轴设置，槽轮机构Ⅱ19的从动槽轮23与实体凸轮2同轴设置。

如图1所示，本实施例中，还包括偏心距调节组件，偏心距调节组件包括用于驱动推杆沿顶置导轨8横向移动的横向进给机构(图中为横向进给机构12和横向进给机构12a)，横向进给机构对应两推杆分别设置一个，每一横向进给机构均包括蜗轮蜗杆机构Ⅰ和丝杆螺母副Ⅰ，蜗轮蜗杆机构Ⅰ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅰ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅰ的螺母部分置于对应推杆背侧设置的纵向滑槽内，每一推杆可相对于对应横向进给机构上下移动；横向进给机构采取返程不自锁的蜗轮蜗杆机构，通过摇动蜗轮蜗杆机构Ⅰ的蜗轮驱动蜗杆转动，蜗杆带动丝杆螺母副Ⅰ的丝杆转动，丝杆带动螺母沿直线运动，推杆上设置有纵向滑槽，丝杆螺母副Ⅱ的螺母位于纵向滑槽内且推杆上下运动时丝杆螺母副Ⅱ的螺母不移动，螺母沿横向直线运动时可推动推杆横向移动，从而达到驱动调节凸轮机构偏心距的目的。

如图1所示，本实施例中，还包括用于驱动机架导轨3相对于推杆纵向移动的纵向进给机构13，机架导轨3纵向进给机构13包括蜗轮蜗杆机构Ⅱ和丝杆螺母副Ⅱ，蜗轮蜗杆机构Ⅱ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅱ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅱ的螺母与机架导轨3配合连接；纵向进给机构13采用返程不自锁的蜗轮蜗杆机构，通过摇动蜗轮蜗杆机构Ⅱ的蜗轮驱动蜗杆转动，蜗杆带动丝杆螺母副Ⅱ的丝杆转动，丝杆带动螺母沿直线运动，机架导轨3与丝杆螺母副Ⅱ的螺母固定连接，从而达到驱动调节机架导轨3纵向移动的目的。

在对机架导轨3纵向高度的调节和凸轮机构偏心距的调节过程中，为使调节量可见，在每一蜗轮蜗杆机构的调节端设置一个简易的游标卡尺计量机构，为现有技术，在此不再赘述。

如图4所示，本发明还公开一种所述凸轮机构复合型教具的演示控制方法，包括：

通过不同分机分别处理数据采集模块所采集的与凸轮机构的推杆运动参数相对应的不同信号，并将处理后的数字信号通过串行多机通信方式反馈给主机；

主机对不同分机所传递数字信号整合后传输至显示模块9上描点，同时主机还对凸轮机构进行自锁保护判断；

显示与推杆运动参数相对应的运动特性曲线。

其中，如图5和图6所示，主机与从机间的串行通讯方式为：事先对四个从机编码。主机首先将第九数据位置为1，代表主机发送的是地址帧。此时，四个从机均置为1。然后，主机发送从机的编码，从机接受到地址帧后与自身的编码比较，若相同，则将置为0，同时将自身编码作为应答码反馈给主机。主机在接受到应答码后置第九数据位为0，于是便开始与所述从机进行通信。本实施例要求多机通信要顺序进行，一是保证主机能够连续接收到数据，二是防止中断的紊乱。

本实施例中，主机与所述显示模块9之间的数据传送采用外部中断方式进行；如图7所示，即显示模块9显示推杆运动规律的过程方式为：主机将4种类型的数据在外部中断判断单元下依次传送给显示模块9，中断判断单元应该具备判断显示模块9发出的“外部中段请求类型”的功能，即是说能够判断出显示模块9是想要哪一种类型的数据。在主机响应外部中断后，将该类型的数据从对应的存储区域取出，然后传送给显示模块9。在显示模块9接收完一个数据之后，立即在屏幕对应的坐标系上描点。描完一个点后，将产生下一个中断，显示模块9将接收第二种类型的数据，依次进行下去，直到完整绘出运动规律图像为止。

于是，显示模块9的绘图过程与凸轮的运转步调完全保持一致，且绘图不受凸轮类型的限制。“虚拟凸轮”的运动规律与“真实凸轮”完全一致，只是转角互为相反数。

如图8所示，本实施例中，主机对机构进行自锁保护判断，包括：

主机首次读取推杆位移数据S0；

主机在额定时间T1内读取位移信号10-20次，取最后一次位移数据S1；

判断比较S0与S1数值关系，当S0≠S1，判断机构未自锁，结束；

当S0＝S1，主机首次读取压力数据为F0；

主机在额定时间T2内读取压力数据10-20次，取最后一次为F1；

判断比较F0与F1数值关系，当F1＝nF0时，主机发出控制步进电机停转的控制信号,其中n为倍数且3≤n≤5；

电机停转，结束。

其中,T1、T2时间可取1-3s，最优的，T1、T2均取2s，在T1、T2内读取数据次数均为20次，另外，因为具体的压力差值随着机器的型号以及运动参数的改变而有所不同，而且根据机械原理的相关知识表明，推杆在上升过程中，在导轨中所收到的压力变化不会很大，同时数据读取是在额定时间内进行的，因此用相对压力升高率来判断，即是说当最后一次读取的压力数据大于了首次读取数据的n倍的时候即认为已经发生自锁或者有发生自锁的趋势。主机在每一个额定时间段都会对压力数据进行一次读取比较，主机内部会有一个算法将每一个压力数据检测循环中首次读取的压力数据计算到n倍值(当然在每一个循环中初始值会不一样)，随后主机再将检测循环中读取的数据与n倍值比较即可，本实施例中，n为倍数，n优选的可为3、4或5均可，本实施例中，n为4，即F1等于四倍的F0时，即判断出现自锁，控制电机停转。要注意的是，为了防止发生误判，必须让压力检测过程在机器运行至稳定后进行，通过一个延时程序就可实现，属于现有技术，在此不再赘述。

本发明在调节偏心距和调节机架导轨3纵向高度时可能会发生自锁，考虑到机械保护装置易损坏、结构复杂、加工困难的不足，本发明采用电子控制的办法来实现自锁保护。在本发明发生自锁的时候，会出现两个特征，一是推杆卡死在一个位置不动，即是说位移信号为一常值，二是机架导轨3对推杆的反作用力随时间的增加明显。鉴于着两个特征，本发明在主机的防自锁程序设计中采用了两个判断结构，分别判断推杆有无上述的发生自锁的两个特征，当程序判断两个特征均存在，就认为所述凸轮发生自锁。此时主机将调用电机停转的子程序，让电机停止转动，从而保护了整个系统。当然，为了保证数据采集比较的实时性，本程序单元应该与多机通信程序单元交叉进行。

本发明的凸轮机构复合型教具及其演示控制方法，从本质上克服了传统凸轮机构教具的不足，体现了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的现代化教具设计思路。“一物多用”表现在一套凸轮教具几乎囊括了有关凸轮教学过程中的所有知识点，“一物巧用”表现在通过现代控制理论和富有新颖性的机构设计克服了探索型教具研制过程中的瓶颈问题。“一物深用”体现在所述复合型教具不仅仅用于机械原理的教学场合，对于实际生产过程与科研领域亦有相当的用武之地。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种凸轮机构复合型教具，其特征在于：包括箱体和凸轮机构，所述凸轮机构包括实体凸轮、推杆和机架导轨，所述推杆包括并列设置的推杆Ⅰ和推杆Ⅱ，推杆Ⅰ和推杆Ⅱ均与机架导轨纵向滑动配合，所述机架导轨以可相对于两推杆纵向移动的方式设置，所述机架导轨为横向长度可调结构，所述实体凸轮对应所述推杆Ⅰ设置；

还包括演示控制系统，所述演示控制系统包括：

数据采集模块，用于采集获取推杆运动特性参数，所述推杆运动特性参数包括：推杆的位移、速度和加速度，以及机架导轨侧压力；

控制处理单元，用于将数据采集模块传来的不同特性参数所对应信号分别处理成数字信号，并对处理后的数字信号进行整合后传输，同时对机构运动过程中是否发生自锁进行保护判断；

显示模块，用于根据整合后的数字信号描点显示凸轮机构推杆的运动规律图像。

2.根据权利要求1所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：所述数据采集模块包括：位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器，所述位移传感器、速度传感器和加速度传感器均安装设置于所述箱体外壁；

所述位移传感器，用于监测推杆的位移变化情况；

所述速度传感器，用于监测推杆的速度变化情况；

所述加速度传感器，用于监测推杆的加速度变化情况；

所述压力传感器，安装于机架导轨两侧，用于动态监测推杆上升过程中推杆对机架导轨反作用力的变化情况；

所述教具还包括一顶置导轨，推杆Ⅰ和推杆Ⅱ均以可横向移动的方式与所述顶置导轨配合设置，所述顶置导轨以可随两推杆同步上下往复移动的方式设置于所述箱体，所述顶置导轨上分别设置有与位移传感器、速度传感器和加速度传感器一一对应的感应元件。

3.根据权利要求2所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：所述控制处理单元包括：主机和从机，所述从机对应位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器各设置一个，所述主机和四个所述从机采取串行多机通信的方式连接；

控制处理单元还包括一一对应每一从机设置的滤波放大电路和模数转换器，滤波放大电路输入端与对应传感器输出端连接，模数转换器输入端与滤波放大电路输出端连接，输出端与对应从机输入端连接。

4.根据权利要求3所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：所述演示控制系统还包括：外部中断判断单元，用于在所述主机与所述显示模块之间通过外部中断方式进行数据传输时进行外部判断。

5.根据权利要求4所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：还包括凸轮廓线反转绘制组件，所述凸轮廓线反转绘制组件包括画板、标线尺和用于驱动画板相对于实体凸轮反向转动的反转驱动组件，所述画板对应推杆Ⅱ设置于箱体，所述推杆Ⅱ下端设置有画笔；

所述反转驱动组件包括动力装置、主动力齿轮、实体凸轮驱动副和画板驱动副，所述主动力齿轮与所述动力装置输出端传动配合，所述实体凸轮驱动副包括分支齿轮Ⅰ和与所述分支齿轮Ⅰ传动配合的槽轮机构Ⅰ，所述画板驱动副包括分支齿轮Ⅱ和与分支齿轮Ⅱ传动配合的槽轮机构Ⅱ，所述分支齿轮Ⅰ与所述主动力齿轮直接啮合传动，所述分支齿轮Ⅱ与所述分支齿轮Ⅰ直接啮合传动，所述槽轮机构Ⅰ的从动轴与所述实体凸轮固定配合，所述槽轮机构Ⅱ的从动轴与所述画板固定配合。

6.根据权利要求5所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：还包括偏心距调节组件，所述偏心距调节组件包括用于驱动推杆沿顶置导轨横向移动的横向进给机构，横向进给机构对应两推杆分别设置一个，每一横向进给机构均包括蜗轮蜗杆机构Ⅰ和丝杆螺母副Ⅰ，蜗轮蜗杆机构Ⅰ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅰ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅰ的螺母部分置于对应推杆背侧设置的纵向滑槽内，每一推杆可相对于对应横向进给机构上下移动。

7.根据权利要求6所述的凸轮机构复合型教具，其特征在于：还包括用于驱动机架导轨相对于推杆纵向移动的纵向进给机构，所述机架导轨纵向进给机构包括蜗轮蜗杆机构Ⅱ和丝杆螺母副Ⅱ，蜗轮蜗杆机构Ⅱ的蜗杆与丝杆螺母副Ⅱ的丝杆同轴传动配合，丝杆螺母副Ⅱ的螺母与机架导轨配合连接。

8.一种凸轮机构复合型教具演示控制方法，其特征在于：

通过不同分机分别处理数据采集模块所采集的与凸轮机构的推杆运动参数相对应的不同信号，并将处理后的数字信号通过串行多机通信方式反馈给主机；

主机对不同分机所传递数字信号整合后传输至显示模块上描点，同时主机还对凸轮机构进行自锁保护判断；

显示与推杆运动参数相对应的运动特性曲线。

9.根据权利要求8所述的凸轮机构复合型教具演示控制方法，其特征在于：所述主机与所述显示模块之间的数据传送采用外部中断方式进行。

10.根据权利要求9所述的凸轮机构复合型教具演示控制方法，其特征在于：所述主机对机构进行自锁保护判断，包括：

主机首次读取推杆位移数据S0；

主机在额定时间T1内读取位移信号10-20次，取最后一次位移数据S1；

判断比较S0与S1数值关系，当S0≠S1，判断机构未自锁，结束；

当S0＝S1，主机首次读取压力数据为F0；

主机在额定时间T2内读取压力数据10-20次，取最后一次为F1；

判断比较F0与F1数值关系，当F1＝nF0时，主机发出控制步进电机停转的控制信号,其中n为倍数且3≤n≤5；

电机停转，结束。