CN104599558A - 一种实体空间曲面生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种实体空间曲面的生成装置，它主要由机架、XY平台、顶杆机构、棒阵、气压加持装置及控制装置六部分组成，本发明设计巧妙，能快速方便的生成直观形象的实体空间曲面，大大提高了课堂教学效率和课堂生动性，同时可用于代替传统的沙盘模型，以及全息三维实体地图，主要应用在机械或者高等数学课堂教学之中。

Description

一种实体空间曲面生成装置
技术领域
本发明涉及一种教学用具，尤其是一种实体空间曲面生成装置。
背景技术
在机械教学或者高等数学教学中，老师往往用画图或者用计算机建立实物模型和实物来讲解各种结构或曲面，但由于现实世界中各种器件结构形式多样，不能将所有器件都收集起来，同时画图或者计算机建模对于初学者不够直观，而且建立庞大的实物结构参观室成本昂贵，这种模式也不能应对实物的不断的更新变化的情况，因此现在的机械或者高等数学教学具有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的就是要针对以上课堂教学中所存在的局限性，改善教学效果，提供一种形象直观、教学方便、能快速生成可重构曲面的生成装置。
本发明具体方案是：一种实体空间曲面生成装置，它主要由机架、XY平台、顶杆机构、棒阵、气压加持装置及控制装置六部分组成，所述机架为一箱体，在箱体靠上部设置有一矩形框架，在箱体的底部中间位置安装有一XY平台，所述XY平台的横向与纵向各采用一台步进电机驱动，在所述XY平台的上端面上装有一块水平矩形底板，在所述底板上安装有一顶杆机构，所述顶杆机构具有一高一低两对支撑杆，两对支撑杆一前一后并排布置在所述底板的上端面上，并且每对支撑杆中的两根杆均一左一右分布在底板的两端，在所述高支撑杆中部偏上的位置横向设置有一根电磁铁支架，在电磁铁支架上均匀分布有若干个电磁铁；在所述电磁铁支架的上方位于高支撑杆上横向设置有一根固定杆a，在固定杆a上对应每个电磁铁安装有一条长条形滑轨，且每条滑轨竖直布置，每条滑轨的上部可绕固定杆a转动，滑轨下部悬空，所述每个滑轨截面为“［”形状，滑轨上端开口，下端封闭，每个滑轨背面正对一个电磁铁；在所述的每个滑轨中均竖向装有一根齿条，所述齿条在对应滑轨中滑动；在所述低支撑杆上部横向装有一根齿轮杆，所述齿轮杆上穿装有个数与齿条根数相同的小齿轮，每个小齿轮位置与一根齿条对应，并且与之啮合，在低支撑杆上位于所述齿轮杆的下方横向设置有一根固定杆b，在固定杆b上装有数量与齿条数量相同的橡皮筋，每根橡皮筋一端绑在固定杆b上，另一端连接在相对应的齿条上；在所述齿轮杆的一端装有一个大齿轮，在底板上位于所述低支撑杆外侧设置有一个步进电机支架，支架上安装有一台步进电机，所述步进电机转轴上装有一个传动齿轮，所述传动齿轮与大齿轮啮合；在顶杆机构上方的矩形框架上设置有一块双层孔板，在双层孔板的上下孔板上对应开有若干直径相同的小通孔，且小通孔组成一个矩阵，在上下孔板的每个小通孔中插入相同的空心塑料棒组成棒阵，所述每根空心塑料棒由一根粗棒和一根细棒相互插入连接而成，粗棒在上，细棒在下，所述粗棒直径大于小通孔直径，细棒直径小于小通孔直径；在上下孔板之间的棒阵中每两列空心塑料棒之间均设置有一个长条形弹性气囊，所述所有弹性气囊均与同一个自动充气装置通过气管和总分配管相连，弹性气囊与自动充气装置共同组成了气压加持装置；所述棒阵底端穿过弹性气囊之间的缝隙，棒阵的顶起由对应齿条的上升实现；在机架的箱体内部侧壁上还设置有一控制装置，该控制装置与XY平台的两台步进电机、顶杆机构中的步进电机、顶杆机构中的电磁铁以及自动充气装置线路连接并进行控制。
本发明中所述电磁铁支架为一“[”形结构，在该结构中间横杆上设有若干突起，所述突起用于固定电磁铁。
本发明中所述自动充气装置是采用电磁阀来控制来自气泵中的气体的充气和吸气的自由切换以及实现连续充气。
本发明中所述自动控制装置采用低功耗的单片机和驱动电磁继电器等来实现一些辅助设备的开关。
本发明中所述步进电机采用细分器驱动。
本发明中所述XY平台中的传动是采用滚珠丝杆进行精确传动。
本发明中所述双层孔板中的每排小通孔个数为电磁铁个数的整数倍。
本发明中所述弹性气囊由柔性微弹性密封材料制成桶状横穿于棒阵之间，并且与其配套的自动充气装置组成闭合回路。
本发明中所述长条形滑轨可为三级滑轨。
本发明的工作原理是：向单片机内导入所想要展现的三维立体曲面函数，内部芯片计算出三维数据，存入到一个二维数组中，启动运行开关，通过控制装置中的单片机内预先输入的程序驱动横向与纵向步进电机运动，将XY平台上的顶杆机构输送至预设的位置，同时启动自动充气装置向弹性气囊充气，运行时每次取出十个数据，按冒泡法将此时顶杆机构中的步进电机转过的步数与数组中的步数对比，到达时让相应的电磁铁通电工作，齿条齿轮分离，对应的空心塑料棒停止上升，以上动作如此循环，最终形成预先设置的三维立体曲面；本发明设计巧妙，能快速方便的生成直观形象的可重构曲面，大大提高了课堂教学效率和课堂生动性，同时可用于代替传统的沙盘模型，以及全息三维实体地图。
附图说明
图1是本发明的整体结构总装示意图（除去机架箱体外壳）；
图2是本发明中顶杆机构主视方向结构示意图；
图3是本发明中顶杆机构俯视方向结构示意图；
图4是本发明中顶杆机构左视方向结构示意图；
图5是本发明中双层孔板主视方向结构示意图；
图6是本发明中双层孔板左视方向局部剖切示意图；
图7是本发明中空心塑料棒结构示意图；
图8是本发明中弹性气囊安装位置示意图；
图9是本发明中控制装置内部控制流程图。
图中：1—机架，2—矩形框架，3—总分配管，4—棒阵，5—双层孔板，6—控制装置，7—XY平台，8—滚珠丝杆，9—气管，10—气泵，11—小齿轮，12—齿条，13—矩形底板，14—大齿轮，15—步进电机，16—固定杆b，17—橡皮筋，18—传动齿轮，19—固定杆a，20—高支撑杆，21—步进电机支架，22—滑轨，23—电磁铁支架，24—电磁铁，25—齿轮杆，26—低支撑杆，27—小通孔，28—粗棒，29—细棒，30—弹性气囊，31—上孔板，32—下孔板。
具体实施方式
参见图1-图9，本发明是一种实体空间曲面生成装置，它主要由机架1、XY平台7、顶杆机构、棒阵4、气压加持装置及控制装置6六部分组成，所述机架1为一箱体，在箱体靠上部设置有一矩形框架2，在箱体的底部中间位置安装有一XY平台7，所述XY平台的横向与纵向各采用一台步进电机15驱动，在所述XY平台的上端面上装有一块水平矩形底板13，在所述底板上安装有一顶杆机构，所述顶杆机构具有一高一低两对支撑杆20和26，两对支撑杆一前一后并排布置在所述底板的上端面上，并且每对支撑杆中的两根杆均一左一右分布在底板的两端，在所述高支撑杆20中部偏上的位置横向设置有一根电磁铁支架23，在电磁铁支架上均匀分布有若干个电磁铁24；在所述电磁铁支架的上方位于高支撑杆20上横向设置有一根固定杆a19，在固定杆a上对应每个电磁铁安装有一条长条形滑轨22，且每条滑轨竖直布置，每条滑轨的上部可绕固定杆a19转动，滑轨下部悬空，所述每个滑轨截面为“［”形状，滑轨上端开口，下端封闭，每个滑轨背面正对一个电磁铁；在所述的每个滑轨中均竖向装有一根齿条12，所述齿条在对应滑轨中滑动；在所述低支撑杆26上部横向装有一根齿轮杆25，所述齿轮杆上穿装有个数与齿条根数相同的小齿轮11，每个小齿轮位置与一根齿条对应，并且与之啮合，在低支撑杆上位于所述齿轮杆的下方横向设置有一根固定杆b16，在固定杆b上装有数量与齿条数量相同的橡皮筋17，每根橡皮筋一端绑在固定杆b上，另一端连接在相对应的齿条上；在所述齿轮杆的一端装有一个大齿轮14，在底板上位于所述低支撑杆外侧设置有一个步进电机支架21，支架上安装有一台步进电机，所述步进电机转轴上装有一个传动齿轮18，所述传动齿轮与大齿轮14啮合；在顶杆机构上方的矩形框架2上设置有一块双层孔板5，在双层孔板的上下孔板上对应开有若干直径相同的小通孔27，且小通孔组成一个矩阵，在上下孔板的每个小通孔中插入相同的空心塑料棒组成棒阵，所述每根空心塑料棒由一根粗棒28和一根细棒29相互插入连接而成，粗棒在上，细棒在下，所述粗棒直径大于小通孔直径，细棒直径小于小通孔直径；在上下孔板之间的棒阵中每两列空心塑料棒之间均设置有一个长条形弹性气囊30，所述所有弹性气囊均与同一个自动充气装置通过气管9和总分配管3相连，弹性气囊30与自动充气装置共同组成了气压加持装置；所述棒阵4底端穿过弹性气囊之间的缝隙，棒阵的顶起由对应齿条的上升实现；在机架的箱体内部侧壁上还设置有一控制装置6，该控制装置与XY平台的两台步进电机、顶杆机构中的步进电机、顶杆机构中的电磁铁以及自动充气装置线路连接并进行控制。
本实施例中所述电磁铁支架23为一“[”形结构，在该结构中间横杆上设有若干突起，所述突起用于固定电磁铁。
本实施例中所述自动充气装置是采用电磁阀来控制来自气泵10中的气体的充气和吸气的自由切换以及实现连续充气。
本实施例中所述自动控制装置采用低功耗的单片机和驱动电磁继电器等来实现一些辅助设备的开关。
本实施例中所述步进电机采用细分器驱动。
本实施例中所述XY平台中的传动是采用滚珠丝杆8进行精确传动。
本实施例中所述双层孔板中的每排小通孔27个数为电磁铁24个数的整数倍。
本实施例中所述弹性气囊30由柔性微弹性密封材料制成桶状横穿于棒阵4之间，并且与其配套的自动充气装置组成闭合回路。
本实施例中所述长条形滑轨22可为三级滑轨。
本发明的运行状态是：向单片机内导入所想要展现的三维立体曲面函数，内部芯片计算出三维数据，存入到一个二维数组中，启动运行开关，通过控制装置6中的单片机内预先输入的程序驱动横向与纵向步进电机运动，将XY平台7上的顶杆机构输送至预设的位置，同时启动自动充气装置向弹性气囊30充气，运行时每次取出十个数据，按冒泡法将此时顶杆机构中的步进电机转过的步数与数组中的步数对比，到达时让相应的电磁铁通电工作，齿条齿轮分离，对应的空心塑料棒停止上升，以上动作如此循环，最终形成预先设置的三维立体曲面。
本实施例中图形的显示是通过控制棒阵中的每支棒元的高度来实现的，由棒元的上端点形成高度差作为显示器显示图形。
本实施例中自动充气装置给弹性气囊充气后夹紧棒元，抽气后释放棒元，可重复生成三维曲面图像。
本实施例中一次性顶起的棒元的数目由顶杆机构上齿轮齿条的数目决定，模型中设定为单次顶起十支棒元。

Claims (9)

1.一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：它主要由机架、XY平台、顶杆机构、棒阵、气压加持装置及控制装置六部分组成，所述机架为一箱体，在箱体靠上部设置有一矩形框架，在箱体的底部中间位置安装有一XY平台，所述XY平台的横向与纵向各采用一台步进电机驱动，在所述XY平台的上端面上装有一块水平矩形底板，在所述底板上安装有一顶杆机构，所述顶杆机构具有一高一低两对支撑杆，两对支撑杆一前一后并排布置在所述底板的上端面上，并且每对支撑杆中的两根杆均一左一右分布在底板的两端，在所述高支撑杆中部偏上的位置横向设置有一根电磁铁支架，在电磁铁支架上均匀分布有若干个电磁铁；在所述电磁铁支架的上方位于高支撑杆上横向设置有一根固定杆a，在固定杆a上对应每个电磁铁安装有一条长条形滑轨，且每条滑轨竖直布置，每条滑轨的上部可绕固定杆a转动，滑轨下部悬空，所述每个滑轨截面为“［”形状，滑轨上端开口，下端封闭，每个滑轨背面正对一个电磁铁；在所述的每个滑轨中均竖向装有一根齿条，所述齿条在对应滑轨中滑动；在所述低支撑杆上部横向装有一根齿轮杆，所述齿轮杆上穿装有个数与齿条根数相同的小齿轮，每个小齿轮位置与一根齿条对应，并且与之啮合，在低支撑杆上位于所述齿轮杆的下方横向设置有一根固定杆b，在固定杆b上装有数量与齿条数量相同的橡皮筋，每根橡皮筋一端绑在固定杆b上，另一端连接在相对应的齿条上；在所述齿轮杆的一端装有一个大齿轮，在底板上位于所述低支撑杆外侧设置有一个步进电机支架，支架上安装有一台步进电机，所述步进电机转轴上装有一个传动齿轮，所述传动齿轮与大齿轮啮合；在顶杆机构上方的矩形框架上设置有一块双层孔板，在双层孔板的上下孔板上对应开有若干直径相同的小通孔，且小通孔组成一个矩阵，在上下孔板的每个小通孔中插入相同的空心塑料棒组成棒阵，所述每根空心塑料棒由一根粗棒和一根细棒相互插入连接而成，粗棒在上，细棒在下，所述粗棒直径大于小通孔直径，细棒直径小于小通孔直径；在上下孔板之间的棒阵中每两列空心塑料棒之间均设置有一个长条形弹性气囊，所述所有弹性气囊均与同一个自动充气装置通过气管和总分配管相连，弹性气囊与自动充气装置共同组成了气压加持装置；所述棒阵底端穿过弹性气囊之间的缝隙，棒阵的顶起由对应齿条的上升实现；在机架的箱体内部侧壁上还设置有一控制装置，该控制装置与XY平台的两台步进电机、顶杆机构中的步进电机、顶杆机构中的电磁铁以及自动充气装置线路连接并进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述电磁铁支架为一“[”形结构，在该结构中间横杆上设有若干突起，所述突起用于固定电磁铁。
3.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述自动充气装置是采用电磁阀来控制来自气泵中的气体的充气和吸气的自由切换以及实现连续充气。
4.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述自动控制装置采用低功耗的单片机和驱动电磁继电器等来实现一些辅助设备的开关。
5.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述步进电机采用细分器驱动。
6.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述XY平台中的传动是采用滚珠丝杆进行精确传动。
7.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述双层孔板中的每排小通孔个数为电磁铁个数的整数倍。
8.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述弹性气囊由柔性微弹性密封材料制成桶状横穿于棒阵之间，并且与其配套的自动充气装置组成闭合回路。
9.根据权利要求1所述的一种实体空间曲面生成装置，其特征在于：所述长条形滑轨可为三级滑轨。
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