CN104966435B - 运动学演示基础平台 - Google Patents

Abstract

本本发明公开了一种运动学演示基础平台，包括数控系统，所述数控系统连接两个三轴移动平台系统和一L形的直角角铁架；第一三轴移动平台系统包括可在X‑Y平面内移动的水平十字工作台，水平十字工作台固定连接在直角角铁架的水平安装面上，水平十字工作台上设有沿Z轴方向运行的竖直工作台；第二三轴移动平台系统包括可在Y‑Z平面内移动的竖直十字工作台，竖直十字工作台固定连接在直角角铁架的竖直安装面上，竖直十字工作台上设有沿X轴方向运行的水平工作台，以形成两个三轴移动平台系统具有相互重叠的三轴运行区域。本本发明的有益效果是，可方便的与多种典型机构组合成教学演示模型，适用范围广，教具制作成本低。

Description

运动学演示基础平台

技术领域

本发明涉及一种教学演示平台，特别涉及一种典型机构运动演示的基础平台。

背景技术

目前，在机械类专业的教学活动中，为便于学生直观地了解某种典型机械的结构及工作原理，通常需要制作三维模型进行教学演示。例如曲柄滑块机构、摇杆机构、曲柄连杆机构、4R揉面机构、间歇性凸轮传动机构、万向节传动机构、RSSR空间四杆机构等。现有演示模型包括基础平台和设在基础平台上的典型机构。由于传统的基础平台仅仅为典型机构提供安装基础。因此，典型机构不仅包括提供旋转运动输入的电动机，还包括反映典型运动传动要求的典型机械结构。现有演示模型中演示以旋转为输入的典型机构，如曲柄滑块机构、曲柄连杆机构等，其结构通常比较简单。但若以直线运动为输入的运动模型，如摇杆机构，需要设置输入运动转换机构将旋转运动转换为直线运动，再将直线输入运动作为典型机构的输入，其结构复杂，造价高。因此，现有演示模型虽然针对性强，但其往往只能实现较少类型甚至是单一类型的运动演示，通用性差。为此，需要改进。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种运动学演示基础平台，该基础平台除为典型机构提供安装基础外，还可提供直线和旋转运动输入。该演示基础平台可与多种典型机构组合形成多种典型机构的运动教学演示模型，适用范围广，教具制作成本低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种运动学演示基础平台，包括数控系统，所述数控系统连接有两个三轴移动平台系统和一L形的直角角铁架；第一三轴移动平台系统包括可在X-Y平面内移动的水平十字工作台，水平十字工作台固定连接在直角角铁架的水平安装面上，水平十字工作台上设有沿Z轴方向运行的竖直工作台；第二三轴移动平台系统包括可在Y-Z平面内移动的竖直十字工作台，竖直十字工作台固定连接在直角角铁架的竖直安装面上，竖直十字工作台上设有沿X轴方向运行的水平工作台，水平工作台位于水平十字工作台运行区域内的上方，以形成两个三轴移动平台系统具有相互重叠的三轴运行区域。

采用前述技术方案的本发明，通过两个三轴移动平台系统分别形成竖直工作台和水平工作台，两个工作平台均具有X、Y和Z三个轴向的综合运动轨迹，两个工作平台可分别用于典型机构的输入端和输出端运动副结构件的安装，任一工作平台均可提供三个方向的直线运动输入，以用于输入为直线运动的典型机构的布设；不需另外设置复杂的运动转换机构即可方便地完成运动演示；通过在任一安装平台上设置输入电机即可实现输入为旋转运动的运动学演示；在两个工作平台均设置输入电机可实现双动力输入的典型机构试验，如摇筛机构。另外，两个安装平台可分别通过控制系统实现X、Y、Z轴任意位置调整，可方便地实现各种典型机构输入端和输出端安装位置不同的需求，其通用性强，适用范围广。输入电机采用永磁直流减速电机时，可方便的实现其旋转速度的控制，如通过较低的输入转速便于学生仔细观察。另外，还可利用转速与移动速度的函数关系，实现车轮的运动学演示等。

优选的，所述水平十字工作台和竖直十字工作台的X轴和Z轴方向的运动均由步进电机与滚珠丝杠传动相结合的方式驱动；Y轴方向的运动由步进电机与同步带传动相结合的方式驱动。以使控制系统简单，降低制造和试验成本。

优选的，所述水平十字工作台的X轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第一步进电机与第一滚珠丝杠传动相结合的方式驱动，该两个第一滚珠丝杠均通过两端可转动的设在第一丝杠座上，第一丝杠座固定连接在直角角铁架水平面上；该两个第一滚珠丝杠上均配合有水平螺母，两个水平螺母通过两个平行的第一连接杆固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第二步进电机固定连接在一水平螺母上，该第二步进电机的电机轴上固定连接有第一同步齿形带驱动轮，另一水平螺母上设有第一同步齿形带换向轮，第一同步驱动轮与第一同步换向轮通过第一同步齿形带连接；Z轴方向的第三步进电机由第一电机座固定连接在第一同步齿形带平行段的一侧带体上，第三步进电机的输出轴上同轴固定连接有第二滚珠丝杠，第一电机座滑动在第一连接杆上；所述竖直工作台形成有与第二滚珠丝杠配合的螺母结构。以使水平十字工作台运行平稳，且可进一步确保结构简单，降低制造难度。

进一步优选的，所述两个水平螺母均设有导向孔，导向孔内配合有第一导向杆，第一导向杆与第一滚珠丝杠平行，第一导向杆和第一滚珠丝杠两端均通过固定连接在直角角铁架上安装座连接；所述竖直工作台设有竖直导向孔，该竖直导向孔内配合有第二导向杆，该第二导向杆由一端与第一电机座固定连接，第二导向杆另一端固定连接有第一轴端挡块，该第一轴端挡块还用于转动支撑所述第二滚珠丝杠的自由端。确保试验平台运行的稳定性和使用寿命长。

更进一步优选的，所述第一轴端挡块呈U形管夹式结构，第一轴端挡块通过连接螺钉夹持固定在第二导向杆上，第一轴端挡块由其U槽底部与所述第二滚珠丝杠的自由端连接。进一步简化结构，降低制造难度和制造成本。

优选的，所述竖直十字工作台的Z轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第四步进电机与第三滚珠丝杠传动相结合的方式驱动，该两个第三滚珠丝杠均通过两端可转动的设在丝杠座上，丝杠座固定连接在角铁架竖直面上；该两个第三滚珠丝杠上均配合有竖直螺母，两个竖直螺母通过两个平行的第二连接杆固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第五步进电机固定连接在一竖直螺母上，该第五步进电机的电机轴上固定连接有第二同步齿形带驱动轮，另一竖直螺母上设有第二同步齿形带换向轮，第二同步驱动轮与第二同步换向轮通过第二同步齿形带连接；X轴方向的第六步进电机由第二电机座固定连接在第二同步齿形带平行段的一侧带体上，第六步进电机的输出轴上同轴固定连接有第四滚珠丝杠，第二电机座滑动在第二连接杆上；所述水平工作台形成有与第四滚珠丝杠配合的螺母结构。以使竖直十字工作台运行平稳，且可进一步确保结构简单，降低制造难度。

进一步优选的，所述两个竖直螺母均设有导向孔，导向孔内配合有第三导向杆，第三导向杆与第三滚珠丝杠平行，第三导向杆和第三滚珠丝杠两端均通过固定连接在角铁架上安装座连接；所述水平工作台设有水平导向孔，该水平导向孔内配合有第四导向杆，该第四导向杆由一端与第二电机座固定连接，另一端固定连接有第二轴端挡块，该第二轴端挡块还用于转动支撑所述第四滚珠丝杠的自由端。确保试验平台运行的稳定性和使用寿命长。

更进一步优选的，所述第二轴端挡块呈U形管夹式结构，第二轴端挡块通过连接螺钉夹持固定在第四导向杆上，第二轴端挡块由其U槽底部与所述第四滚珠丝杠的自由端连接。进一步简化结构，降低制造难度和制造成本。

本发明与现有技术相比的有益效果是，可方便的与多种典型机构组合形成多种典型机构的运动教学演示模型，适用范围广，教具制作成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意轴测图。

图2是本发明应用于4R揉面机构的结构示意轴测图。

图3是本发明图2中的主视图。

图4是本发明图3的左视图。

图5是本发明应用于摇筛机构的轴测示意图。

图6是本发明应用于摇筛机构的左视图。

图7是本发明应用于间歇性凸轮机构的轴测示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1 参见图1，一种运动学演示基础平台，包括数控系统，数控系统连接有两个三轴移动平台系统和一L形的直角角铁架1；第一三轴移动平台系统包括可在X-Y平面内移动的水平十字工作台，水平十字工作台固定连接在直角角铁架1的水平安装面上，水平十字工作台上设有沿Z轴方向运行的竖直工作台2；第二三轴移动平台系统包括可在Y-Z平面内移动的竖直十字工作台，竖直十字工作台固定连接在直角角铁架1的竖直安装面上，竖直十字工作台上设有沿X轴方向运行的水平工作台3，水平工作台3位于水平十字工作台运行区域内的上方，以形成两个三轴移动平台系统具有相互重叠的三轴运行区域。水平十字工作台和竖直十字工作台的X轴和Z轴方向的运动均由步进电机与滚珠丝杠传动相结合的方式驱动；Y轴方向的运动由步进电机与同步带传动相结合的方式驱动。

具体是，水平十字工作台的X轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第一步进电机5a与第一滚珠丝杠6a传动相结合的方式驱动，该两个第一滚珠丝杠6a均通过两端可转动的设在第一丝杠座上，第一丝杠座固定连接在直角角铁架1水平面上；该两个第一滚珠丝杠6a上均配合有水平螺母7，两个水平螺母7通过两个平行的第一连接杆8固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第二步进电机5b固定连接在一水平螺母7上，该第二步进电机5b的电机轴上固定连接有第一同步齿形带驱动轮，另一水平螺母7上设有第一同步齿形带换向轮，第一同步驱动轮与第一同步换向轮通过第一同步齿形带连接；Z轴方向的第三步进电机5c由第一电机座9固定连接在第一同步齿形带平行段的一侧带体上，第三步进电机5c的输出轴上同轴固定连接有第二滚珠丝杠6b，第一电机座9滑动在第一连接杆8上；所述竖直工作台2形成有与第二滚珠丝杠6b配合的螺母结构。其中，两个水平螺母7均设有导向孔，导向孔内配合有第一导向杆10，第一导向杆10与第一滚珠丝杠6a平行，第一导向杆10和第一滚珠丝杠6a两端均通过固定连接在直角角铁架1上安装座连接；所述竖直工作台2设有竖直导向孔，该竖直导向孔内配合有第二导向杆11，该第二导向杆11由一端与第一电机座9固定连接，第二导向杆11另一端固定连接有第一轴端挡块12，该第一轴端挡块12还用于转动支撑所述第二滚珠丝杠6b的自由端。其中的第一轴端挡块12呈U形管夹式结构，第一轴端挡块12通过连接螺钉夹持固定在第二导向杆11上，第一轴端挡块12由其U槽底部与所述第二滚珠丝杠6b的自由端连接。

所述竖直十字工作台的Z轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第四步进电机5d与第三滚珠丝杠6c传动相结合的方式驱动，该两个第三滚珠丝杠6c均通过两端可转动的设在丝杠座上，丝杠座固定连接在角铁架1竖直面上；该两个第三滚珠丝杠6c上均配合有竖直螺母13，两个竖直螺母13通过两个平行的第二连接杆8a固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第五步进电机5e固定连接在一竖直螺母13上，该第五步进电机5e的电机轴上固定连接有第二同步齿形带驱动轮，另一竖直螺母13上设有第二同步齿形带换向轮，第二同步驱动轮与第二同步换向轮通过第二同步齿形带连接；X轴方向的第六步进电机5f由第二电机座9a固定连接在第二同步齿形带平行段的一侧带体上，第六步进电机5f的输出轴上同轴固定连接有第四滚珠丝杠6d，第二电机座9a滑动在第二连接杆8a上；所述水平工作台3形成有与第四滚珠丝杠6d配合的螺母结构。其中，两个竖直螺母13均设有导向孔，导向孔内配合有第三导向杆14，第三导向杆14与第三滚珠丝杠6c平行，第三导向杆14和第三滚珠丝杠6c两端均通过固定连接在角铁架1上安装座连接；所述水平工作台3设有水平导向孔，该水平导向孔内配合有第四导向杆15，该第四导向杆15由一端与第二电机座9a固定连接，另一端固定连接有第二轴端挡块16，该第二轴端挡块16还用于转动支撑所述第四滚珠丝杠6d的自由端。其中的第二轴端挡块16呈U形管夹式结构，第二轴端挡块16通过连接螺钉夹持固定在第四导向杆15上，第二轴端挡块16由其U槽底部与所述第四滚珠丝杠6d的自由端连接。

本实施例中，所述竖直工作台2和/或水平工作台3上设有用于试验动力输入的输入电机4，所采用的电机为永磁直流减速电机。

实施例2，参见图2、图3、图4，本发明的运动学演示基础平台应用于4R揉面机构时，竖直工作台2设有由永磁直流减速电机构成的输入电机4，在输入电机4的输出端连接在4R揉面机构的曲柄17的输入端上，曲柄17通过球铰接头18连接有球铰杆，球铰杆通过滑座上的配合孔与滑座滑动连接，滑座可转动的铰接在Y形铰接座上，Y形铰接座通过下部一字形杆部可转动的安装在水平工作台3上。其中，球铰杆远端形成4R揉面机构输出端。

本实施例中的其余结构与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3，参见图5、图6，本发明的运动学演示基础平台应用于摇筛机构时，竖直工作台2和水平工作台3均设有由永磁直流减速电机构成的输入电机4，两个输入电机4的输出端分别连接在摇筛机构两个等长杆22的输入端上，两个等长杆件22的自由端铰接在水平杆件23的两端，以构成摇筛机构。输入电机4等转速转动，水平杆件23构成摇筛机构输出部件。

实施例4，参见图7，本发明的运动学演示基础平台应用于间歇性凸轮机构时，竖直工作台2设有由永磁直流减速电机构成的输入电机4，在输入电机4的输出端连接在间歇凸轮机构的拨叉的输入端上，拨叉的自由端设有形成有端面盘结构，在该端面盘上设有偏离拨叉轴心的拨动销，与拨动销对称的一侧设有不完整的圆柱面，拨叉上通过不完整圆柱面配合有球壳，球壳与拨叉圆柱面配合的圆弧凹面设有圆周均布的多个，两个圆弧凹面之间形成有用于拨叉轴心的拨动销拨动球壳的拨槽，球壳外部形成有轴杆，该轴杆的轴线构成球壳转动的轴线，以及圆弧凹槽和拨槽圆周均布的轴心线，球壳通过该轴杆部可转动的连接在水平工作台3上。在输入电机4匀速旋转时，球壳呈间歇性转动。

以上虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，如将本发明中的推杆的楔形工作面做成由外向内逐渐增大的方式，通过拉动推杆实现离合器脱离超越状态的目的，相应推杆的内端面底部可以设置拉伸弹簧等。这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。

Claims (10)

1.一种运动学演示基础平台，包括数控系统，其特征在于，所述数控系统连接有两个三轴移动平台系统和一L形的直角角铁架（1）；第一三轴移动平台系统包括可在X-Y平面内移动的水平十字工作台，水平十字工作台固定连接在直角角铁架（1）的水平安装面上，水平十字工作台上设有沿Z轴方向运行的竖直工作台（2）；第二三轴移动平台系统包括可在Y-Z平面内移动的竖直十字工作台，竖直十字工作台固定连接在直角角铁架（1）的竖直安装面上，竖直十字工作台上设有沿X轴方向运行的水平工作台（3），水平工作台（3）位于水平十字工作台运行区域内的上方，以形成两个三轴移动平台系统具有相互重叠的三轴运行区域。

2.根据权利要求1所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述竖直工作台（2）和/或水平工作台（3）上设有用于试验动力输入的输入电机（4）。

3.根据权利要求2所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述输入电机（4）为永磁直流减速电机。

4.根据权利要求1～3中任意一项权利要求所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述水平十字工作台和竖直十字工作台的X轴和Z轴方向的运动均由步进电机与滚珠丝杠传动相结合的方式驱动；Y轴方向的运动由步进电机与同步带传动相结合的方式驱动。

5.根据权利要求4所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述水平十字工作台的X轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第一步进电机（5a）与第一滚珠丝杠（6a）传动相结合的方式驱动，该两个第一滚珠丝杠（6a）均通过两端可转动的设在第一丝杠座上，第一丝杠座固定连接在直角角铁架（1）水平面上；该两个第一滚珠丝杠（6a）上均配合有水平螺母（7），两个水平螺母（7）通过两个平行的第一连接杆（8）固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第二步进电机（5b）固定连接在一水平螺母（7）上，该第二步进电机（5b）的电机轴上固定连接有第一同步齿形带驱动轮，另一水平螺母（7）上设有第一同步齿形带换向轮，第一同步驱动轮与第一同步换向轮通过第一同步齿形带连接；Z轴方向的第三步进电机（5c）由第一电机座（9）固定连接在第一同步齿形带平行段的一侧带体上，第三步进电机（5c）的输出轴上同轴固定连接有第二滚珠丝杠（6b），第一电机座（9）滑动在第一连接杆（8）上；所述竖直工作台（2）形成有与第二滚珠丝杠（6b）配合的螺母结构。

6.根据权利要求5所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述两个水平螺母（7）均设有导向孔，导向孔内配合有第一导向杆（10），第一导向杆（10）与第一滚珠丝杠（6a）平行，第一导向杆（10）和第一滚珠丝杠（6a）两端均通过固定连接在直角角铁架（1）上安装座连接；所述竖直工作台（2）设有竖直导向孔，该竖直导向孔内配合有第二导向杆（11），该第二导向杆（11）由一端与第一电机座（9）固定连接，第二导向杆（11）另一端固定连接有第一轴端挡块（12），该第一轴端挡块（12）还用于转动支撑所述第二滚珠丝杠（6b）的自由端。

7.根据权利要求6所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述第一轴端挡块（12）呈U形管夹式结构，第一轴端挡块（12）通过连接螺钉夹持固定在第二导向杆（11）上，第一轴端挡块（12）由其U槽底部与所述第二滚珠丝杠（6b）的自由端连接。

8.根据权利要求4所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述竖直十字工作台的Z轴方向的运动由两个平行布置且同步运行的第四步进电机（5d）与第三滚珠丝杠（6c）传动相结合的方式驱动，该两个第三滚珠丝杠（6c）均通过两端可转动的设在丝杠座上，丝杠座固定连接在角铁架（1）竖直面上；该两个第三滚珠丝杠（6c）上均配合有竖直螺母（13），两个竖直螺母（13）通过两个平行的第二连接杆（8a）固定连接成整体结构；Y轴方向驱动的第五步进电机（5e）固定连接在一竖直螺母（13）上，该第五步进电机（5e）的电机轴上固定连接有第二同步齿形带驱动轮，另一竖直螺母（13）上设有第二同步齿形带换向轮，第二同步驱动轮与第二同步换向轮通过第二同步齿形带连接；X轴方向的第六步进电机（5f）由第二电机座（9a）固定连接在第二同步齿形带平行段的一侧带体上，第六步进电机（5f）的输出轴上同轴固定连接有第四滚珠丝杠（6d），第二电机座（9a）滑动在第二连接杆（8a）上；所述水平工作台（3）形成有与第四滚珠丝杠（6d）配合的螺母结构。

9.根据权利要求8所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述两个竖直螺母（13）均设有导向孔，导向孔内配合有第三导向杆（14），第三导向杆（14）与第三滚珠丝杠（6c）平行，第三导向杆（14）和第三滚珠丝杠（6c）两端均通过固定连接在角铁架（1）上安装座连接；所述水平工作台（3）设有水平导向孔，该水平导向孔内配合有第四导向杆（15），该第四导向杆（15）由一端与第二电机座（9a）固定连接，另一端固定连接有第二轴端挡块（16），该第二轴端挡块（16）还用于转动支撑所述第四滚珠丝杠（6d）的自由端。

10.根据权利要求9所述的运动学演示基础平台，其特征在于，所述第二轴端挡块（16）呈U形管夹式结构，第二轴端挡块（16）通过连接螺钉夹持固定在第四导向杆（15）上，第二轴端挡块（16）由其U槽底部与所述第四滚珠丝杠（6d）的自由端连接。