CN105856918A - 变螺距演示及螺线绘制仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变螺距演示及螺线绘制仪，包括定位支架、轨道圆盘、辅助支脚、滑槽推杆、滚轮支杆、压线杆、画笔、连索；所述定位支架包括支杆，在支杆的上下端分别设有抓手盘和锥形尖顶，在支杆的中部设有活动轴套，在轴套的上部支杆上开有固定孔；轨道圆盘通过固定孔固定在支杆上，两个辅助支脚分别固定在轨道圆盘的外缘或中部，滑槽推杆的内侧一端垂直固定在定位支架的轴套上，在滑槽推杆上分别固定着滚轮支杆、压线杆和画笔，轨道圆盘、滚轮支杆、压线杆、画笔通过连索连接。本发明操作简单，功能齐全，能够直观反映不同阿基米德螺线的极坐标变化关系，并能自动绘制出连续的等距螺线。

Description

变螺距演示及螺线绘制仪

技术领域

本发明涉及一种教学仪器和工程制图仪，是把圆周运动和径向直线运动统一起来的装置，具体地说是一种能直观演示极坐标系下不同螺线的函数关系并绘制出相应螺线的绘图仪。

背景技术

随着我国中高等教育事业的发展和技术进步，教师教学、学生学习、工程设计、现场施工等都需要快捷方便多功能的演示和绘图仪器。阿基米德螺线是常用的螺线之一，在中等数学、大学数学和工程制图中占有重要地位，通过直观演示极坐标系下的函数关系并描绘出相应的连线，既能减轻教师的教学压力也能帮助学生理解和领会，是提高数学、制图等课程教学质量的重要手段。阿基米德螺线在实际应用中也异常广泛，工程技术人员在各种设计、图纸绘制，施工人员在现场的许多布线，要经常用到阿基米德螺线。目前的画图主要采用手工列表描点、计算机软件赋值打印等方法，取点繁琐计算结果主要为近似值，定点间的连线多用折线或离散点代替，看不到真实曲线形成的全貌，绘画效率低且联动性和通用性差，操作简单使用方便的演示和绘图仪器是他们的急需。

为了解决上述问题，近阶段也出现了少数涉及螺线的装置，如，专利申请号为201410227956.5的文献中给出了“多功能机械用绘图板”，主要是把传统用的直尺、三角板和量角器独立地结合在一起,完成各自的功能或部分合作功能，不能绘制非圆弧曲线；专利号为201320648009的文献中给出了“一种函数图像演示装置”，实现方式是：利用有源晶振逻辑控制模块、驱动模块等电子信息技术材料，只能在点阵液晶显示模块上观看对数函数图像的视频资料，无直接函数关系及曲线描绘功能；专利号为201410577646的文献中给出了“一种凸轮轮廓曲线绘制演示仪”，只能绘制凸轮闭曲线图形，难以完成极坐标系下的等距螺线的绘制。

综上所述文献存在如下不足：不能通过简单的机械构件直观演示阿基米德螺线的极坐标对应关系，不能通过简单操作亲手绘制出各种螺线，尤其是不利于学生个人用于学习，也不易在固定平面或工作现场绘制曲线，功能不足适用性低。

发明内容

为了克服手工画图做不到或现有仪器中缺少的功能，本发明的目的是提供一种变螺距演示及螺线绘制仪，该装置能在教室、绘图室、施工现场使用，操作简单功能齐全携带方便，绘制的螺线清晰准确，工作效率高。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：该仪器包括定位支架、轨道圆盘、辅助支脚、滑槽推杆、滚轮支杆、压线杆、画笔、连索；所述定位支架包括支杆，在支杆的上下端分别设有抓手盘和锥形尖顶，在支杆的中部设有活动轴套，在轴套的上部支杆上开有固定孔；轨道圆盘通过固定孔固定在支杆上，两个辅助支脚分别固定在轨道圆盘的外缘或中部，滑槽推杆的内侧一端垂直固定在定位支架的轴套上，在滑槽推杆上分别固定着滚轮支杆、压线杆和画笔，轨道圆盘、滚轮支杆、压线杆、画笔通过连索连接。

本发明中，轨道圆盘由透明盘底、缠线轮圈、圆箍套构成，透明盘底是具有一定厚度和强度的透明圆环盘，圆箍套连接在透明盘底的内环上，在透明盘底的下面圆箍套的外面固定有多个半径不同的缠线轮圈，在每个缠线轮圈的外侧开有绕线槽沟，在槽沟的底部设有线卡，在透明盘底外缘和中部都留有支脚插孔，在透明盘底的上面设有量角盘和极轴，轨道圆盘通过圆箍套上圆孔与定位支架上的固定孔连接在一起。其中，透明盘底、缠线轮圈、圆箍套有共同的圆心，缠线轮圈的半径为R＝b。

本发明中，辅助支脚由平板支架、支脚支杆、地脚、带孔套管、弹簧管架、锁箱等构成，弹簧管架、锁箱嵌在平板支架的中部，在弹簧管架的上端设有螺旋弹簧，在弹簧内有支杆穿过，支杆的上下两端分别设有按钮盘和地脚，在支杆的中部套有一段带孔套管，在锁箱内的上部设有弹簧锁舌，在锁箱内的下部设有推压开关，平板支架两端各开有钉孔。辅助支脚用销钉把平板支架固定在轨道圆盘的支脚插孔处。其中，带孔套管和锁箱结合紧密，以弹簧锁舌伸出能锁住带孔套管为准。

本发明中，滑槽推杆由薄板杆、带槽滑块构成。在薄板杆的中部开有滑槽，带槽滑块嵌在滑槽内，在带槽滑块的中部开有画笔插孔，在画笔插孔的两旁各开有接线孔，在薄板杆的两端分别开有内轴孔和转动支杆插孔，在薄板杆上内轴孔一端的一侧开有多个线杆插孔另一侧刻有刻度尺，在转动支杆插孔的边缘上设有管套，管套上开有销钉孔。滑槽推杆通过内轴孔连接在定位支架上的活动轴套上。其中，线杆插孔的中心离内轴孔中心的长度与缠线轮圈的外半径对应相同。滑块的初始位置定为ρ₀＝a。

本发明中，滚轮支杆由直杆、滚轮架、滚轮、外插管、推转手柄等组成，支杆的下端内插于外插管中，外插管的下端设有滚轮架，在滚轮架的下端设有滚轮，在支杆的上端固定有推转手柄，在支杆的中部设有过线滑轮，过线滑轮上刻有线槽，在支杆中部过线滑轮下方开有固定孔，滚轮支杆通过固定孔与滑槽推杆上管套的销钉孔固连在一起。

本发明中，压线杆由圆杆、螺栓、转轮、定位线管等组成，圆杆是一段不变形圆杆，在圆杆的上端套有转轮，下端接一段螺栓，螺栓上设有螺母，在圆杆的中部设有垂直的定位线管，在圆杆的上端垂直截面处设有红彩色灯。压线杆通过螺栓螺母固定在滑槽推杆的线柱插孔处。

本发明中，画笔由笔杆、笔尖、固定盘等组成，笔杆是一直圆杆，其上部是一段螺栓，笔尖通过调节弹簧固定在笔杆的下端，固定盘在笔杆中部，笔杆的上部设有螺母，在笔杆的上端垂直截面处设有绿彩色灯。画笔通过固定盘和螺母固定在滑槽推杆的带槽滑块上的画笔插孔处。

本发明中，连索是一根柔软无弹性的细绳，连索一端固定在轨道圆盘上缠线轮圈的线卡处，另一端依次穿过压线杆上的定位线管、滚轮支杆上过线滑轮的线槽，固定在滑槽推杆上带槽滑块的线孔处。

实际操作时，可以选择不同的缠线轮圈、滑块的初始位置，或拉绳的连接方式，既能演示螺线的极坐标关系，也能绘制出所需的曲线，还可以计算函数值，由此可以解决螺线ρ＝a+bθ(a＞0,θ为弧度)的相关问题。支架、支杆、推杆等所用材料为刚性。

本发明具有如下有益效果：

本发明具有演示功能，能演示螺线的数量关系和极坐标下的位置变化关系，操作步骤是：一、系统组装，把轨道圆盘有缠线轮圈的一面朝向定位支架的锥形尖顶并垂直固定在支杆上，把两个辅助支脚分别固定在轨道圆盘上，把装有画笔的滑道推杆的内轴孔套在定位支架的轴套上，滚轮支杆固定在滑道推杆的外端插孔上，选定某个缠线轮圈后，把压线杆安装在滑道推杆上对应的线杆插孔中，在轨道圆盘、压线杆、滚轮支杆和画笔所在的滑块之间用连索相连；二、初始状态调整，把演示仪定位支架的尖顶对准纸板上极坐标系的极点，左手垂直按住抓手盘不放，右手转动轨道圆盘使极坐标系的极轴重合，用右手分别按下辅助支脚，打开红绿彩色灯调整画笔笔尖离开纸面，滑动滑块使画笔中心对准初始径长ρ₀＝a，转动旋钮使连索处于紧张状态；三、演示，一手按住抓手盘不动，另一手抓住滚轮支杆上的推转手柄，按逆时针方向推转，就会在纸面的垂直方向看到红彩色灯作圆周运动，同时绿彩色灯离开原点作直线运动。当滑槽推杆碰到辅助支脚开关时，辅助支脚自动离开纸面，继续推动滑槽推杆运动，在滑槽推杆离开辅助支脚下方时，再次按下辅助支脚，整个装置保持稳定状态，两个彩色灯各自进行连续的运动，反映的是函数ρ＝a+bθ的关系。

本发明具有绘图功能，能在图板或纸张上绘制螺线ρ＝a+bθ(a＞0,θ为弧度)的图像，操作步骤一、三与演示操作的一样，二、初始状态调整，打开红绿彩色灯，调整画笔笔尖接触纸面，其他与演示操作的一样；四、结束，在滑槽推杆到达量角盘上的刻度时，一开绘图仪。

本发明操作简单，只要推动滚轮支脚上的手柄就能完成演示和曲线绘制；功能齐全，在系统容许值内，能够直观反映不同阿基米德螺线的极坐标变化关系，并能自动绘制出连续的等距螺线；成本低廉，把工业用的余料或生活中的废旧物品经简单加工就能组装成产品。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中定位支架的结构示意图；

图3-1是本发明中基圆绕线盘的结构示意图；

图3-2是本发明基圆绕线盘中在量角盘的0°方向画有极轴的示意图。

图4是本发明中辅助支脚的结构示意图；

图5是本发明中滑道推杆的结构示意图；

图6是本发明中滚轮支杆的结构示意图；

图7是本发明中压线杆的结构示意图；

图8是本发明中画板的结构示意图。

图中：1—定位支架、11—支杆、12—锥形尖顶、13—抓手盘、14—轴套、15—固定孔；2—轨道圆盘、21—透明盘底、22—缠线轮圈、23—圆箍套、24—圆孔、25—槽沟、26—线卡、27—支脚插孔、28—量角盘、29—极轴；3—辅助支脚、31—平板支架、32—支脚支杆、33—地脚、34—带孔套管、35—螺旋弹簧、36—按钮盘、37—弹簧管架、38—锁箱、39—弹簧锁舌、310—推压开关、311—销钉孔；4—滑道推杆、41—薄板杆、42—沟槽、43—带槽滑块、44—转动支杆插孔、45—内轴孔、46—线杆插孔、47—画笔插孔、48—接线孔、49—套管、410-销钉孔、411—刻度尺；5—滚轮支杆、51—直杆、52—滚轮之架、53—滚轮、54—外插管、55—推转手柄、56—过线滑轮、57—安装孔；6—压线杆、61—圆直管、62—螺栓、63—转轮、64—螺母、65—压线管、66—线孔、67—红彩色灯；7—画笔、71—笔杆、72—笔尖、73—调节弹簧、74—固定盘、75—画笔螺母、76—绿彩色灯；8—连索

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，变螺距演示及螺线绘制仪，起定位和转轴作用的定位支架1垂直穿过透明的轨道圆盘2的盘心，两个辅助支脚3分别固定在轨道圆盘2的外缘和中部，滑槽推杆4的一端垂直轴在定位支架1上，在滑槽推杆4的外端固定着滚轮支杆5，压线杆6一端固定在滑槽推杆4上另一端紧靠轨道圆盘2，画笔7安装在滑槽推杆4上的滑块中，连索8把轨道圆盘2、滚轮支杆5、压线杆6、画笔7连在一起。

如图2所示，指数函数演示及图像绘制仪，定位支架1包括支杆11，在支杆11的上下端分别设有抓手盘13和锥形尖顶12，在支杆11的中部设有活动轴套14，在轴套14的上部支杆11上开有固定孔15。

如图3所示，变螺距演示及螺线绘制仪，轨道圆盘2由透明盘底21、缠线轮圈22、圆箍套23构成，圆箍套23固定在透明盘底21的内环上，在透明盘底21的下面圆箍套23的外面固定有多个半径不同的缠线轮圈22，在每个缠线轮圈22的外侧开有绕线槽沟25，在槽沟25的底部设有线卡26，在透明盘底21外缘和中部都留有支脚插孔27，在透明盘底21的上面设有量角盘28和极轴29。

如图4所示，变螺距演示及螺线绘制仪，辅助支脚3由平板支架31、支脚支杆32、地脚33、带孔套管34、弹簧管架37、锁箱38等构成，弹簧管架37、锁箱38嵌在平板支架31的中部，在弹簧管架37的上端设有螺旋弹簧35，在弹簧35内有支杆32穿过，支杆32的上下两端分别设有按钮盘36和地脚33，在支杆32的中部套有一段带孔套管34，在锁箱38内的上部设有弹簧锁舌39，在锁箱38内的下部设有推压开关310，平板支架31两端各开有钉孔311。

如图5所示，变螺距演示及螺线绘制仪，滑槽推杆4由薄板杆41、带槽滑块43构成。在薄板杆41的中部开有滑槽42，带槽滑块43嵌在滑槽42内，在带槽滑块43的中部开有画笔插孔47，在画笔插孔47的两旁各开有接线孔48，在薄板杆41的两端分别开有内轴孔45和转动支杆插孔44，在薄板杆41内轴孔45一端的一侧开有多个线杆插孔46另一侧刻有刻度尺411，在转动支杆插孔44的边缘上设有管套49，管套49上开有销钉孔410。

如图6所示，变螺距演示及螺线绘制仪，滚轮支杆5由支杆51、滚轮架52、滚轮53、外插管54、推转手柄55等组成，支杆51的下端内插于外插管54中，外插管54的下端设有滚轮架52，在滚轮架52的下端设有滚轮53，在支杆51的上端固定有推转手柄55，在支杆51的中部设有过线滑轮56，过线滑轮56上刻有线槽58，在支杆51中部过线滑轮56下方开有固定孔57。

如图7所示，变螺距演示及螺线绘制仪，压线杆6由圆杆61、螺栓62、转轮63、定位线管65等组成，圆杆61是一段不变形圆杆，在圆杆61的上端套有转轮63，下端接一段螺栓62，螺栓62上设有螺母64，在圆杆61的中部设有垂直的定位线管65，在圆杆61的上端垂直截面处设有红彩色灯66。

如图8所示，变螺距演示及螺线绘制仪，画笔7由笔杆71、笔尖72、固定盘74等组成，笔杆71是一直圆杆，其上部是一段螺栓，笔尖72通过调节弹簧73固定在笔杆71的下端，固定盘74在笔杆71中部，笔杆71的上部设有螺母75，在笔杆71的上端垂直截面处设有绿彩色灯76。

本发明的工作原理是，把绕轴转动连杆上的定点与动点的等距变化，通过运动机构及连索统一起来，形成变参数的螺线轨迹。具有如下优点：操作简单，组装完成后只要推动手柄就能完成演示和绘图；适用性强：选择不同半径和起始位能完成多种参数的演示、计算和绘图功能；成本低廉，把工业用的余料或生活中的某些废旧物品经简单加工就能组装成产品；携带方便，主要部件拆卸后可以放在一只文具盒中，使用时经简单拼装即可完成。

Claims (8)

1.一种变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：该仪器包括定位支架（1）、轨道圆盘（2）、辅助支脚（3）、滑槽推杆（4）、滚轮支杆（5）、压线杆（6）、画笔（7）、连索（8）；所述定位支架（1）包括支杆（11），在支杆（11）上下端分别设有抓手盘（13）和锥形尖顶（12），在支杆（11）的中部设有活动轴套（14），在轴套（14）的上部支杆（11）上开有固定孔（15）；轨道圆盘（2）通过固定孔（15）固定在支杆（11）上，两个辅助支脚（3）分别固定在轨道圆盘（2）的外缘和中部，滑槽推杆（4）的内侧一端垂直固定在定位支架（1）的轴套（14）上，在滑槽推杆（4）上分别固定着滚轮支杆（5）、压线杆（6）和画笔（7），轨道圆盘（2）、滚轮支杆（5）、压线杆（6）、画笔（7）通过连索（8）连接。

2.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：轨道圆盘（2）由透明盘底（21）、缠线轮圈（22）、圆箍套（23）构成，透明盘底（21）是具有一定厚度和强度的透明圆环盘，圆箍套（23）固定在透明盘底（21）的内环上，在透明盘底（21）的下面圆箍套（23）的外面固定有一组半径不同的缠线轮圈（22），在每个缠线轮圈（22）的外侧开有绕线槽沟（25），在绕线槽沟（25）的底部设有线卡（26），在透明盘底（21）外缘和中部都留有支脚插孔（27），在透明盘底（21）的上面设有量角盘（28）和极轴（29），轨道圆盘（2）通过圆箍套（23）上圆孔（24）与定位支架（1）上的固定孔（15）固连在一起。

3.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：辅助支脚（3）由平板支架（31）、支脚支杆（32）、地脚（33）、带孔套管（34）、弹簧管架（37）、锁箱（38）构成，弹簧管架（37）、锁箱（38）嵌在平板支架（31）的中部，在弹簧管架（37）的上端设有螺旋弹簧（35），在螺旋弹簧（35）内有支脚支杆（32）穿过，支脚支杆（32）的上下两端分别设有按钮盘（36）和地脚（33），在支脚支杆（32）的中部套有一段带孔套管（34），在锁箱（38）内的上部设有弹簧锁舌（39），在锁箱（38）内的下部设有推压开关（310），平板支架（31）两端各开有钉孔（311）；辅助支脚（3）通过平板支架（31）的钉孔（311）固连在轨道圆盘（2）的支脚插孔（27）处。

4.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：滑槽推杆（4）由薄板杆（41）、带槽滑块（43）构成；在薄板杆（41）的中部开有滑槽（42），带槽滑块（43）嵌在滑槽（42）内，在带槽滑块（43）的中部开有画笔插孔（47），在画笔插孔（47）的两旁各开有接线孔（48），在薄板杆（41）的两端分别开有内轴孔（45）和转动支杆插孔（44），在薄板杆（41）内轴孔（45）一端的一侧开有一组线杆插孔（46）另一侧刻有刻度尺（411），在转动支杆插孔（44）的边缘上设有管套（49），管套（49）上开有销钉孔（410）；滑槽推杆（4）通过内轴孔（45）连接在定位支架（1）上的活动轴套（14）上。

5.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：滚轮支杆（5）由直杆（51）、滚轮架（52）、滚轮（53）、外插管（54）、推转手柄（55）组成，直杆（51）的下端内插于外插管（54）中，外插管（54）的下端设有滚轮架（52），在滚轮架（52）的下端设有滚轮（53），在直杆（51）的上端固定有推转手柄（55），在直杆（51）的中部设有过线滑轮（56），过线滑轮（56）上刻有线槽（58），在直杆（51）中部过线滑轮（56）下方开有安装孔（57），滚轮支杆（5）通过安装孔（57）与滑槽推杆（4）上管套（49）的销钉孔（410）固连在一起。

6.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：压线杆（6）由圆杆（61）、螺栓（62）、转轮(63)、定位线管(65)组成，圆杆（61）是一段不变形圆杆，在圆杆（61）的上端套有转轮(63)，下端接一段螺栓（62），螺栓（62）上设有螺母（64），在圆杆（61）的中部设有垂直的定位线管(65)，在圆杆（61）的上端垂直截面处设有红彩色灯(66)；压线杆（6）通过螺栓（62）螺母（64）固定在滑槽推杆（4）的线柱插孔（46）处。

7.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：画笔（7）由笔杆（71）、笔尖（72）、固定盘（74）组成，笔杆（71）是一直圆杆，其上部是一段螺栓，笔尖（72）通过调节弹簧（73）固定在笔杆（71）的下端，固定盘（74）在笔杆（71）中部，笔杆（71）的上部设有画笔螺母（75），在笔杆（71）的上端垂直截面处设有绿彩色灯(76)；画笔（7）通过固定盘（74）和画笔螺母（75）固定在滑槽推杆（4）的带槽滑块（43）上的画笔插孔（47）处。

8.根据权利要求1所述的变螺距演示及螺线绘制仪，其特征在于：连索（8）是一根柔软无弹性的细绳，连索（8）一端固定在轨道圆盘（2）上缠线轮圈（22）的线卡（26）处，另一端依次穿过压线杆（6）上的定位线管(65)、滚轮支杆（5）上过线滑轮（56）的线槽（58），固定在滑槽推杆（4）上带槽滑块（43）的线孔（48）或（49）处。