CN115148082B - 一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，主要用来在课堂教学中演示及引导学生动手操作。用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具具体包括三种不同长度的第一类杆、三种不同长度的第二类杆、层转轴连接件、转轴连接件和结点连接件，其中第一类杆和第二类杆的三种长度分别对应相等。本发明将缩放与可展机构单元化，具有便于拆卸、零件种类少、对多种缩放与可展机构有扩展性等特点。本发明可改变一套教具中的零件数量和种类，以满足不同的教学要求。

Description

一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具

技术领域：本发明涉及一种教学用具，具体来说，是一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具。

技术背景：缩放与可展机构具有自由度少、驱动简单等优点，被广泛应用于航天等工程领域，在机械原理等课程的教学中教师会介绍这种典型连杆机构的工作原理。因涉及自由度、虚约束等抽象概念，特别对空间缩放与可展机构，学生不易理解、难以想象。教师如果在讲授原理的同时辅以教具演示，可使抽象的概念具象化，使教学事半功倍；学生如果在学习理论知识的同时利用教具动手操作，也可以对理论知识有更深入的认识和理解。同时，若教具具有便捷的模块化拼装功能，学生可以创造性的设计并搭建新的缩放与可展机构，这对培养学生的创新意识及实践能力具有重要的意义。

发明内容：

(1)设计方案

本发明提供了一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，具体包括第一类杆、第二类杆、层转轴连接件、转轴连接件和结点连接件，其中第一类杆和第二类杆的三种长度分别对应相等。

可选地，根据使用人数和缩放与可展机构的复杂程度的不同，一套教具可包含不同数量的所述杆件和连接件。

优选地，根据大多数缩放与可展机构的复杂程度，所述第一类杆和第二类杆的长度类型为三种。

(2)本发明的优点

缩放与可展机构是一种被广泛应用的新型机构，和当前技术前沿联系紧密，可引导学生关注各种创新的应用，也可让学生对连杆机构有更深的认识；

杆件和连接件采用弹性接口连接，各种形式的连接件采用统一的接口，拆卸方便；

对多种缩放与可展机构有扩展性，可用一套教具组合出多种构型的缩放与可展机构。

附图说明：

图1为用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具的零件示意图

图2为第一类短杆的结构示意图

图3为第二类短杆的结构示意图

图4为层转轴连接件结构示意图

图5为转轴连接件结构示意图

图6为结点连接件结构图

图7为组合构件爆炸结构示意图

图8为90度组合构件结构示意图

图9为108度组合构件结构示意图

图10为120度组合构件结构示意图

图11为135度组合构件结构示意图

图12为144度组合构件结构示意图

图13为180度组合构件结构示意图

图14为剪叉机构爆炸结构示意图

图15为剪叉机构结构示意图

图16为平面径向缩放与可展机构结构示意图

图17为平面正交机构结构示意图

图18为球面径向缩放与可展机构结构示意图

图19为幕布式缩放与可展机构结构示意图

图中：

1-第一类杆 2-第二类杆 3-层转轴连接件

4-转轴连接件 5-结点连接件 11-第一类短杆

12-第一类中杆 13-第一类长杆 21-第二类短杆

22-第二类中杆 23-第二类长杆 111-第一类短杆外接口

112-第一类短杆杆体 113-第一类短杆内接口 1111-弹性片孔

1112-连接孔 1131-内连接弹性片轴 1132-连接孔

1133-定位孔 211-第二类短杆外接口 212-第二类短杆杆体

213-第二类短杆内接口 2111-弹性片孔 2112-连接孔

2131-定位桩 2132-内连接孔 31-层转轴连接件连接轴

32-层转轴连接件固定轴 33-层转轴连接件主体 34-层转轴连接件固定轴

35-层转轴连接件连接轴 41-转轴弹性片轴 42-转轴连接件主体

43-转轴弹性片轴 51-结点接口一 52-结点接口二

53-结点接口三 54-结点接口四 511-接口一主体

512-结点弹性片轴 521-接口二主体 522-结点弹性片轴

531-接口三主体 532-结点弹性片轴 541-接口四主体

542-结点弹性片轴

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

(一)整体结构介绍

本发明公开了一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，在结构方面，其组成模块有：第一类杆(1)、第二类杆(2)、层转轴连接件(3)、转轴连接件(4)、结点连接件(5)。其中，第一类杆(1)中的第一类短杆(11)、第一类中杆(12)、第一类长杆(13)分别和第二类杆(2)中的第二类短杆(21)、第二类中杆(22)、第二类长杆(23)长度相等。第一类杆(1)和第二类杆(2)可仅通过模块自身接口相互固连，组装成一个完整的组合构件，其中两杆之间的角度可从预设的角度中选择。所述组合构件之间可通过模块自身接口与层转轴连接件(3)(或转轴连接件(4)，或结点连接件(5))相互连接形成转动副，组成各种构型的缩放与可展机构。

(1)第一类杆

所述第一类杆(1)包括第一类短杆(11)、第一类中杆(12)和第一类长杆(13)。其中第一类中杆(12)和第一类长杆(13)除杆体长度与第一类短杆(11)不同外，其余部分结构相同，因此只介绍第一类短杆(11)。

所述第一类短杆(11)由第一类短杆外接口(111)、第一类短杆杆体(112)、第一类短杆内接口(113)组成。其中，第一类短杆外接口(111)和第一类短杆内接口(113)分布在第一类短杆杆体(112)的两端，通过改变第一类短杆杆体(112)的长度，可得到第一类中杆(12)和第一类长杆(13)。所述第一类短杆外接口(111)由弹性片孔(1111)、连接孔(1112)组成；第一类短杆内接口(113)由内连接弹性片轴(1131)、连接孔(1132)、定位孔(1133)组成。所述弹性片孔(1111)由均匀分布在圆周上的弧形弹性片组成，弹性片端部布置有径向凸起；连接孔(1112)为圆形通孔，连接孔(1112)和弹性片孔(1111)同心分布。所述内连接弹性片轴(1131)由均匀分布在圆周上的弹性片组成，弹性片端部设置有径向凸起；连接孔(1132)和连接孔(1112)的结构和尺寸相同，连接孔(1132)和内连接弹性片轴(1131)同心分布；定位孔(1133)为分布在和连接孔(1132)同心的圆周上的多个尺寸相同的孔。

(2)第二类杆

所述第二类杆(2)包括第二类短杆(21)、第二类中杆(22)和第二类长杆(23)，其中第二类中杆(22)和第二类长杆(23)除杆体长度与第二类短杆(21)不同外，其余部分结构相同，因此只介绍第二类短杆(21)。

所述第二类短杆(21)由第二类短杆外接口(211)、第二类短杆杆体(212)、第二类短杆内接口(213)组成。其中，第二类短杆外接口(211)和第二类短杆内接口(213)分布在第二类短杆杆体(212)的两端，通过改变第二类短杆杆体(212)的长度，可得到第二类中杆(22)和第二类长杆(23)。其中，第二类短杆外接口(211)与第一类短杆外接口(111)结构和尺寸完全相同；第二类短杆内接口(213)由定位桩(2131)、内连接孔(2132)组成。所述内连接孔(2132)的内径和内连接弹性片轴(1131)的外径相等；定位桩(2131)为圆柱形结构，其与定位孔(1133)相配合。

(3)层转轴连接件

所述层转轴连接件(3)包括层转轴连接件连接轴(31)、层转轴连接件固定轴(32)、层转轴连接件主体(33)、层转轴连接件固定轴(34)、层转轴连接件连接轴(35)。所述层转轴连接件连接轴(31)与层转轴连接件固定轴(32)分别和层转轴连接件连接轴(35)与层转轴连接件固定轴(34)结构相同且对称分布，通过层转轴连接件主体(33)连接。所述层转轴连接件(3)的五个组成部分均为圆筒状结构，且同心分布，内径相等，层转轴连接件主体(33)外径最大，层转轴连接件固定轴(32)和层转轴连接件固定轴(34)外径最小。其中层转轴连接件连接轴(31)及层转轴连接件连接轴(35)的外径和弹性片孔的内径相等。

(4)转轴连接件

所述转轴连接件(4)包括转轴弹性片轴(41)、转轴连接件主体(42)、转轴弹性片轴(43)。所述转轴弹性片轴(41)与转轴弹性片轴(43)结构和尺寸相同且对称分布，通过转轴连接件主体(42)连接。其中，转轴弹性片轴(41)和转轴弹性片轴(43)均由均匀分布在圆周上的弧形弹性片组成，转轴弹性片轴(41)和转轴弹性片轴(43)的外径和连接孔的内径相等。

(5)结点连接件

所述结点连接件(5)包括结点接口一(51)、结点接口二(52)、结点接口三(53)、结点接口四(54)。结点接口一(51)、结点接口二(52)、结点接口三(53)、结点接口四(54)结构和尺寸相同且均匀旋转对称分布，中间相互连接。结点接口一(51)包括接口一主体(511)、结点弹性片轴(512)；结点接口二(52)包括接口二主体52(521)、结点弹性片轴(522)；结点接口三(53)包括接口三主体(531)、结点弹性片轴(532)；结点接口四(54)包括接口四主体(541)、结点弹性片轴(542)。其中结点弹性片轴(512)与转轴弹性片轴上(41)完全相同。定义接口一主体(511)与结点弹性片轴(512)的连接面为连接面1，其余依次为连接面2、连接面3、连接面4。连接面1和连接面2相互垂直，连接面1与连接面3平行，连接面2与连接面4平行，连接面1与连接面3之间的距离和连接面2与连接面4之间的距离相等。

(二)用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具的连接介绍

(1)第一类杆和第二类杆的连接

如图7-13所示，第一类短杆(11)和第二类短杆(21)可通过自身接口相互固连，组成组合构件。其中，内连接弹性片轴(1131)的外径和内连接孔(2132)相配合，起到轴向连接的作用；定位孔(1133)和定位桩(2131)相配合，起到限制转动的作用。连接时，由于内连接弹性片轴(1131)的弹性变形，便于第一类短杆内接口(113)和第二类短杆内接口(213)的组装；装配完成后，内连接弹性片轴(1131)的径向凸起起轴向限位的作用。

第一类短杆(11)和第二类短杆(21)固连角度可通过改变定位桩(2131)在定位孔(1133)的位置改变。通过分析缩放与可展机构的构件角度，可得到如下规律：

其中，α——相互固连的第一类短杆(11)和第二类短杆(21)之间所夹得角度。

根据常见缩放与可展机构的角度，布置定位孔(1133)的角度位置为90°、108°、120°、135°、144°和180°。其中，起始位置(0°)为第一类杆(1)和第二类杆(2)通过内接口连接，并且杆体重合时定位桩所在的位置，即确定了定位桩的位置后，定位孔的位置也随之确定。

第一类中杆(12)和第二类中杆(22)的连接、第一类长杆(13)和第二类长杆(23)的连接与上述过程相同。

(2)层转轴连接件的连接

层转轴连接件(3)和弹性片孔连接，以此来连接两个杆件，这里的弹性片孔包括弹性片孔(1111)、弹性片孔(2111)(以及第一类中杆(12)、第一类长杆(13)、第二类中杆(22)和第二类长杆(23)上的弹性片孔)。连接时，由于弹性片孔的弹性变形，便于层转轴连接件(3)和弹性片孔的组装；装配完成后，弹性片孔的径向凸起起轴向限位的作用。

一个层转轴连接件可与两个弹性片孔连接，连接后两个弹性片孔的轴线重合。

(3)转轴连接件、结点连接件的连接

转轴连接件(4)的转轴弹性片轴(41)(或转轴弹性片轴(43))和结点连接件(5)的结点弹性片轴(512)(或结点弹性片轴(522)、或结点弹性片轴(532)、或结点弹性片轴(542))的结构和尺寸相同，连接方式也相同，以下统称为连接件弹性片轴。转轴连接件(4)和结点连接件(5)的不同是一个有两个同轴的连接件弹性片轴，一个有四个空间布置的连接件弹性片轴。

连接件弹性片轴和连接孔连接，以此来连接两个或四个杆件，这里的连接孔包括连接孔(1112)、连接孔(1132)、连接孔(2112)(以及第一类中杆(12)、第一类长杆(13)、第二类中杆(22)和第二类长杆(23)上的连接孔)。连接时，由于弹性片轴的弹性变形，便于弹性片轴和连接孔的组装；装配完成后，弹性片轴的径向凸起起轴向限位的作用。

(二)用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具使用介绍

本教具得使用思路为，首先通过第一类杆(1)与第二类杆(2)固连得到组合构件，之后通过转轴连接件连接两个组合构件，得到剪叉机构，最后通过数个剪叉机构相互连接得到缩放与可展机构。接下来作更详细的说明。

(1)剪叉机构

以短杆组成剪叉机构为例，中杆及长杆的使用过程相同。如图7-13所示，第一类短杆(11)与第二类短杆(21)通过内接口相互固连，由定位桩和定位孔的配合确定杆件之间的角度，得到一个组合构件。通过尺寸设计，组合构件的两个外接口位于同一平面。如图14及图15所示，两个背对背的组合构件通过内接口和转轴连接件(4)连接，得到一个剪叉机构。一个剪叉机构由两个构件组成，两构件之间通过转动副连接，同时剪叉机构拥有四个接口，每个接口都有一个弹性片孔和一个连接孔，这提供了充足的扩展性。利用剪叉机构的特性，可组装出多种缩放与可展机构。

(2)缩放与可展机构实施例

如图16所示，平面径向缩放与可展机构由多个剪叉机构首尾相连而成。剪叉机构的接口正反间隔分布，通过双层双接口连接件(4)连接两个剪叉机构之后，整体机构还在同一平面上。由于每个剪叉机构之间实质上形成了虚约束，缩放与可展机构依旧是单自由度机构。通过施加外力，平面径向缩放与可展机构可沿径向放缩。

如图17所示，平面正交机构由多个剪叉机构串并联而成，此时组成剪叉机构的组合构件需为180度组合构件。串联过程和平面径向缩放与可展机构的组装过程相同，为多个剪叉机构的首尾相连，由于此时机构的角度为180°，串联整体机构仍为直线。并联过程为多个串联整体机构在平面内与串联方向垂直的方向上组装，由于串联过程已经占用了剪叉机构的连接孔，并联过程通过弹性片孔和双层行连接件(3)连接。通过施加外力，平面正交机构可在一个方向上伸长，一个方向上缩短。

如图18所示，球面径向缩放与可展机构为空间机构，由剪叉机构和空间四接口连接件(5)组成。球面径向缩放与可展机构利用的是用剪叉机构来表示圆弧的原理，将剪叉机构放到要表示的圆弧的位置，并用空间四接口连接件(5)将表示不同圆弧的剪叉机构连接，即形成一个球面径向缩放与可展机构。通过施加外力，整体机构会作对圆心的径向放缩运动。

如图19所示，幕布式缩放与可展机构由多种尺寸的剪叉机构组成。通过相同尺寸的剪叉机构串联形成一段弧，不同尺寸的串联剪叉机构并联，小尺寸剪叉机构在靠近圆心位置，大尺寸剪叉机构在远离圆心位置，即形成幕布式缩放与可展机构。通过施加外力，可在边缘几乎保持不动的情况下控制中心较大的运动。

Claims (9)

1.一种用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在包括：

在结构方面，其组成模块包括第一类杆(1)、第二类杆(2)、层转轴连接件(3)、转轴连接件(4)、结点连接件(5)；

其中，第一类杆(1)包括第一类短杆(11)、第一类中杆(12)和第一类长杆(13)；所述第一类短杆(11)由第一类短杆外接口(111)、第一类短杆杆体(112)、第一类短杆内接口(113)组成，其中第一类短杆外接口(111)和第一类短杆内接口(113)分布在第一类短杆杆体(112)的两端，通过改变第一类短杆杆体(112)的长度，可得到第一类中杆(12)和第一类长杆(13)；第一类短杆外接口(111)由弹性片孔(1111)、连接孔(1112)组成；第一类短杆内接口(113)由内连接弹性片轴(1131)、连接孔(1132)、定位孔(1133)组成；所述弹性片孔(1111)由均匀分布在圆周上的弧形弹性片组成，弹性片端部布置有径向凸起；连接孔(1112)为圆形通孔，连接孔(1112)和弹性片孔(1111)同心分布；所述内连接弹性片轴(1131)由均匀分布在圆周上的弹性片组成，弹性片端部设置有径向凸起；连接孔(1132)和连接孔(1112)的结构和尺寸相同，连接孔(1132)和内连接弹性片轴(1131)同心分布；定位孔(1133)为分布在和连接孔(1132)同心的圆周上的多个大小相同的孔；

其中，第二类杆(2)包括第二类短杆(21)、第二类中杆(22)和第二类长杆(23)；所述第二类短杆(21)由第二类短杆外接口(211)、第二类短杆杆体(212)、第二类短杆内接口(213)组成，其中第二类短杆外接口(211)和第二类短杆内接口(213)分布在第二类短杆杆体(212)的两端，通过改变第二类短杆杆体(212)的长度，可得到第二类中杆(22)和第二类长杆(23)；第二类短杆外接口(211)与第一类短杆外接口(111)完全相同；第二类短杆内接口(213)由定位桩(2131)、内连接孔(2132)组成；所述内连接孔(2132)的内径和内连接弹性片轴(1131)的外径相等；定位桩(2131)和定位孔(1133)相配合；

其中，层转轴连接件(3)包括层转轴连接件连接轴(31)、层转轴连接件固定轴(32)、层转轴连接件主体(33)、层转轴连接件固定轴(34)、层转轴连接件连接轴(35)；所述层转轴连接件连接轴(31)与层转轴连接件固定轴(32)分别和层转轴连接件连接轴(35)与层转轴连接件固定轴(34)结构相同且对称分布，通过层转轴连接件主体(33)连接；所述层转轴连接件(3)的五个组成部分均为圆筒状结构，且同心分布；层转轴连接件连接轴(31)及层转轴连接件连接轴(35)的外径和弹性片孔的内径相等；

其中，转轴连接件(4)包括转轴弹性片轴(41)、转轴连接件主体(42)、转轴弹性片轴(43)；所述转轴弹性片轴(41)与转轴弹性片轴(43)结构和尺寸相同且对称分布，通过转轴连接件主体(42)连接；转轴弹性片轴(41)和转轴弹性片轴(43)均由均匀分布在圆周上的弧形弹性片组成，转轴弹性片轴(41)和转轴弹性片轴(43)的外径和连接孔的内径相等；

其中，结点连接件(5)包括结点接口一(51)、结点接口二(52)、结点接口三(53)、结点接口四(54)；结点连接件(5)是一个旋转对称的零件，在一个圆周上均匀地分布着四个弹性片轴，可与连接孔形成同心配合，并形成轴向约束，用于剪叉机构之间的连接。

2.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，所述的第一类杆(1)中的第一类短杆(11)、第一类中杆(12)、第一类长杆(13)分别和第二类杆(2)中的第二类短杆(21)、第二类中杆(22)、第二类长杆(23)长度相等。

3.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，所述的第一类杆(1)和第二类杆(2)，其包括的杆的长度类型并不唯一，除本发明中选用的三种长度类型外，还可以采用其它种长度类型。

4.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，所述的第一类杆(1)上的定位孔，分布在和连接孔同心的圆弧上，数量并不唯一，并且其角度位置α符合以下规律：

其中，起始位置(0°)为第一类杆(1)和第二类杆(2)通过内接口连接，并且杆体重合时定位桩所在的位置；考虑直线的情况，α的取值可为180°。

5.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，第一类杆(1)和第二类杆(2)通过自身内接口形成固连，构成组合构件。

6.根据权利要求5所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，所述组合构件通过转轴连接件(4)连接，构成拥有一个转动副的剪叉机构。

7.根据权利要求6所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，多个剪叉机构通过转轴连接件(4)首尾相连，形成可沿径向放缩的平面径向缩放与可展机构；

多个蝶形机构通过层转轴连接件(3)和转轴连接件(4)串并联，形成可沿一个方向上伸长同时另一个方向上缩短的平面正交机构；

多个蝶形机构通过结点连接件(5)相互连接，形成可对圆心作径向放缩的球面径向缩放与可展机构；

多种不同尺寸的蝶形机构通过层转轴连接件(3)和转轴连接件(4)串并联，形成可用边缘较小运动控制中心较大运动的幕布式缩放与可展机构。

8.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，所述各模块之间的连接采用统一的弹性片轴式和弹性片孔式，拆卸方便。

9.根据权利要求1所述的用于演示缩放与可展机构运动原理的模块化教具，其特征在于，根据使用要求，可灵活选用一套教具中模块的数量和类型。

Images