反正弦余弦函数演示及图像绘制仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，根据反三角函数的直角坐标定义，结合推转原理和滑块连杆特点制成。主要由支架、画板、转盘组、推杆、拉杆、滑块连杆机构、滑轮、画笔、软绳、吸盘组成。演示装置安装在支架的左立杆和下滑道、上滑道上；绘图机构与支架的右立杆、下滑道、上滑道、导杆相连；演示装置通过连索和拉杆与绘图机构相连。本发明采用不同的装配方式将上述构件组合，只要推动推杆上的手柄，就可以直观演示反正弦余弦函数关系，并能在画板、纸张或任意固定平面上绘制出连续准确的函数图像，通过简单的结构调整或连接方式改变，还能演示反正弦余弦函数的类形式并绘制出相应图像。
【专利说明】反正弦余弦函数演示及图像绘制仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种教学仪器，是把平移推转运动转化为正交合成运动的装置，具体地说是一种能演示反正弦余弦函数关系并绘制出相应图像的反正弦余弦函数演示及图像绘制仪。
【背景技术】
[0002]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绘图仪器。反正弦余弦函数在中等数学和高等数学中占有相当的比重。通过直观演示函数关系并描绘出相应的图像，既能减轻教师的教学压力也能帮助学生理解和领会，是提高反三角函数教学质量的重要手段。工程技术人员在进行产品设计、图纸绘制，施工人员在板材或面料画线裁剪或在固定平面上绘制图案时，经常用到有关反三角函数曲线，他们急需一种操作简单使用方便的演示和绘图仪器，有利于教师的课程教学、学生的业余学习及工程人员提高工作效率。目前主要采用手工列表描点、计算机软件赋值打印等方法画图，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。
[0003]为了解决上述问题，近阶段也出现了一些绘图装置，如，专利申请号为2014100997388的文献中给出了 “正弦曲线绘图仪”，采用连接杆连为一体的调速机构和正弦机构，只能绘制正弦曲线；专利号为201320208106的文献中给出了“三角函数曲线绘图仪”实现方式是:采用齿轮圆盘和齿条，通过三层板中的相对运动绘制正弦、余弦曲线；专利申请号为2014201226960的文献中给出了“一种正切余切函数曲线辅助作图仪”，把动滑轮和单位圆结合起来，通过驱动线和滑轮来完成正切余切函数曲线的绘制。
[0004]综上所述文献存在如下不足:不能通过自变量的平移运动演示反三角函数的直角映射关系，绘制的图像只是三角函数曲线，不能绘制出反正弦余弦函数图像，更不能绘制类形式的函数图像，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】
[0005]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反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，该绘制仪能在教室、绘图室、施工现场、学生自习场所使用，且绘图效率高、图像清晰准确、操作简单、携带方便、功能齐全。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:该绘制仪包括支架、演示装置、绘图机构、连索和画板，所述支架由地脚、左立杆、右立杆、下横杆、上横杆、下滑道、上滑道和导杆组成,左立杆和右立杆分别垂直固定在地脚上，下横杆和上横杆分上下与左立杆和右立杆垂直固连；与下横杆和上横杆平行的下滑道和上滑道通过四根撑杆分上下垂直固连在左立杆和右立杆上；含有内槽的导杆垂直固连在下横杆和上横杆之间，在左立杆上设有沟槽，右立杆上有内滑槽，内滑槽内装有纵向滑块；下滑道和上滑道上设有横向滑块；导杆上有滑槽，滑槽内装有纵向滑块；与下横杆和上横杆垂直固连的四根支杆后端设有用来安装画板的吸盘；演示装置安装在左立杆和下滑道、上滑道上；绘图机构与右立杆、下滑道、上滑道、导杆相连；演示装置通过连索和拉杆与绘图机构相连。
[0007]实际操作时，可以调换演示装置中不同半径的转盘和绕线圆盘，可以完成反正弦余弦函数的演示和图像绘制。滑道、撑杆和导杆为刚性不变性材料，滑块的滑动自由顺畅。需要时可以把吸盘作支撑点使用。
[0008]本发明中，演示装置是由绕线圆盘、转盘、转轴、推杆等构成，绕线圆盘与转盘的盘面叠在一起并固定在转轴上，转轴用轴套固定在支架的左立杆上并与支架上的横杆垂直；绕线圆盘的圆柱面处有线槽和接线孔，盘面外边缘处装有显示灯；转盘的盘面外边缘处有一根垂直的曲柄，曲柄穿过推杆上的沟槽并能自由滑动；推杆的两端分别与支架滑道上的上下二个滑块相连，推杆与圆盘转轴平行的位置记为零点，在零点处装有手柄和指示灯，在手柄的上部安装夹具，推杆的两端分别与滑道上的二个滑块相连。
[0009]绘图机构是由横向导杆、纵向导杆、销钉、画笔等构成，横向导杆与纵向导杆的内槽中各有一个滑块，销钉从前往后把纵横向导杆上的滑块形成连杆机构；横向导杆的两端分别与右立杆上的滑块和导杆上的滑块相连；纵向导杆的两端分别与支架滑道上的二个滑块相连，在纵向导杆的中部装有夹具；画笔安装在销钉的后端，其笔架上有调节弹簧。横向导杆是一根无弹性不弯曲的刚性直杆，它的两端分别固定在推杆的夹具和纵向导杆的夹具上，杆的总长度要余横杆相当，运动时要保持与水平。
[0010]连索由二根长短不等的软绳、四个定滑轮及一个定滑轮组构成，四个定滑轮分别固定在支架上四根支杆的前端；滑轮组由二个上下并排在一起的定滑轮固定在轮架上，轮架固定在支架的左立杆上，二个滑轮的外边缘与圆盘的外边缘相外切，线槽与轮外缘相接；二根软绳的一端固定在圆盘上的接线孔中，它们的另一端顺线槽经过定滑轮组后，按圆盘的旋转方向不同有二种接法，当圆盘逆时针旋转，软绳穿过上部横杆上左边的定滑轮，较短的软绳固定在横向导杆的左端，较长的软绳穿过右边的定滑轮固定在横向导杆的右端；当圆盘顺时针旋转，软绳穿过下部横杆上左边的定滑轮，较短的软绳固定在横向导杆的左端，较长的软绳穿过右边的定滑轮固定在横向导杆的右端；二根软绳皆无弹性。
[0011]画板是一面光滑的平面薄板，可以固定在支架后端的吸盘上，其上装有备用的四个卡纸器。画板也可以适当扩大使其成为后保护板或充作仪器箱的底板。
[0012]工作过程是:第一，把画有直角坐标系的画板固定在四个后端吸盘上，使横轴和纵轴分别与横向导杆和纵向导杆平行，调节笔杆上的弹簧使画笔能接触到画板；第二，移动画笔对准坐标系原点，松开推杆和拉杆上的二个夹具调整拉杆长度，使推杆和纵向导杆的纵向中心线间的距离，等于圆盘转轴到坐标系纵轴的距离，关紧二个夹具；第三，以支架左立杆为中心线定好推杆的初始位置Xtl，调整圆盘的初始角为Cptl并用指示灯标记，移动画笔处于坐标系中对应的点；第四，连接好软绳并处于紧张状态，打开推杆零点和圆盘上的显示灯；第五，推动推杆上的手柄，就能直观演示函数yzAarcsinU+Xd)和y= Aarccos (x+x0)的变化关系，并能绘制出相应的图像或曲线。若要在活页纸上画图像，只要在活页纸上画好坐标系，把活页纸用卡纸器固定在画板上，再按第一到第六步骤完成操作即可在得到所需要的图像；若要在固定平面上画图像，只要在固定平面上先画好坐标系，再把绘图仪上的吸盘吸附在固定平面上，再按第一到第六步骤完成操作即可即可在固定平面上画出图像。
[0013]本发明的工作原理是推转运动和滑块的相对独立运动，推转运动，用与转轴不平行或不过转轴的力，推动转动圆盘外缘上一点，圆盘受到力矩的作用而转动；滑块的相对独立运动，是让滑块既与所在的导杆一起运动，也与所在的销钉一起运动，销钉是所含滑块的合运动。本发明中，推杆与受力点的滑动连接使圆盘能自由转动，与拉杆的固定连接可以使纵向导杆保持同步水平运动，就把受力点的水平移动通过推杆和拉杆转化为纵向导杆的同步水平运动，也使画笔做同步水平运动。受力点在圆周运动中角的变化，通过软绳使弧长变化转化为横向导杆的竖直运动，使画笔做同步竖直运动。因此，推转运动就转化为相互垂直的正交合成运动。
[0014]本发明具有如下优点:操作简单，只要推动拉杆上的手柄就能完成函数演示和图像绘制；应用广泛，可以独立演示函数关系或在画板、纸张和任意固定平面上绘制曲线；适用性强:伸缩支架的长宽可以完成不同比例和规格的图像；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，把主要零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。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中支架系统的结构示意图；
图3是本发明中演示装置的结构示意图；
图4是本发明中绘图机构的结构示意图；
图5是本发明中连接系统的结构示意图；
图中:1-支架、11-地脚、12-左立杆、13-右立杆、14-下横杆、15-上横杆、16-下滑道、17-上滑道、18-导杆、19-支杆、110-撑杆、111-吸盘；2_演示装置、21-绕线圆盘、22-转盘、23-转轴、24-曲柄、25-推杆、26-沟槽、27-显示灯、28-横向滑块、210-手柄、211-夹具、212-线孔、213-显示灯；3-绘图机构、31-横向导杆、32-纵向导杆、35-销钉、39-纵向滑块、310-画笔、311-弹簧、312-夹具；4_连索、41-软绳、43-定滑轮组、44-定滑轮、5-拉杆；6_画板、61卡纸器。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步的详细描述:
如图1所示，反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，包括支架1、演示装置2、绘图机构
3、画板6、拉杆5、连索4，演示装置2安装在支架I的左立杆12和上下滑道上；绘图机构3通过二根导杆分别与支架I上的右立杆13、上下滑道和导杆18相连；演示装置2通过连索
4、拉杆5与绘图机构3相连；活动画板6固定在支架I后端的吸盘111上，其上装有卡纸器61。
[0017]如图2所示，支架I由地脚11、左立杆12、右立杆13、下横杆14、上横杆15、下滑道16、上滑道17、导杆18组成，左右立杆分别垂直固定在二个地脚上，上下横杆分上下与左右立杆垂直固连，上下滑道通过撑杆110分上下垂直固连在左右立杆上，并与上下横杆平行，在上下横杆之间连接有垂直的含有内槽的导杆18。其中，左立杆有沟槽，右立杆上有内滑槽，内滑槽内装有纵向滑块39 ;上下滑道上装有横向滑块28 ;导杆18上有内滑槽，槽内装有纵向滑块；四个吸盘111通过四根支杆19与上下横杆垂直固连。
[0018]如图3所示，演示装置2由绕线圆盘21、转盘22、转轴23、推杆25构成，转轴通过轴套固定在左立杆上并与下横杆垂直，绕线圆盘与转盘的盘面叠在一起，共同固定在转轴的前端；绕线圆盘的圆柱面处有线槽和接线孔，盘面外边缘处装有显示灯27 ;转盘的盘面外边缘处有垂直的细圆柱形曲柄24，曲柄24穿过推杆25上的沟槽沟26并能自由滑动；在推杆25与圆盘转轴平行的位置处安装手柄210，此处有显示灯213并记为零点，在手柄210的下部安装夹具211，推杆25的两端分别与上下滑道上的横向滑块相连。特别地，沟槽26的左右宽度等于曲柄24的直径。
[0019]如图4所示，绘图机构3由横向导杆31、纵向导杆32、销钉35、画笔310构成，横向导杆、纵向导杆的内槽中分别有横向滑块和纵向滑块，销钉35把横向滑块和纵向滑块从前往后形成连杆机构；横向导杆的两端分别与右立杆上的纵向滑块、导杆18上的纵向滑块相连；纵向导杆的两端分别与上下滑道上的横向滑块相连，纵向导杆的中部有夹具312 ;在销钉35的后端安装画笔310，调节弹簧311装在画笔310的支架上，用于调节画笔310与画板6之间的距离。
[0020]如图5所示，连索4由软绳41、定滑轮组43、定滑轮44及拉杆5构成，4只定滑轮分别固定在支架I上四根支杆19的前端，定滑轮组43固定在支架I的支杆上，定滑轮组中2只滑轮的外边缘与圆盘21的外边缘相切，线槽相接；软绳的一端固定在圆盘21上的接线孔213中，另一端顺线槽经过定滑轮后，按圆盘21的旋转方向不同有二种接法，当圆盘21逆时针旋转，软绳经过定滑轮，一侧软绳固定在横向导杆61的左端，另一侧软绳42继续经过定滑轮固定在横向导杆61的右端；当圆盘21顺时针旋转，软绳经过定滑轮，一侧软绳固定在横向导杆61的左端,另一侧软绳继续经过定滑轮固定在横向导杆61的右端。拉杆5是不可伸缩与弯曲的刚性直杆，它的两端分别固定在推杆25的夹具211和纵向导杆62的夹具312上。
[0021]使用时,把画有直角坐标系的画板6固定在四个后端吸盘上,使横轴和纵轴分别与横向导杆和纵向导杆平行，调节弹簧311使画笔310接触画板，移动画笔310对准坐标系原点，调整夹具211、夹具312使推杆和纵向导杆间的距离，等于转轴23到坐标系纵轴的距离，以左立杆12为中心线定好推杆25的初始位置Xtl，调整圆盘的初始角为Cptl，移动画笔处于坐标系中对应的点，拴好软绳并拉紧，推动推杆25上的手柄210，就能直观演示函数y=Aarcsin (x+x0)或y= Aarccos (x+x0)的变化关系，并能绘制出相应的图像或曲线。
【权利要求】
1.一种反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:该绘制仪包括支架(I)、演示装置(2)、绘图机构(3)、连索(4)和画板(6)，所述支架(I)由地脚(11)、左立杆(12)、右立杆(13)、下横杆(14)、上横杆(15)、下滑道(16)、上滑道(17)和导杆(18)组成，左立杆(12)和右立杆(13)分别垂直固定在地脚(11)上，下横杆(14)和上横杆(15)分上下与左立杆(12)和右立杆(13)垂直固连；与下横杆(14)和上横杆(15)平行的下滑道(16)和上滑道(17)通过四根撑杆(110)分上下垂直固连在左立杆(12)和右立杆(13)上；含有内槽的导杆(18)垂直固连在下横杆(14)和上横杆(15)之间,在左立杆(12)上设有沟槽,右立杆(13)上有内滑槽，内滑槽内装有纵向滑块(39);下滑道(16)和上滑道(17)上设有横向滑块(28);导杆(18)上有滑槽，滑槽内装有纵向滑块(39);与下横杆(14)和上横杆(15)垂直固连的四根支杆(19)后端设有用来安装画板(6)的吸盘(111);演示装置(2)安装在左立杆(12)和下滑道(16)、上滑道(17)上；绘图机构(3)与右立杆(13)、下滑道(16)、上滑道(17)、导杆(18)相连；演示装置(2)通过连索(4)和拉杆(5)与绘图机构(3)相连。
2.根据权利要求1所述的反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:演示装置(2)由绕线圆盘(21)、转盘(22)、转轴(23)、推杆(25)构成，绕线圆盘(21)与转盘(22)的盘面叠在一起固定在转轴(23)上，转轴(23)通过轴套固定在左立杆(12)上并与下横杆(14)垂直，绕线圆盘(21)的圆柱面处有线槽和接线孔(212)，盘面外边缘处装有显示灯(27)，转盘(22)的盘面外边缘处有垂直的曲柄(24)，曲柄(24)穿过推杆(25)上的沟槽(26)并能自由滑动，推杆(25)的两端分别与下滑道(16)、上滑道(17)上的横向滑块(28)相连，在推杆(25)与圆盘(21)、转轴(23)平行的位置记为零点，在零点处安装有标志灯(216)和手柄(210)，在零点上部安装夹具(211)。
3.根据权利要求1所述的反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:绘图机构(3)由横向导杆(31)、纵向导杆(32)、销钉(35)、画笔(310)构成，横向导杆(31)、纵向导杆(32 )的内槽中分别有横向滑块(28 )和纵向滑块(39 )，销钉(35 )将横向滑块(28 )和纵向滑块(39)从前往后形成连杆机构；横向导杆(31)的两端分别与右立杆(13)和导杆(18)上的纵向滑块(39)相连；纵向导杆(32)的两端分别与下滑道(16)、上滑道(17)上的横向滑块(28)相连，纵向导杆(32)的中部有夹具(312);在销钉(35)的后端安装画笔(310)，画笔(310)的支架上有调节弹簧(311)。
4.根据权利要求1所述的反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:拉杆(5)的两端分别固定在推杆(25 )的夹具(211)和纵向导杆(62 )的夹具(312 )上。
5.根据权利要求1所述的反正弦余弦函数演示及图像绘制仪，其特征在于:画板(6)固定在支架(I)后端的吸盘(111)上，在画板(6)上装有卡纸器(61)。
【文档编号】G09B23/04GK104318823SQ201410684343
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】王书营 申请人:南京工业职业技术学院