双向凸轮演示装置制造方法
【专利摘要】本实用新型的双向凸轮演示装置包括支架/用于转动装置的手轮、与手轮连接的转轴、转轴上前后分布的两组锥齿轮、滑块、滑块轨道、轨迹板固定组件和凸轮固定轴。有益效果在于可实际演示尖顶推杆、平底推杆、摆杆作用于凸轮上生成行程曲线的过程，其中尖顶推杆、平底推杆和摆杆在使用中固定于笔头固定夹上。通过手动方式可随时中止绘制行程曲线并进行曲线分析。可改变偏心距对比多条曲线的差异及产生原因，操作自由、灵活。解决了凸轮教学领域中教具的不完善，仅仅在视觉上给予学生并不充足的感受以至于理解不完全或理解偏差的问题。不仅能提高学生动手操作能力，还能随时分析凸轮和行程曲线的对应关系，提高学生学习兴趣。
【专利说明】双向凸轮演示装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于实验教学教具设计【技术领域】，涉及用于凸轮教学的演示装置，特别涉及一种可实现凸轮与曲线双向变换的演示装置。
【背景技术】
[0002]传统的凸轮教学中要求学生学习的内容为:了解各种凸轮机构的应用及分类；掌握简单的推杆运动规律及了解推杆运动规律的选择原则；了解凸轮机构的基本尺寸确定时应考虑的主要因素(包括设计空间、结构条件、压力角、效率与自锁、“运动失真”等)；掌握凸轮轮廓的设计方法。在机械原理现有的教学方式下，教师一般通过制作动画来模拟凸轮的运动方式，模拟软件灵活性差，不能实时进行分析计算。凸轮的传动与行程曲线的生成产生脱节，学生并不能直观认识凸轮的传动过程及行程曲线的生成原理。而且，学生在通过动画学习凸轮过程中处于被动地位，不能有效地激发学生的学习兴趣。机械是一门非常注重动手操作的专业，课堂的理论教学并不能培养机械类学生的动手操作能力。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是为了解决现有的凸轮教学或使用动画模拟直观性和灵活性不够，或理论教学枯燥无味等不足，提出了一种双向凸轮演示装置。
[0004]本实用新型的技术方案为:双向凸轮演示装置，包括支架，其特征在于，还包括用于转动装置的手轮、与手轮连接的转轴、转轴上前后分布的两组锥齿轮、滑块、滑块轨道、轨迹板固定组件和凸轮固定轴；
[0005]为方便描述，定义三维直角坐标系:定义XY平面与装置底座所在平面平行、X轴与连接手轮的转轴平行；
[0006]则，第一组锥齿轮包括用于固定凸轮或凸轮板的凸轮固定轴，凸轮固定轴与Y轴平行；
[0007]第二组锥齿轮通过滑块轴连接滑块驱动组件，滑块驱动组件包括与滑块连接的链条，与链条齿合并与滑块轴连接的直齿轮，滑块轴与Z轴平行并自锥齿轮向上设置；
[0008]滑块与滑块导轨活动连接，可在滑块导轨上滑动，滑块导轨与X轴平行，并与支架固定连接；
[0009]轨迹板固定组件与支架固定连接，用于固定显示或提供凸轮轨迹的轨迹板；
[0010]滑块上连接有轨迹读写组件，轨迹读写组件包括具有竖直自由度的滑块轴，滑块轴的两端对称连接机械臂和笔头固定夹。
[0011]所述笔头固定夹用于固定记号笔或者硬质轨迹读取杆。
[0012]进一步的，上述机械臂采用多自由度调整的可锁紧结构，以用于不同的教学案例。
[0013]本实用新型的有益效果:本实用新型的双向凸轮演示装置可实际演示尖顶推杆、平底推杆、摆杆作用于凸轮上生成行程曲线的过程，其中尖顶推杆、平底推杆和摆杆在使用中固定于笔头固定夹上。通过手动方式可随时中止绘制行程曲线并进行曲线分析。可改变偏心距对比多条曲线的差异及产生原因，操作自由、灵活。本作品还能通过行程曲线绘制凸轮，了解凸轮的生成过程，使学生能更直观理解反转法设计凸轮的原理。解决了凸轮教学领域中教具的不完善，仅仅在视觉上给予学生并不充足的感受以至于理解不完全或理解偏差的问题。装置结构简易，且在体感、视觉以及给学生改变创新的机会等多个角度帮助学生更好的体会知识，统一理论与实际。既能作为课堂教学演示又能作为学生实验设备。不仅能提高学生动手操作能力，还能随时分析凸轮和行程曲线的对应关系，提高学生学习兴趣。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的双向凸轮演示装置的传动系统结构示意图；
[0015]图2为本实用新型的演示装置的尖底推杆与凸轮接触的图示；
[0016]图3为本实用新型的演示装置的平底推杆与凸轮接触的图示；
[0017]图4为本实用新型的演示装置的摆杆接触凸轮的图示。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的阐述。
[0019]如图1所示，本实施例的双向凸轮演示装置，包括支架，用于转动装置的手轮、与手轮连接的转轴、转轴上前后分布的两组锥齿轮、滑块、滑块轨道、轨迹板固定组件和凸轮固定轴。为方便描述，定义三维直角坐标系:定义XY平面与装置底座所在平面平行、X轴与连接手轮的转轴平行。基于上述坐标系则有，第一组锥齿轮包括用于固定凸轮或凸轮板的凸轮固定轴，凸轮固定轴与Y轴平行。第二组锥齿轮通过滑块轴连接滑块驱动组件，滑块驱动组件包括与滑块连接的链条，与链条齿合并与滑块轴连接的直齿轮，滑块轴与Z轴平行并自锥齿轮向上设置。滑块与滑块导轨活动连接，可在滑块导轨上滑动，滑块导轨与X轴平行，并与支架固定连接。
[0020]轨迹板固定组件与支架固定连接，用于固定显示或提供凸轮轨迹的轨迹板。滑块上连接有轨迹读写组件，轨迹读写组件包括具有竖直自由度的滑块轴，滑块轴的两端对称连接机械臂和笔头固定夹。
[0021]所述笔头固定夹用于固定记号笔或者硬质轨迹读取杆，轨迹读取杆的形式可根据需要而设计，例如图2所示的尖底推杆和图3所示的平底推杆。为了使本装置的功能多样化，以适用于更多的教学案例，上述机械臂采用多自由度调整的可锁紧结构。
[0022]以下结合具体参数及计算推演对本实施例的原理做进一步表述，主要传动链参数计算:
[0023]参见图1，锥齿轮2与锥齿轮I齿数比为3:1，当手轮转动一周，轴2带动凸轮转动1/3周。锥齿轮4与锥齿轮3的齿数比为1:2，当手轮转动一周，轴3带动直齿轮I转动2周。直齿轮I为I模36齿标准齿轮。D = mz = 36mm。综上所述，凸轮转一周，直齿轮转动3/2周，带动齿条平移距尚L0
[0024]L= 1.5*PI*D
[0025]计算得L = 169.6mm。所以行程曲线的周期长度为169.6mm。
[0026]下面计算四个具体实验设计的参数:
[0027]实验一:
[0028]本装置中h = 40 (单位mm)。
[0029]凸轮形状方程:
s = h\\ — cos(;r5 / δ、、)] / 2O < S <3^/4
s = h3π/4<δ <π
[0030]<,......................……⑴
s 二 + cos(^ / δ{])]/ 2π <δ <\3π /9
S 二 O\1)π 19 <δ < 2π
[0031]由凸轮方程可得此凸轮特性为既无刚性冲击也无柔性冲击。
[0032]通过上图分析直杆对心时压力角公式:
OP - e dS / ?δ - e/n、
[0033]ldna = ο ο = / ο , ~.....................(2)
?ο ^r0* - e +S
[0034]当e = O时，公式简化为:
dS
[0035]....................................⑶
ro
[0036]通过matlab算得推程时最大压力角为21.68度。回程时压力角为32.6度。查阅推程最大许用压力角为35度，回程最大许用压力角为70度。
[0037]偏心后压力角改变,偏心后压力角公式为:.?clS/i/i>'e, (N
[0038]a = a — β.二 arctan--arcsin................(/!)
r0 + ?Sr0+S
[0039]在许用压力角范围内计算得推程最大左右可偏15mm，回程最大左右可偏35mm.综合知机构最大偏心距15mm.
[0040]实验二:
[0041]凸轮形状方程:
[0042]s - cos +y](^ cos c^y +^400...........................⑶
— 2
[0043]由机械原理分析得平底推杆压力角大小始终为0°。
[0044]对心时根据凸轮形状计算平底推杆底边所需的最小长度。
[0045]OP =专 sin 8.S.......................................(6)
[0046]由matlab算得OP的最大值为19.8mm。
[0047]偏心后推杆一边长度最小值为(OP+e)
[0048]本装置设计的偏距e为15mm,得平底推杆一边长度最小值为35mm。
[0049]实验三:
[0050]凸轮形状方程:
[0051]￡_ —40 cos 5 + ^/(40 COS +8400........................⑵
— 2
[0052]下面计算摆杆时刻接触图论时所需的最小长度I。
[0053]经理论分析得:
[0054]I = V/?2+40//cos 2100..............................(8)
[0055]设计时，h = 105mm。计算彳守取,」、长度为114.6mm。
[0056]当摆杆箱偏心时，摆杆所需长度发生改变，经理论分析:
[0057]偏心时摆杆等效高度
[0058]h'= si h2+e2.................................(9)
[0059]摆杆所需最小长度
[0060]I = +40/V cod-2100........................(10)
[0061]当偏心距为20mm时所需摆杆长度为116.6mm.设计杆长为180mm，能满足要求。实验四:
[0062]行程曲线板曲线方程:
s = h[\ - cos(mi / ^il)] / 2O < δ < 3π / 4
s = h3π/ 4<δ<π
[0063]ν _ ,;[ι + cos(；^ / (y")]/ 2π < ?、< 13π / 9
s = 013ττ/9 < 2;τ............Qi)
[0064]本装置设计h = 30(单位mm)，偏心时凸轮曲线与圆心的距离为:
[0065]I = J--1 ρ2 I s....................................(12)
[0066]当偏心距为20mm时,最大距离为74.7mm,本作品设计的圆盘半径为100mm，在圆盘上能够画出完整的凸轮。
[0067]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.双向凸轮演示装置，包括支架，其特征在于，还包括用于转动装置的手轮、与手轮连接的转轴、转轴上前后分布的两组锥齿轮、滑块、滑块轨道、轨迹板固定组件和凸轮固定轴； 定义三维直角坐标系:定义XY平面与装置底座所在平面平行、X轴与连接手轮的转轴平行； 第一组锥齿轮包括用于固定凸轮或凸轮板的凸轮固定轴，凸轮固定轴与Y轴平行； 第二组锥齿轮通过滑块轴连接滑块驱动组件，滑块驱动组件包括与滑块连接的链条，与链条齿合并与滑块轴连接的直齿轮，滑块轴与Z轴平行并自锥齿轮向上设置； 滑块与滑块导轨活动连接，可在滑块导轨上滑动，滑块导轨与X轴平行，并与支架固定连接； 轨迹板固定组件与支架固定连接，用于固定显示或提供凸轮轨迹的轨迹板； 滑块上连接有轨迹读写组件，轨迹读写组件包括具有竖直自由度的滑块轴，滑块轴的两端对称连接机械臂和笔头固定夹。
2.根据权利要求1所述的双向凸轮演示装置，其特征在于，笔头固定夹用于固定记号笔或者硬质轨迹读取杆。
3.根据权利要求1所述的双向凸轮演示装置，其特征在于，机械臂采用多自由度调整的可锁紧结构。
【文档编号】G09B25/02GK203931324SQ201420237422
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】包泓毅, 申鹏程, 刘洋, 丁修远, 王枭 申请人:电子科技大学