一种工程制图万向投影演示装置的机械传动单元的制作方法

本发明涉及一种投影演示装置的组件单元，具体涉及一种工程制图万向投影演示装置的机械传动单元。

背景技术：

我国传统的工程制图教学主要是以板书、纸质挂图和单一实物模型为主，但以上教具在教学过程中存在明显不足。例如板书虽然在教学中必不可少，但教师黑板作图会占用较长时间，课堂知识输出量也因此会相应减少；传统纸质挂图，可以缓解教师教学过程中板书绘图带来的时间压力，但是纸质挂图例题量有限，不能灵活变化；实物模型结构单一，每一个模型只能表达一个知识点，大量模型不便于教师上课携带,需要大量的存放场地。目前，市面上虽已出现简单的综合型实物教具，但只是简单点线面的投影组合，很少演示换面法以及基本形体的投影。同时，这些教具在演示换面法理论时只能通过增加面的个数来实现各方向的投影，过多的投影面会占据很大空间、造成加工成本的浪费。而且，市场上的演示教具在投影显示方面局限于投影面上的LED显示，尚未见到显示效果较好的该类型演示教具。

综上所述，现有的教具存演示内容有限，而且投影显示局限于LED显示，并不能恰如其分的表达万向投影的核心理念，给工程制图关于万向投影方面的授课带来了不便。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的教具存演示内容有限，而且投影显示局限于LED显示，并不能恰如其分的表达万向投影的核心理念，给工程制图关于万向投影方面的授课带来了不便的问题。进而提供一种工程制图万向投影演示装置的机械传动单元。

本发明的技术方案是：一种工程制图万向投影演示装置的机械传动单元包括底板、固定板、投影机构、驱动机构、调节机构和多个万向轮，固定板和底板上下平行设置，固定板和底板之间安装有投影机构，投影机构的上部通过安装在固定板下端的多个万向轮可滑动定位，投影机构的两侧与安装在底板上的驱动机构和调节机构相接触，且驱动机构和调节机构驱动投影机构旋转。

进一步地，投影机构为单向透视空心玻璃球。

进一步地，单向透视空心球被平面分别在直径1/2处和在直径为2/15处截开，分为三个部分且都通过螺旋拧合为一个完整空心球。

进一步地，驱动机构包括第一驱动电机、驱动主动联轴器、驱动机构主动齿轮、轴承座、驱动机构从动齿轮和驱动橡胶轮，轴承座安装在底板上，驱动机构从动齿轮通过驱动机构从动轴安装在轴承座上，驱动机构从动轴的外侧端部安装有驱动橡胶轮，驱动橡胶轮与投影机构的外侧壁接触，第一驱动电机安装在底板上，第一驱动电机的输出端通过驱动主动联轴器与驱动机构主动轴连接，驱动机构主动齿轮套装在驱动机构主动轴上，驱动机构主动齿轮与驱动机构从动齿轮啮合。

进一步地，驱动橡胶轮与投影机构的接触面形状与投影机构的外轮廓形状相匹配。

进一步地，调节机构包括手动调节部件和转动部件，转动部件与投影机构接触并单独驱动投影机构转动，手动调节部件与转动部件啮合连接，在转动部件的传输下通过手动间接驱动投影机构转动。

进一步地，手动调节部件包括手柄、手控机构主动轴、粗调机构主动齿轮和微调机构主动齿轮，手控机构主动轴可水平移动在底板上，粗调机构主动齿轮和微调机构主动齿轮依次套装在手控机构主动轴上，且微调机构主动齿轮靠近投影机构一侧，手柄安装在远离投影机构一侧的手控机构主动轴上。

进一步地，转动部件包括第二步进电机、转动部件主动齿轮、手控机构从动轴、粗调机构从动齿轮、微调机构从动齿轮和调节橡胶轮，转动部件主动齿轮套装在第二步进电机的输出轴上，手控机构从动轴与第二步进电机的输出轴平行设置，粗调机构从动齿轮套装在手控机构从动轴的一端并与转动部件主动齿轮啮合，或粗调机构从动齿轮与粗调机构主动齿轮啮合，微调机构从动齿轮套装在手控机构从动轴的中部，微调机构从动齿轮与微调机构主动齿轮啮合，调节橡胶轮套装在手控机构从动轴的另一端，且调节橡胶轮与投影机构相接触。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的工程制图教具能够提高大学生在工程制图课程的学习过程中对课本的理论知识的认识，能直观的认知投影的过程；课堂上教师利用该教具能够将晦涩难懂的定理进行演示，既加强学生理解，又给同学们带来一定的新鲜感，达到极佳的教学效果。而且能达到结构合理、操作简单、使用灵活的要求，有效避免了投影显示局限于LED显示，并不能恰如其分的表达万向投影的核心理念，给工程制图关于万向投影方面的授课带来了不便的问题。

2、本发明的结构通过一对橡胶轮而实现控制透明球的任意角度旋转，在能找到合适位置的基础上达到了万向换面投影的效果；选用单向透视空心玻璃球，避免了外界光线对投影演示过程的影响；在图像显示部分，不仅仅能直观的观察到空心玻璃球中投影面上的投影画面，还能在显示屏上显示三个不同方向视图同时存在的图像，更有利于理解；三视图处理成数字信号，与网络相结合，往枯燥的工程制图学习中注入了新的发展方向，并可以导出打印为纸质版，有效的提高了学生对投影法的理解，且给学生带来了学习的新鲜感。

3、本申请还具有以下优点：

首先，本发明实现了一个整体的投影演示系统，固定模型，调节好初始位置，通过自动控制完成投影演示，投影面图像采集显示等功能，操作简单，自动化程度高。

再次，本发明实现任意角度的换面投影，投影面随着玻璃球的运动可以实现达到物体的任意方向投影；

最后，现有技术止步于手动换投影面，且仅能一次看一个投影面效果图，本发明能集成三个投影面效果图与一个显示面，方便观察，教学效果极佳。

附图说明

图1是球形投影教具的正等轴测图；

图2是图1所示球形投影教具的局部主视图；

图3是图1所示球形投影教具的局部剖视图；

图4是图1所示球形投影教具的剖视俯视图；

图5是图1所示球形投影教具的侧视图；

图6是图3所示手柄脱离啮合状态的局部剖视图；

图7是投影成像模块实现框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的一种工程制图万向投影演示装置的机械传动单元包括底板18、固定板17、投影机构7、驱动机构、调节机构和多个万向轮16，固定板17和底板18上下平行设置，固定板17和底板18之间安装有投影机构7，投影机构7的上部通过安装在固定板17下端的多个万向轮16可滑动定位，投影机构7的两侧与安装在底板18上的驱动机构和调节机构相接触，且驱动机构和调节机构驱动投影机构7旋转。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的投影机构7为单向透视空心玻璃球。如此设置，避免了外界光线对投影演示过程的影响。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的单向透视空心球被平面分别在直径1/2处和在直径为2/15处截开，分为三个部分且都通过螺旋拧合为一个完整空心球。如此设置，半径处拆开是为方便球内部件安装和以后的维修检查，2/15处拆开方便射灯的安放和操作过程中模型的放置。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式的驱动机构包括第一驱动电机1、驱动主动联轴器2、驱动机构主动齿轮4、轴承座19、驱动机构从动齿轮6和驱动橡胶轮13，轴承座19安装在底板18上，驱动机构从动齿轮6通过驱动机构从动轴安装在轴承座19上，驱动机构从动轴的外侧端部安装有驱动橡胶轮13，驱动橡胶轮13与投影机构7的外侧壁接触，第一驱动电机1安装在底板18上，第一驱动电机1的输出端通过驱动主动联轴器2与驱动机构主动轴连接，驱动机构主动齿轮4套装在驱动机构主动轴上，驱动机构主动齿轮4与驱动机构从动齿轮6啮合。如此设置，便于带动投影机构进行转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图3和图6说明本实施方式，本实施方式的驱动橡胶轮13与投影机构7的接触面形状与投影机构7的外轮廓形状相匹配。如此设置，驱动更加稳定可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的调节机构包括手动调节部件和转动部件，转动部件与投影机构7接触并单独驱动投影机构7转动，手动调节部件与转动部件啮合连接，在转动部件的传输下通过手动间接驱动投影机构7转动。如此设置，使用时，现通过手动调节部件进行粗调投影机构的转动方向和角度，然后在通过转动部件进行精调，便于得到精确的投影。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1、图3和图6说明本实施方式，本实施方式的手动调节部件包括手柄8、手控机构主动轴9、粗调机构主动齿轮10和微调机构主动齿轮11，手控机构主动轴9可水平移动在底板18上，粗调机构主动齿轮10和微调机构主动齿轮11依次套装在手控机构主动轴9上，且微调机构主动齿轮11靠近投影机构7一侧，手柄8安装在远离投影机构7一侧的手控机构主动轴9上。如此设置，便于对投影机构进行粗调。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式的转动部件包括第二步进电机21、转动部件主动齿轮22、手控机构从动轴15、粗调机构从动齿轮14、微调机构从动齿轮12和调节橡胶轮50，转动部件主动齿轮22套装在第二步进电机21的输出轴上，手控机构从动轴15与第二步进电机21的输出轴平行设置，粗调机构从动齿轮14套装在手控机构从动轴15的一端并与转动部件主动齿轮22啮合，或粗调机构从动齿轮14与粗调机构主动齿轮10啮合，微调机构从动齿轮12套装在手控机构从动轴15的中部，微调机构从动齿轮12与微调机构主动齿轮11啮合，调节橡胶轮50套装在手控机构从动轴15的另一端，且调节橡胶轮50与投影机构7相接触。如此设置，便于在粗调后，实现对投影机构的精调。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的转动部件还包括转动轴承座，转动轴承座安装在底板18上，手控机构从动轴15穿设在转动轴承座上。如此设置，使用更加灵活、可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的固定板17为矩形固定板。如此设置，固定板17的底端面上均布三个万向轮，便于为投影机构提供更加灵活的运动环境。其它组成和连接关系与具体实施方式七、八或九相同。

更进一步地，将本发明的结构融入到应用于工程制图教学的万向投影演示装置中，其整体包括被投影物体模型、射灯、投影面、显示屏、单向透光玻璃球壳、橡胶轮、三轴陀螺仪、步进电机、微型图像处理系统以及基本线路和机械框架结构等。投影面和射灯位于球体的内部，并且相对平行静止；被投影物体模型位于球体圆心处，由三轴陀螺仪固定；球壳由2个橡胶轮4个球形滚子支撑，上半部分由4个万向轮均匀分布限位，下半部分由2个自行设计的锥形橡胶轮支撑；投影面上的图像经过反光镜反射，再由镜头前凸透镜聚焦到采集图像信息的镜头中，镜头中阵列光学传感器，采集信息传递给微型图像处理器进行模拟信号处理和模数转换以及数字信号处理，进而传递给储存器，再到显示器显示。球壳选用单向透光玻璃材料，达到在球的内部射灯工作时能从球的外面看清球的内部投影面上的阴影成像，减少外部的光照射到球体内部对投影成像产生干扰；被投影物体模型利用磁力片或其他可拼接组装而成的基本图形框架结构，以保证投影出的是外轮廓线，避免出现是一大片阴影面积而的不到外轮廓线的情况且便于拆卸组装，具有灵活性高，成本低的特点；橡胶轮选用的原因是因为橡胶摩擦系数大，旨在当橡胶轮在玻璃上产生滑动摩擦也不会产生划痕导致影响玻璃表面的透明度，并且设计橡胶轮为锥形垂直放置，并与球体紧密贴合旨在与球体不产生滑动摩擦。

机械传动单元主要是控制球体做各方位的旋转，球心处的模型不动以达到全方位换面投影的效果。机械传动控制系统由第一步进电机控制一个橡胶轮的转动，手柄控制与第一步进电机相对的橡胶轮的转动，通过齿轮系中啮合齿轮的切换，实现粗调与微调的转换，先提高转速以较高的效率使投影物体处于初始的投影位置，再减小转速以提高橡胶轮的转动精度，使投影物体以较高的精度处于初始的投影位置。与此同时光电转速传感器采集手动橡胶轮的转速信号，经过整形电路形成方波脉冲信号传递给第一步进电机驱动器，驱动器则把控制信号处理后输入电机绕组，让第一步进电机以相同的速度正向转动或者将电机与驱动器接线的A+和A-(或者B+和B-)设置对调按钮实现反向转动。若两橡胶轮同向转动，则球体竖直方向转动，若两橡胶轮反向转动，则球水平方向转动，这样无论要运动到球上哪一点，都可以分两步由橡胶轮同向转动和反向转动完成运动控制系统。调节好主视图位置后有手动和自动两种控制方式达到侧视图和俯视图要求位置，通过切换不同齿轮啮合从而切换手动控制与自动控制。手动控制部分，手轮与橡胶轮有固定的传动比2：1，即手轮转2圈，橡胶轮转1圈，且在橡胶轮与球体的接触点用平行于橡胶轮轴线的水平平面截球，截面圆的周长是橡胶轮周长的4倍，在不考虑滑动摩擦情况下达到手轮转2整圈，球体旋转90°；自动控制部分，由单片机控制第一步进电机和第二步进电机，编写程序，设置脉冲按钮，在第一次按下脉冲按钮，第二步进电机控制手柄橡胶轮的运动，例如当投影面和光源都处于垂直即分别与两摩擦轮处于同一平面，第二步进电机和第一步进电机控制摩擦轮反向转两圈得到侧视图，在输入一次脉冲信号，使两摩擦轮同时同向转动两圈得到俯视图。两种控制方法皆旨在调整好主视图后方便精确调节俯视图和侧视图相对的位置。

本申请的空心球体内部结构主要是在三轴陀螺仪上安放被投影物体模型。三轴陀螺仪包括两个框架支撑杆、两个平衡环和一个被投影物体支座构成。陀螺仪制作材料选择具有较好透光性、强度高、质量轻等特点的PMMA材料。三轴陀螺仪框架采用螺纹连接，在球体中心靠光源一点的地方开一对对称反向螺纹孔，一侧为通孔，一侧不通。安装时，先施加外力安装通孔支撑杆，一直旋合至不通的孔的支撑杆进入能对齐不通孔螺纹，反向拧和，使超出球面的通孔支撑杆回到球壳内部。支撑杆与平衡环铰接，包面抛光尽量使铰接处摩擦力最小。内部平衡环的中下部分安放被投影模型，平衡环上螺纹连接出支座平台或支撑架等透明材料制作的物体，使被投影物体重心在下半环中，在框架随球体运动时，三轴陀螺仪中两个平衡环作出相应的补偿，达到投影物体模型静止不动或者小幅度转动后静止时恢复初位置的要求。

本发明的投影面成像显示系统由一套光学信息采集部分、数据处理部分和显示屏图像显示部分组成。冷阴极灯管发出的平行光照射在被三轴陀螺仪支撑的物体模型上，在投影面上留下阴影轮廓。鉴于需要演示换面投影法，操作过程中会存在投影面上成像不方便人眼直接观察的问题，并且不能直观的观察比较模型的三视图，所以我们设计一套投影面成像显示系统。首先，通过反光镜和镜头的组合，使投影面板的光线绕过陀螺仪和物体模型聚焦透射到CCD光电传感器上；进一步的，当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号，CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出；进一步的，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器，经过放大和滤波后的电信号被传送到A/D转换器上，由A/D转换器将电信号(模拟信号)转换为数字信号，即为图像的数据；进一步的，由于这些图像数据还不能直接生成图像，接着输出到DSP(数字信号处理器)中，在DSP中，将会对这些图像数据进行处理，设置辉度值，高于设置点为白色，低于设置点为黑色，并编码为机器所支持的图像格式、分辨率，存储在储存器上；进一步的，传输到显示器中显示投影面成像。在此成像显示系统中，采用控制曝光次数，旨在控制几次采集图像数据信息，即几次成像。例如三视图，需要三次曝光，采集三次图像数据信息，进而显示器显示时按照平面三视图排版，便于观察成像结果。并且可导出图像，用打印设备进行打印，得到纸质版三视图。

本发明的外部结构框架通过上部分三个滚子正三角形分布与框架固结与单向透视空心球能产生相对滚动，下部分与有两个竖直放置锥形橡胶轮和一个滚子正三角分布支撑并控制转向。单向透视空心球的内部包括三轴陀螺仪支撑的物体模型、投影面、射灯组成的投影系统以及成像显示系统中的图像采集系统。空心球被平面分别在直径1/2处和在直径为2/15处截开，分为三个部分且都通过螺旋拧合为一个完整空心球，半径处拆开是为方便球内部件安装和以后的维修检查，2/15处拆开方便射灯的安放和操作过程中模型的放置。为阐述方便，本文中称占13/15的部分称为大半球，另一部分称为小半球。小半球与射灯固结，并在射灯与小半球的夹层里放置软包锂电池，在小半球上开个洞口旨在于给电源充电，不用时用橡胶塞堵住，保证球面的形状。射灯的正对截面为投影面，通过胶合与空心球结合。在投影面的上方安装反射镜，对称安装镜头在射灯的上部，旨在绕过模型阻挡使反光镜反射的光进入镜头中。同时在空心球上开孔作为嵌入式插口，当模型位置角度调节好之后，与球外部的数据处理部分和显示屏连接。

如图1所示，固定板17与底板18框架固结。

如图3所示，手柄8旋转，通过手控机构主轴9将扭矩传递到粗调机构主动齿轮10，粗调机构主动齿轮10作为主动轮与粗调机构从动齿轮14啮合，进一步的传递到橡胶轮13上，带动橡胶轮13旋转；粗调完成后，手柄8向里推，粗调机构主动齿轮10和粗调机构从动齿轮10脱离啮合，微调机构主动齿轮11与微调机构从动齿轮12啮合，改变两次啮合的传动比，进一步实现粗调微调的转换，完成被投影物体初始位置的调节。进一步的，如图6所示，手柄8向外拉到极限位置，使手控机构主轴上粗调机构主动齿轮10和微调机构主动齿轮11都与从动轮脱离啮合；进一步的，第二步进电机21往里推，使驱动机构主动齿轮22与粗调机构从动齿轮14啮合，切换到自动控制投影模式。

如图2所示，手动调节手柄时，关闭第二步进电机21电源或将第二步进电机21向外移使之脱离啮合，由光电转速传感器检测手柄的转速，经过单片机进行信号处理，将脉冲信号发送给第一步进电机1，进一步的控制右侧橡胶轮转动，使两个橡胶轮能达到等速同向转动或等速反向转动，如图6所示，同向转动时投影机构垂直方向上运动，如图4所示，反向转动时投影机构水平方向运动。自动控制时，接通第二步进电机21电源或将第二步进电机21向里移使之与微调机构主动齿轮11啮合，单片机中编程控制第一步进电机1和第二步进电机21，设置脉冲按钮，在第一次按下脉冲按钮，第一步进电机1控制右侧橡胶轮13的运动，第二步进电机21控制左侧的调节橡胶轮50的运动，当第二步进电机21和第一步进电机1控制调节橡胶轮50反向转两圈得到侧视图；在输入一次脉冲，第二步进电机21和第一步进电机1控制橡胶轮同向转动两圈得到侧视图。

如图7所示，进一步的阐述图像采集部分，每给一次脉冲到步进电机的同时单片机同时发出中断给图像采集系统，让镜头曝光成像，将采集到的图形信息进行处理，以三视图的排版成像。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。