专利名称：一种椭圆规的制作方法
技术领域：
本发明属于绘图器具范畴，亦涉及文教办公用具，具体为一种椭圆规。
背景技术：
椭圆规是人们期待已久的教学仪器和绘图工具。如果说圆规是伴随了人类文明史，那么对椭圆规的梦想也由来已久。古今中外不知有多少孜孜不倦的追求者，除了古代中国，史载的还有古希腊和文艺复兴时期，当时的一些科学家都参与了椭圆规的构思设计，甚至达芬奇就搞过设计方案，如传世于今的“达芬奇椭圆仪”。时至今日，仍有不少爱好者醉心于此，研发机械原理的椭圆规，相关专利层出不穷，其中不乏精巧的优秀构思。但是，由于构思设计所遵循和依存的理论原理(即数学定义、命题)没有突破传统的、经典的数学范畴，在机械表现的过程中无法简单化从而体现其实用性，进而普及推广，只能作为“概念设计”而欣赏、把玩，因此，椭圆规总的说来还是个市场空白。虽然当今设计领域已进入电脑时代，但生产实践和教学活动中仍然存在对椭圆规的需求，尤其是一种可以任意调节参数的、精准的、操作简便的、造价低廉的椭圆规。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便、易于调节、精确度高的椭圆规，以满足人们教学、设计、绘图等方面的需求，填补绘图器具的一个空白。为了解决上述技术问题，发明人提出并证明了一个崭新的数学命题，即“公转自转说”，从理论原理上突破，另辟蹊径构思设计了一种椭圆规，向实用方面大大迈进了一步。“公转自转说”的具体内容是:“一圆沿着一圆形轨道旋转(公转)，它同时自转，如果自转方向与公转方向相反，且自转角速度是公转角速度的两倍，那么此动圆上任意点的轨迹是椭圆。”基于此原理的椭圆规，使通过简单机械运动实现数学曲线的可视化成为可能，本发明中的“两线三级”齿轮机械传动模式是一个相对优化简约的实施例，它不仅充分体现了数学原理，具有实用功能性，还展示出一种机械结构和机械运动的美感。本发明椭圆规，结构上分为操控、传动和调节三部分。操控部分包括手柄和绘图旋钮；传动部分是一个综合系统，体现为“两线” “三级”传动模式；调节部分概括为“一算二移三开”的操作步骤。进一步，操控上表现为双手操作绘图模式，一手持紧手柄，并始终保持圆心脚的垂直状态，一手转动绘图旋钮，由于齿轮传动的可逆性，使用者可象使用普通圆规一样自由绘图，可正负360度操作；手柄兼具机械总平台功能，传动系统以此作为依靠和起点向下展开。进一步，传动系统的“两线”是指“公转线”和“自转线”，两线布局将绘图旋钮的旋转动能一分为二，以两条线路传递给不同的需求点:一是标尺杆的正方向旋转(公转)，二是笔杆的反方向倍速旋转(自转)。“两线”上下平行，通过共轴关联，两线上的第一齿轮为主动轮组，均为连轴轮，第二齿轮为从动轮组，上为连轴轮，下为轴承轮，轴承轮套握轴芯，与轴芯同向不同速，起支点和承前启后的作用。进一步，“公转线”位于结构上层，包括两个并列的直径相同的连轴齿轮，一主一从，主动齿轮的轴芯向上穿过手柄与绘图旋钮连结；从动齿轮的轴芯向下延伸与标尺杆和圆心脚连结，三者同体，转动同步。进一步，“自转线”位于结构下层，部件包括主动齿轮、从动齿轮、变向齿、伞齿轮、水平斜齿杆、竖直斜齿轮、旋转笔夹，其中①变向齿与从动齿轮同体，一轮两齿，上受下传；②伞齿轮与水平斜齿杆同体，一杆两型，前受后传竖直斜齿轮与旋转笔夹同体，一芯两接，上受下传。“自转线”全程两次变速(齿轮转动速度)、两次转轴(齿轮轴芯横直转化)，三次变向(齿轮旋转方向)，到达笔夹时旋转方向正好与标尺杆的旋转方向相反，与数学原理吻合。进一步，所述“三级”是“自转线”的分级:第一级为“变速级”，主动齿轮与从动齿轮的直径比为2: 1，将转速放大一倍，以此补充标尺杆转动带来的角度抵消；第二级为“变速变向级”，变向齿与伞齿轮的齿数比为2: I，转速再次被放大一倍，这是数学原理要求所致，同时此结构使旋转轴变向90度，由竖转横；第三级为“等速变向级”，水平斜齿杆与竖直斜齿轮的传动方式再次使转轴变向90度，由横转竖，且齿条配置和直径大小均相同，成为等速传递。水平斜齿杆平行、上置于标尺杆，标尺杆两端设置有轴承座；竖直斜齿轮下端连结着旋转笔夹，笔夹的转动，带动笔杆转动，实现“自转”，完成绘图。进一步，本发明椭圆规的绘图调节部件包括标尺杆、滑块、旋转笔夹、张合笔杆、松紧旋钮、辅助圆心脚等，滑块设置在标尺杆上，通过松紧旋钮调节位置；滑块内置轴承，竖直斜齿轮轴芯从上往下穿过，与笔夹结为一体。具体绘图操作步骤概括为“一算二移三开”，使用时根据已知条件，首先计算长短半轴的平均值(a+b) /2，然后移动滑块，把计算值对应落实到标尺杆上，再张开笔杆，使笔尖对应到标尺杆上的数值等于长半轴a，完成调节，开始绘图。对于初次使用或者不够 熟练者，可借助辅助圆心脚维持圆心脚的垂直状态，保证绘图质量。
进一步，夹于旋转笔夹的张合笔杆，根据参数进行张合，张开角度越大，所绘椭圆越扁，角度越小，越接近圆，角度为零时为正圆，所以本发明椭圆规可作普通圆规使用。进一步:本发明椭圆规的数学原理的证明及参数换算关系如下:证明:(图3) Θ Q绕原点正方向旋转，角速度为θ，其自身以2Θ角速度反向自转。P(x，y)为此动圆上的点，它是由起始点M'自转至此，同时也是由起始点M公转至此。
的轨迹是椭圆。图中，延长r P交X轴于L，可证Z OLM' = 90度W P = 2rsin0 (等腰三角形底边)y = PL = M' L-M' P= Rsin Θ -2rsin Θ= (R-2r) sin θX = OL = Rcos θ
权利要求
1.个数学命题“公转自转说”，由发明人提出并证明，具体内容是:“一圆沿着一圆形轨道旋转(公转)，它同时自转，如果自转方向与公转方向相反，且自转角速度是公转角速度的两倍，那么此动圆上任意点的轨迹是椭圆。”
2.关于权利要求1的椭圆规，其特征在于用简单机械运动实现数学曲线的可视化，它充分体现了数学原理，而且其形式和操作方式均与传统意义的圆规相吻合。
3.按权利要求2所述的椭圆规，其特征在于，具体实施方式
选用了“两线三级”齿轮机械传动模式，所述“两线”包括“公转线”和“自传线”;所述“三级”，包括“变速级”、“变速变向级”和“等速变向级”，是“自转线”下的分级。
4.按权利要求3所述的椭圆规，其特征在于，“两线”布局把绘图旋钮的旋转动能一分为二，通过两条线路传递给不同的需求点:一是标尺杆的正方向旋转(公转)，二是张合笔杆的反方向倍速旋转(自转)。
5.按权利要求3、4所述的椭圆规，其特征在于，“公转线”位于结构上层，包括两个并列的直径相同的连轴齿轮，一主一从，主动齿轮的轴芯向上穿过手柄与绘图旋钮连结为一体，从动齿轮的轴芯向下延伸与标尺杆和圆心脚连结，三者同体，转动同步。
6.按权利要求3、4所述的椭圆规，其特征在于，“自转线”位于结构的下层，其中的动能传递分为三级，第一级为“变速级”，主动齿轮与从动齿轮的直径比为2: 1，将转速放大一倍，以此补充标尺杆转动带来的角度抵消；第二级为“变速变向级”，从动齿轮下方的变向齿条与水平斜齿杆前端的伞状齿条的配置结构，使旋转轴变向90度，由竖转横，同时齿数比为2: 1，转速再次被放大一倍，这是数学原理要求所致；第三级为“等速变向级”，水平斜齿杆与竖直斜齿轮的传动方式再次使转轴变向90度，由横转竖,且齿条配置和直径大小均相同，使之为等速传递。
7.按权利要求3、4、6所述的椭圆规，其特征在于，“自转线”全程两次变速(齿轮转动速度)、两次转轴(齿轮轴芯横直转化)，三次变向(齿轮旋转方向)，到达笔夹时旋转方向正好与标尺杆的旋转方向相反，与数学原理吻合。
8.按权利要求2所述的椭圆规，其特征在于是一种双手操作工具，利用齿轮传动的可逆性，使用者可象使用普通圆规一样自由绘图，可正负360度操作；操控部件包含一手柄和一绘图旋钮，手柄兼具机械总平台功能，传动系统以此为依靠和起点向下展开。
9.按权利要求2所述的椭圆规，其特征在于绘图调节的具体步骤为“一算二移三开”，使用时，根据已知的椭圆长短半轴数据，首先计算平均值(a+b)/2，然后移动标尺杆上的滑块，落实计算值，再张开笔杆，使笔尖对应在标尺杆上的数值等于长半轴a。
10.按权利要求1所述的“公转自转说”，其原理可推及工业和其他领域，可形成多种模式的机械结构，产生不同的用途，或促进对生产工艺的改进。
全文摘要
本发明属于绘图器具范畴，亦涉及文教办公用具，具体为一种椭圆规，是一以崭新数学命题(“公转自转说”)为原理，通过“两线三级”的齿轮机械传动模式实现绘图功能的工具，整个结构包括操控、传动、调节三部分。操控部分包括手柄和绘图旋钮，手柄兼具机械总平台功能，绘图旋钮能正负360度操作；传动部分为一综合系统，具体是“两线三级”模式，“两线”即“公转线”和“自转线”；“三级”即“变速级”、“变速变向级”、“等速变向级”。绘图调节概括为“一算二移三开”操作步骤。本发明从原理上创新，从结构上优化，向世人提供一种任意绘制标准椭圆的简便而实用的绘图工具。
文档编号B43L11/05GK103085544SQ201110342379
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者谷华峰 申请人:谷华峰