平面连杆机构复合型教具及其演示控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种平面连杆机构复合型教具及其演示控制方法，包括箱体、平面连杆机构、驱动部分和演示控制系统；平面连杆机构至少包括第一连架杆、第二连架杆和连杆；驱动部分包括驱动电机和与驱动电机输出轴传动配合的齿轮驱动副Ⅰ，以及以可离合的方式与所述齿轮驱动副Ⅰ的主动轴传动配合的齿轮驱动副Ⅱ；演示控制系统包括：参数采集模块、中央处理单元和显示模块；在该教具教学中对平面连杆机构的急回特性、极限位置和急回特性与极位夹角的关系，以及平面连杆机构机构具有确定运动的条件进行直观的阐述，可解决现有平面连杆教具对各个理论知识点分块化现象严重的问题，具有相当高系统性，是一款将多个知识层面统一成宏观知识体系的复合型教具。
【专利说明】平面连杆机构复合型教具及其演示控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及教学教具领域，特别涉及一种平面连杆机构复合型教具及其演示控制方法。
【背景技术】
[0002]随着国家对于机械行业人才综合素质要求的提高，对高校机械类的课程，特别是机械原理、机械设计等基础类课程的要求也在不断提高。就目前机械原理的实验教学模式来看，对于理论基础知识的讲解几乎还处在空白状态，尤其是实验课教具还停留在传统的“一物一模型”阶段，这已经与当代大学生的学习习惯与思维习惯脱节，也与日益增长的对机械行业人才需求量的客观现实相矛盾。
[0003]平面连杆机构是许多构建用低副连接组成的平面机构，最简单的平面连杆机构是平面四杆机构，它是应用最广泛的平面连杆机构，而且是组成多杆机构的基础。平面四杆机构一般包括机架杆，机架杆一般固定不动，与机架杆直接连接的称为第一连架杆和第二连架杆，两连架杆通过不与机架杆直接相连的中间连杆连接。平面四杆机构根据曲柄的存在条件，可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。以曲柄摇杆机构为例，其在运动过程中存在着极限位置、急回特性和死点位置等运动特性，并伴随着产生极位夹角、压力角、传动角和行程速比系数等参数概念，而在实际教学中，未能妥善解决知识传授与学生能力培养的关系，片面强调知识传授，忽视了将知识内化为学生能力与素质。实验教学中验证型的实验多，而探索型实验少，实验课并没有让同学走进理论知识内部，也并没有激发起同学们对理论知识的探索欲望，没有发挥实验教学的应有的作用；同时实验教学缺乏系统性，以上所述曲柄摇杆机构各个理论知识点分块化现象严重，现有教具多为对知识点分别阐释，如通过改变杆件长度对四杆机构曲柄存在条件的阐释较常见，没有一款涉猎多个知识层面并且将其统一成宏观知识体系的复合教具，与此同时，实验教学和其他实践教学活动脱离，忽视了知识的整合及连贯性，各实践环节之间相互独立，在整个教学过程中没有强调整体设计理念；而且，因为学时的限制，不能安排较多的时间让学生集中、同步实验。而传统实验因为组织方式因为受到实验场地、实验器材、实验趣味性等多方面的约束而难以展开，加之同学们获取知识途径与习惯的变化，传统单一型教具在机械原理实验课上逐步退出教学舞台。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供一种平面连杆机构复合型教具及其演示控制方法，使其至少可对平面连杆机构(以曲柄摇杆机构为例)的急回特性、极位夹角、极限位置和曲柄存在条件下四杆变化类型，以及急回特性与极位夹角的关系等理论知识点进行清晰的阐述，使学生对平面连杆机构知识点的整体连贯性有清楚的认识。
[0005]本发明的平面连杆机构复合型教具，包括箱体、平面连杆机构、驱动部分和演示控制系统；
[0006]平面连杆机构至少包括第一连架杆、第二连架杆和连杆，第一连架杆、第二连架杆和连杆均为长度可调结构；
[0007]驱动部分包括驱动电机和与驱动电机输出轴传动配合并用于驱动第一连架杆在平面内转动的齿轮驱动副I;
[0008]演示控制系统包括:
[0009]参数采集模块，至少用于采集第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时平面连杆机构的极位参数，极位参数包括:第一连架杆去程时间、第一连架杆回程时间、第二连架杆去程速度和第二连架杆回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆的位置信息；
[0010]中央处理单元，用于根据参数采集模块所得第一连架杆位置信息，得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数；
[0011]显示模块，用于显示所得极位夹角值，以及分别通过极位夹角和第二连架杆去程速度与回程速度之比得出行程速比系数K的计算过程和结果。
[0012]进一步，参数采集模块包括:位置传感器、测速传感器和数码管；
[0013]位置传感器安装在所述第一连架杆上，用于采集与第一连架杆的位置信息相关的转动角度信号；
[0014]测速传感器安装于第二连架杆，用于采集第二连架杆去程速度和回程速度；
[0015]数码管安装于所述箱体外壁，用于采集第一连架杆去程时间和第一连架杆回程时间，数码管包括:去程时间数码管和回程时间数码管。
[0016]进一步，警示模块，用于提示机构已运动到极限位置，警示模块包括指示灯组和蜂鸣器，指示灯组包括用于警示去程极限位置的第一指示灯组和用于警示回程极限位置的第二指示灯组。
[0017]进一步，演示控制系统还包括:
[0018]输入模块,用于在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时输入对应杆件实际长度；
[0019]位置传感器，还用于在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时采集与第一连架杆位置信息相关的转动角度信号；
[0020]中央处理单元，还用于根据在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时位置传感器所传输信号得出第一连架杆摆动角度，并在上述状态下根据所输杆件实际长度对机构的压力角和传动角进行实时计算，当传动角为零时，判断此时为死点位置，并将控制信号传输至驱动电机控制单元控制电机停转；
[0021]显示模块，还用于实时显示传动角值、压力角值和第一连架杆摆动角度值，并显示机构运动到连杆与第一连架杆共线时位置为死点位置。
[0022]进一步，平面连杆机构还包括用于形成五杆结构的第三连架杆，驱动部分还包括以可离合的方式与所述齿轮驱动副I的主动轴传动配合的齿轮驱动副II。
[0023]进一步，第一连架杆、第二连架杆和连杆上均设置有长度调节刻度；位置传感器为霍尔传感器，测速传感器为转速传感器。
[0024]本发明还公开了一种平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，平面连杆机构至少包括第一连架杆、连杆和第二连架杆，演示控制方法包括:
[0025]当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系;
[0026]当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置。
[0027]进一步，当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系，包括:
[0028]采集该状态下平面连杆机构的极位参数，极位参数包括:第一连架杆去程时间、第一连架杆回程时间、第二连架杆去程速度和第二连架杆回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆的位置信息；
[0029]根据采集所得极位参数，计算得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数；
[0030]显示所得极位夹角值，并显示通过极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数的计算公式和结果。
[0031]进一步，当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置，包括:
[0032]输入在该状态下机构对应杆件实际长度；
[0033]采集该状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号；
[0034]根据所输杆件实际长度对第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下机构的压力角和传动角进行实时计算，并根据所采集摆动角度信号对主动摇杆摆动角度进行计算；
[0035]将所得压力角、传动角和主动摇杆摆动角度进行实时显示；
[0036]当计算传动角为零时，判断此时为死点位置，进行显示，并将控制信号传输至驱动电机控制单元控制电机停转。
[0037]进一步，采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下平面连杆机构的极位参数，包括:
[0038]由安装在所述第一连架杆上的位置传感器采集与第一连架杆的位置信息相关的转动角度信号；
[0039]由安装于所述第二连架杆的测速传感器采集第二连架杆的去程速度和回程速度；
[0040]由安装于箱体外壁上的数码管采集第一连架杆去程时间和第一连架杆回程时间，所述数码管包括:去程时间数码管和回程时间数码管；
[0041]采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号，包括:由安装于所述第一连架杆上的位置传感器采集与该状态下与第一连架杆的位置信息相关的摆动角度信号。
[0042]本发明的有益效果:本发明的平面连杆机构复合型教具，不但可以通过改变杆长直观的了解平面四杆机构具有曲柄的条件和杆长关系决定四杆机构类型这一理论知识点，还可通过平面连杆机构和演示控制系统结合，在该教具教学中对平面连杆机构的急回特性、极限位置和急回特性与极位夹角的关系进行直观的阐述，可解决现有平面连杆教具对各个理论知识点分块化现象严重的问题，具有相当高的系统性，是一款具有多个知识层面并且将其统一成宏观知识体系的复合型教具，具有较高的实用教学价值。
[0043]本发明的复合型教具演示控制方法，可使得教具在教学使用中可对知识点进行实时体现，不但具有较高的便捷性，还具有较强的直观理解性，且自动化程度高，操作方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0045]图1为本发明的平面连杆机构复合型教具整体结构示意图；
[0046]图2为本发明的平面连杆机构复合型教具的驱动部分结构示意图；
[0047]图3为本发明的平面连杆机构复合型教具的演示控制系统的模块框架图。
【具体实施方式】
[0048]如图所示:本实施例的平面连杆机构复合型教具，包括箱体20、平面连杆机构、驱动部分和演示控制系统；
[0049]平面连杆机构至少包括第一连架杆1、第二连架杆2和连杆3，第一连架杆1、第二连架杆2和连杆3均为长度可调结构；长度可调结构使得第一连架杆1、连杆3和第二连架杆2均为可伸缩结构，即可为现有的雨伞伸缩杆结构，也可为其它现有伸缩结构，可通过按钮21变化，通过改变各杆长间的数量关系，可以将四杆机构变成不同的类型:曲柄摇杆、双曲柄或双摇杆，通过观察代表曲柄轨迹的LED灯显示组(图中为LED显示组4和LED显示组5)，直观的观察到不同的四杆机构时，各杆件的运动情况，同学可以直观看到不同四杆机构的类型之间的区别，可以直观理解杆长关系决定四杆机构类型这一知识点，例如，当一个运动过程结束后，按下变化杆长的机构的按钮，将曲柄伸长，此次伸长将使杆长之间的关系不再满足具有曲柄的条件，变为双摇杆机构，再次进行四杆机构的一个完整运动过程，此时可通过以连架杆与机架的铰接点为圆心的LED显示组(图中为LED显示组4和LED显示组5)看出，主动摇杆不能转一整圈，从动摇杆也不能转一整圈，通过两次对比，直观地感知曲柄摇杆机构和双摇杆机构的不同；其中，LED显示组4是根据第一连架杆I的转动速度逐次点亮的，LED显示组5是根据第二连架杆的转动速度逐次点亮的，均通过单片机进行控制；
[0050]驱动部分包括驱动电机6和与驱动电机输出轴传动配合并用于驱动第一连架杆I在平面内转动的齿轮驱动副I ;齿轮驱动副I包括主动轴、主动齿轮7、从动轴和从动齿轮8，其中从动轴端部与第一连架杆I固定用于驱动，在本发明中，第一连架杆I作为主动件，由驱动电机6直接进行驱动，其中驱动电机6为步进电机；
[0051]演示控制系统包括:
[0052]参数采集模块7，至少用于采集第一连架杆I为主动曲柄、第二连架杆2为从动摇杆时平面连杆机构的极位参数，极位参数包括:第一连架杆I去程时间、第一连架杆I回程时间、第二连架杆2去程速度和第二连架杆2回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆I的位置信息；
[0053]中央处理单元8，用于根据参数采集模块7所得第一连架杆I位置信息，得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆2的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数；
[0054]显示模块9，用于显示所得极位夹角值，以及分别通过极位夹角和第二连架杆2去程速度与回程速度之比得出行程速比系数的计算过程和结果；
[0055]其中，参数采集模块7与中央处理单元8信号连接，中央处理单元8与显示单元信号连接，中央处理单元8将内部处理后的信号转换成具体数值显示在显示模块9上。
[0056]本实施例中，参数采集模块7包括:位置传感器10、测速传感器11和数码管；
[0057]位置传感器10安装在所述第一连架杆I上，用于采集与第一连架杆I的位置信息相关的转动角度信号；
[0058]测速传感器11安装于第二连架杆2，用于采集第二连架杆2去程速度和回程速度；
[0059]数码管安装于所述箱体外壁，用于采集第一连架杆I去程时间和第一连架杆I回程时间，数码管包括:去程时间数码管12和回程时间数码管13。
[0060]本实施例中，警示模块14，用于提示机构已运动到极限位置，警示模块14包括指示灯组和蜂鸣器15，指示灯组包括用于警示去程极限位置的第一指示灯组16和用于警示回程极限位置的第二指示灯组17 ;第一指示灯组16和第二指示灯组17的灯均是嵌在箱板上，每组指示灯组的灯均是同时被点亮，以第一指示灯组16为例进行说明，在驱动第一连架杆的转轴上圆周方向固定设置一个同步转动的齿轮，在该齿轮上设置有磁性元件，该磁性元件随该齿轮转动，当转动到位置传感器为去程极限位置时便发出信号，此时实际上是(改为是)第一连架杆作为曲柄与连杆第一次共线时，也是为回程数码管开始计时的时亥IJ，此时单片机执行中断程序，并发出控制信号点亮第一指示灯组，蜂鸣器鸣叫，回(改为回程)程时间数码管开始计时，第二指示灯组实现方式同第一指示灯组。
[0061]本教具在使用时，当第一连架杆I作为曲柄开始运动时，去程时间数码管12接收中央处理单元8传来的控制信号，开始进入工作状态，精确的记录此时第一连架杆I的去程时间，当第一个极限位置到来时，与该极限位置重合的第一指示灯组16接收控制信号，进行闪烁，同时，蜂鸣器15接收控制信号，发出声音，提醒极限位置的到来，两者结合，醒目的表现出极限位置的位置。第一个极限位置到来的同时，去程数码管停止计时，回程数码管开始计时，记录回程时间，第一连架杆I继续运动，当到达第二个极限位置时，回程数码管停止计时，精确的记录第一连架杆I作为曲柄的回程时间，此时与第二机械位置重合的第二指示灯组17接收控制信号，进行闪烁，同时蜂鸣器15接收控制信号，发出声音，提醒极限位置到来。通过将两个数码管上记录的时间进行对比，直观的阐释平面连杆机构急回特性的存在和极位夹角的定乂；
[0062]另外，在第一连架杆I作为主动曲柄运动过程中，通过测速传感器11记录第二连架杆2的去程速度和回程速度的速度信号，测速传感器11将信号同步反馈至中央处理单元8，并在中央处理单元8内用速度之比的方法对行程速比系数K进行计算，然后利用显示模块9，将计算公式及结果显示出来，与此同时，当四杆机构运动达到极限位置时，由位置传感器10采集到第一连架杆I作为曲柄的位置信息(该处位置信息实际是指第一连架杆I转动角度信号)，并将转动角度信号反馈给中央处理单元8，通过中央处理单元8计算出极位夹角，并利用极位夹角的公司计算出行程速比关系K，并将此过程的公司及结果显示在显示模块9上，将经过速度之比得出的行程速比系数与经过极位夹角得出的行程速比系数进行对比，直观的阐释平面连杆机构急回特性与极位夹角的关系。
[0063]本实施例中，演示控制系统还包括:
[0064]输入模块18,用于在第一连架杆I为主动摇杆、第二连架杆2为从动曲柄时输入对应杆件实际长度；
[0065]位置传感器10，还用于在第一连架杆I为主动摇杆、第二连架杆2为从动曲柄时采集与第一连架杆I位置信息相关的转动角度信号；
[0066]中央处理单元8，还用于根据在第一连架杆I为主动摇杆、第二连架杆2为从动曲柄时位置传感器10所传输信号得出第一连架杆I摆动角度，并在上述状态下根据所输杆件实际长度对机构的压力角和传动角进行实时计算，当传动角为零时，判断此时为死点位置，并将控制信号传输至驱动电机控制单元19控制电机停转；
[0067]显示模块9，还用于实时显示传动角值、压力角值和第一连架杆I摆动角度值，并显示机构运动到连杆3与第一连架杆I共线时位置为死点位置；
[0068]在该实施例下，因为死点的存在需要摇杆作为主动件，为了使传动系统简单，利用变化杆长机构改变杆长关系，使第一连架杆I由上述的主动曲柄变位主动摇杆，使第二连架杆2由上述的从动摇杆并为从动曲柄，改变杆长之后，读出对应杆件的长度(上面标注有尺寸大小刻度)，然后通过在输入模块18 (本实施例中，输入模块18与显示模块9集成设置，位于同一物理结构位置)上输入对应的杆长长度，输入模块18与中央处理单元8信号连接，将输入数据导入中央处理单元8，中央处理单元8根据预设的公式对在在第一连架杆I为主动摇杆、第二连架杆2为从动曲柄状态下压力角的大小、传动角的大小进行实时计算，并将计算出的结构在显示模块9上显示，与此同时，位置传感器10对在第一连架杆I为主动摇杆、第二连架杆2为从动曲柄状态下与第一连架杆I的位置信息相关的摆动角度信号进行采集，并将采集到的信号传输至中央处理单元8，经中央处理单元8实时得出第一连架杆I作为摇杆的摆动角度，并将其在显示模块9上显示。其中，当中央处理单元8计算得出传动角为零时，判断此时为死点位置，由于机构在死点位置不能运动，为避免发生破坏，中央处理单元8将计算出的数值信号传给控制步进电机的电机控制单元(即单片机)，电机控制单元就可以控制电机，让电机在死点位置停下来。此外，显示模块9还可以显示电机速度等，只是这些参数是通过单独设置的传感器而不是通过计算得到的。
[0069]本实施例中，平面连杆机构还包括用于形成五杆结构的第三连架杆22，驱动部分还包括以可离合的方式与所述齿轮驱动副I的主动轴传动配合的齿轮驱动副II ;其中，齿轮驱动副II包括一啮合套24，通过啮合套使得齿轮驱动副II与所述齿轮驱动副I的主动轴以可离合的方式传动配合，啮合套与套在齿轮驱动副I的主动轴的中间齿轮25以可离合的方式传动连接，齿轮驱动副II的传动齿轮26与啮合套上的齿轮相啮合传动，另外，第三连架杆通过销钉23固定设置在箱体上，第三连架杆与第二连架杆2铰接；
[0070]为了阐释机构具有确定运动的条件，需参考五杆机构进行对比阐述，需要采用变化杆数的机构，变化杆数的机构的工作过程为:当变化杆数的机构销钉楔紧在箱体侧壁上时，第三连架杆(即第五杆)固定，此时为上述四杆机构；当销钉从侧壁上取下时，第五杆放松，此时为五杆机构；
[0071]五杆机构工作状态下，将各杆长关系变位曲柄摇杆机构的杆长，将销钉从侧壁上取下，此时机构为五杆机构，当啮合套分离时，只有一个原动件，五杆机构为不规则运动，当啮合套啮合时，有两个原动件，五杆机构为规则运动，通过二者对比，直观的阐释机构具有确定运动的条件。另外，考虑到五杆运动中可能出现干涉，采用传感器感应干涉的存在，并将信号传给中央处理单元8，中央处理单元8对步进电机发出控制信号，使步进电机停转，避免产生大的破坏。
[0072]本实施例中，第一连架杆1、第二连架杆2和连杆3上均设置有长度调节刻度。
[0073]本实施例中，位置传感器10为霍尔传感器，测速传感器11为转速传感器；其中，位置传感器10可为霍尔传感器，用于采集转动角度信号，测速传感器11为转速传感器，可为霍尔效应式转速传感器，用于测量第二连架杆2的圆周运动转速。
[0074]本发明还公开了一种平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，平面连杆机构至少包括第一连架杆、连杆和第二连架杆，演示控制方法包括:
[0075]当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系;
[0076]当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置。
[0077]进一步，当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系，包括:
[0078]采集该状态下平面连杆机构的极位参数，极位参数包括:第一连架杆去程时间、第一连架杆回程时间、第二连架杆去程速度和第二连架杆回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆的位置信息；
[0079]根据采集所得极位参数，计算得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数；
[0080]显示所得极位夹角值，并显示通过极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数的计算公式和结果。
[0081]进一步，当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置，包括:
[0082]输入在该状态下机构对应杆件实际长度；
[0083]采集该状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号；
[0084]根据所输杆件实际长度对第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下机构的压力角和传动角进行实时计算，并根据所采集摆动角度信号对主动摇杆摆动角度进行计算；
[0085]将所得压力角、传动角和主动摇杆摆动角度进行实时显示；
[0086]当计算传动角为零时，判断此时为死点位置，进行显示，并将控制信号传输至驱动电机控制单元控制电机停转。
[0087]进一步，采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下平面连杆机构的极位参数，包括:
[0088]由安装在所述第一连架杆上的位置传感器采集与第一连架杆的位置信息相关的转动角度信号；
[0089]由安装于所述第二连架杆的测速传感器采集第二连架杆的去程速度和回程速度；
[0090]由安装于箱体外壁上的数码管采集第一连架杆去程时间和第一连架杆回程时间，所述数码管包括:去程时间数码管和回程时间数码管；
[0091]采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号，包括:由安装于所述第一连架杆上的位置传感器采集与该状态下与第一连架杆的位置信息相关的摆动角度信号。
[0092]本发明的方法不但可以控制对以曲柄摇杆机构为例的四杆平面机构的急回特性、极限位置和急回特性与极限夹角的关系进行演示教学，还可对四杆机构的死点位置、传动角概念进行演示教学，使该教具的演示范围更加广泛，并具有综合系统性。
[0093]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种平面连杆机构复合型教具，其特征在于:包括箱体、平面连杆机构、驱动部分和演不控制系统； 所述平面连杆机构至少包括第一连架杆、第二连架杆和连杆，所述第一连架杆、第二连架杆和连杆均为长度可调结构； 所述驱动部分包括驱动电机和与驱动电机输出轴传动配合并用于驱动第一连架杆在平面内转动的齿轮驱动副I; 所述演示控制系统包括: 参数采集模块，至少用于采集第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时所述平面连杆机构的极位参数，所述极位参数包括:第一连架杆去程时间、第一连架杆回程时间、第二连架杆去程速度和第二连架杆回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆的位置信息； 中央处理单元，用于根据参数采集模块所得第一连架杆位置信息，得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数； 显示模块，用于显示所得极位夹角值，以及分别通过极位夹角和第二连架杆去程速度与回程速度之比得出行程速比系数的计算过程和结果。
2.根据权利要求1所述的平面连杆机构复合型教具，其特征在于:所述参数采集模块包括:位置传感器、测速传感器和数码管； 所述位置传感器安装在所述第一连架杆上，用于采集与第一连架杆的位置信息相关的转动角度信号； 所述测速传感器安装于所述第二连架杆，用于采集第二连架杆去程速度和回程速度； 所述数码管安装于所述箱体外壁，用于采集第一连架杆去程时间和第一连架杆回程时间，所述数码管包括:去程时间数码管和回程时间数码管。
3.根据权利要求2所述的平面连杆机构复合型教具，其特征在于:还包括:警示模块，用于提示机构已运动到极限位置，所述警示模块包括指示灯组和蜂鸣器，所述指示灯组包括用于警示去程极限位置的第一指示灯组和用于警示回程极限位置的第二指示灯组。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的平面连杆机构复合型教具，其特征在于:所述演示控制系统还包括: 输入模块，用于在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时输入对应杆件实际长度； 所述位置传感器，还用于在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时采集与第一连架杆位置信息相关的转动角度信号； 所述中央处理单元，还用于根据在第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时位置传感器所传输信号得出第一连架杆摆动角度，并在上述状态下根据所输杆件实际长度对机构的压力角和传动角进行实时计算，当传动角为零时，判断此时为死点位置，并将控制信号传输至驱动电机控制单元控制电机停转； 所述显示模块，还用于实时显示传动角值、压力角值和第一连架杆摆动角度值，并显示机构运动到连杆与第一连架杆共线时位置为死点位置。
5.根据权利要求4所述的平面连杆机构复合型教具，其特征在于:所述平面连杆机构还包括用于形成五杆结构的第三连架杆，所述驱动部分还包括以可离合的方式与所述齿轮驱动副I的主动轴传动配合的齿轮驱动副II。
6.根据权利要求5所述的平面连杆机构复合型教具，其特征在于:所述第一连架杆、所述第二连架杆和所述连杆上均设置有长度调节刻度； 所述位置传感器为霍尔传感器，所述测速传感器为转速传感器。
7.一种平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，其特征在于:所述平面连杆机构至少包括第一连架杆、连杆和第二连架杆，所述演示控制方法包括: 当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系; 当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置。
8.根据权利要求7所述的平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，其特征在于:所述当第一连架杆为主动曲柄、第二连架杆为从动摇杆时，对机构的极位参数进行采集，并处理极位参数进行显示，演示教学该状态下机构的急回特性和极限位置，以及两者的关系，包括: 采集该状态下平面连杆机构的极位参数，所述极位参数包括:第一连架杆去程时间、第一连架杆回程时间、第二连架杆去程速度和第二连架杆回程速度，以及机构运动到极限位置时第一连架杆的位置信息； 根据采集所得极位参数，计算得出机构极位夹角，并分别利用极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数； 显示所得极位夹角值，并显示通过极位夹角和第二连架杆的去程速度与回程速度之比得出行程速比系数的计算公式和结果。
9.根据权利要求8所述的平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，其特征在于:所述当第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄时，对机构的死点参数进行采集，并处理死点参数进行显示，演示教学该状态下机构的死点位置，包括: 输入在该状态下机构对应杆件实际长度； 采集该状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号； 根据所输杆件实际长度对第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下机构的压力角和传动角进行实时计算，并根据所采集摆动角度信号对主动摇杆摆动角度进行计算； 将所得压力角、传动角和主动摇杆摆动角度进行实时显示； 当计算传动角为零时，判断此时为死点位置，进行显示，并将控制信号传输至驱动电机控制单元控制电机停转。
10.根据权利要求9任一权利要求所述的平面连杆机构运动特性教具演示控制方法，其特征在于:所述采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下平面连杆机构的极位参数，包括: 由安装在所述第一连架杆上的位置传感器采集与第一连架杆的位置信息相关的转动角度信号； 由安装于所述第二连架杆的测速传感器采集第二连架杆的去程速度和回程速度； 由安装于箱体外壁上的数码管采集第一连架杆去程时间和第一连架杆回程时间，所述数码管包括:去程时间数码管和回程时间数码管； 所述采集第一连架杆为主动摇杆、第二连架杆为从动曲柄状态下与第一连架杆位置信息相关的摆动角度信号，包括:由安装于所述第一连架杆上的位置传感器采集与该状态下与第一连架杆的位置信息相关的摆动角度信号。
【文档编号】G09B25/02GK104200739SQ201410441172
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】胡启国, 侯楠, 向果, 秦锋 申请人:重庆交通大学