一种多功能椭圆圆规的制作方法

本发明涉及一种绘图工具，尤其是涉及一种能绘制椭圆的多功能圆规。

背景技术：

椭圆，是高中学生必须理解和掌握的一种几何图形，椭圆形在生产生活中也有着广泛的表现和应用，为了学习或表达或应用椭圆的性质，在学习和生产生活的过程中常常需要绘制椭圆。当前绘制椭圆的方法主要有两种：一种是尺规四心法绘制椭圆；另一种是利用“椭圆是平面上到两个固定点的距离之和是同一个常数的轨迹”这一定义，进行两焦点焦距尺规作图法绘制椭圆。其中，尺规四心法绘制椭圆绘图步骤繁多；两焦点焦距尺规作图法绘图前必须先确定椭圆的焦点与焦距。

经检索，现有的国家知识产权局专利局官方网站公布了总共11种椭圆圆规的曾有专利记录(包括发明和实用新型两类)，通过逐一浏览，上述专利采用的绘制椭圆的原理全部是采用“椭圆是平面上到两个固定点的距离之和是同一个常数的轨迹”的原理进行的构思及改进变化，发明的产品普遍部件繁多结构复杂。此外，在网络上还搜索到了一种借助正交十字滑槽绘制椭圆的专用椭圆圆规，这种椭圆圆规结构相对简单些，但是只能绘制长轴和短轴大于十字滑槽底座的椭圆，而且只能绘制椭圆功能单一。

技术实现要素：

为了解决尺规四心法绘制椭圆步骤繁多，两焦点焦距尺规作图法的椭圆圆规部件繁多构造复杂以及专用的椭圆圆规有局限性且功能单一的缺点，本发明提供一种原理迥异、结构简单的多功能椭圆圆规。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种多功能椭圆圆规，主要由圆规分叉、中空的绘图支脚、弹簧、绘图笔、旋转支脚、原点支脚、偏移支脚及紧固螺栓等部件组成，其特征为：圆规分叉的两侧分别是中空的绘图支脚和旋转支脚；中空的绘图支脚内装有弹簧，绘图笔装在弹簧末端的绘图支脚中空内，绘图笔可以伸缩且绘图笔尖外露；圆规分叉的另一侧是旋转支脚，旋转支脚另外一端是原点支脚，旋转支脚与原点支脚中心线重合并可以360°圆周旋转；偏移支脚附着于原点支脚上，在绘制椭圆之前，偏移支脚的中心线在原点支脚中心线和椭圆长轴确定的平面内，并可以在一定角度范围内旋转后固定。

进一步地，增加一个稳定支脚，其特征是：稳定支脚也附着于原点支脚上，稳定支脚尖端可以在垂直于原点支脚中心线和椭圆长轴确定平面的平面内旋转调节，在绘制椭圆时用以保持偏移支脚中心线和原点支脚中心线确定的平面与绘图面垂直。

根据高中数学知识：用一个不平行于圆锥底面而倾斜于轴线，但斜角大于半锥角的平面去截圆锥，截取后的图形就是一个椭圆。经过推理，截取后椭圆长轴和短轴的交点并非平面与圆锥轴线的交点，而是沿着椭圆的长轴方向发生了偏移，偏移的距离等于长轴和短轴之间差值的二分之一。

因此，在本发明绘制椭圆时：绘图面相当于去截取圆锥的平面；可旋转支脚和原点支脚的中心线重合相当于圆锥的轴线；偏移支脚尖端与原点支脚尖端之间的距离相当于截取平面和圆锥轴线的交点与椭圆长短轴交点之间的偏移量；绘图支脚的旋转中心，是一个在垂直于绘图面的平面内，但是以固定角度倾斜(不垂直于绘图面)的中心线；绘图笔尖与旋转中心轴线之间的距离，是一个周期性连续逐渐变化的变量。于是，绘图笔尖沿旋转中心线转动一周记录的轨迹，就是一个根据长轴和短轴确定的椭圆。

本发明的用途是可以调节的。调节并保持旋转支点与笔尖的距离保持不变，本发明就是一种普通的绘图圆规；调节旋转中心线与笔尖的距离呈周期性连续渐变的进程时，本发明就是一种绘制椭圆的椭圆圆规。

本发明的有益效果是：既可以作为普通圆规使用，也可以绘制椭圆，绘制椭圆时也不需要先确定椭圆的焦点与焦距，为人们的学习和生产生活提供了一种结构简单、操作方便、实用性强的多功能绘图圆规。

附图说明

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的正视剖面示意图。

图2是本发明在绘制椭圆时的形态示意图。

图3是本发明中偏移支脚和原点支脚的一种实施例的剖面结构示意图。

图4是本发明的绘图原理说明示意图。

图中：1.圆规分叉，2.弹簧，3.绘图支脚，4.绘图支脚紧固螺栓，5.绘图笔，6.旋转支脚，7.旋转支脚紧固螺栓，8.旋转支脚凸轴，9.稳定支脚旋转轴，10.偏移支脚旋转轴，11.稳定支脚调节螺栓，12.偏移支脚调节螺栓，13.偏移支脚，14.原点支脚，15.稳定支脚。

图1中，圆规分叉(1)一侧是绘图支脚(3)，绘图支脚是中空的，中空内装有弹簧(2)；绘图笔(5)紧贴弹簧末端置入绘图支脚的中空内，笔尖始终露出绘图支脚外，当绘图支脚紧固螺栓(4)锁紧时，绘图笔不能在绘图支脚的中空内滑动；松开绘图支脚紧固螺栓，绘图笔可以在绘图支脚的中空内滑动，压缩弹簧后回缩或是在弹簧弹力作用下伸长。

圆规分叉的另一侧是旋转支脚(6)，旋转支脚上有旋转支脚凸轴(8)与原点支脚(14)契合，以保持旋转支脚与原点支脚中心线始终重合；原点支脚与旋转支脚之间能否圆周转动通过旋转支脚紧固螺栓(7)确定，松开旋转支脚紧固螺栓时旋转支脚可以绕原点支脚圆周旋转，锁紧旋转支脚紧固螺栓后旋转支脚不能绕原点支脚转动；偏移支脚(13)附着于原点支脚(14)上，偏移支脚尖端超出原点支脚尖端，调节偏移支脚调节螺栓(12)，偏移支脚尖端可以绕着偏移支脚旋转轴(10)、在原点支脚中心线和图中绘图支脚中心线确定的平面内朝着图中远离绘图笔尖的方向旋转；稳定支脚(15)也附着于原点支脚上，调节稳定支脚调节螺栓(11)，稳定支脚尖端可以绕着稳定支脚旋转轴(9)，在垂直于原点支脚中心线和图中绘图支脚中心线确定平面的平面内旋转；偏移支脚的旋转和稳定支脚的旋转互不影响。

稳定支脚(15)的作用是保持偏移支脚中心线和原点支脚中心线确定的平面与绘图面垂直，并非本发明中必不可少的部件，在没有稳定支脚的实施例中，只要操作者尽量保持偏移支脚中心线和原点支脚中心线确定的平面与绘图面垂直，并操纵旋转支脚、圆规分叉和绘图支脚同时绕原点支脚的中心线旋转一周，同样可以绘制出正确的椭圆图形。

图2中，绘图支脚紧固螺栓(4)和旋转支脚紧固螺栓(7)都处于松开的状态，绘图笔可以在绘图支脚的中空内滑动，旋转支脚可以绕着原点支脚圆周旋转；稳定支脚尖端旋转到点f后稳定支脚调节螺栓(11)锁固，偏移支脚尖端旋转到点o后偏移支脚调节螺栓(12)锁固，此时，原点支脚尖端、偏移支脚尖端和稳定支脚尖端在绘图面构成了一个三角形oef，在旋转支脚以下的部分形成了一个稳定的立体结构，偏移支脚中心线和原点支脚中心线确定的平面始终垂直于绘图面。

图3中，偏移支脚(13)尖端以上的部分将原点支脚(14)的一部分夹持以保证偏移支脚和原点支脚的中心线在图示的状态下重合。这样，调节偏移支脚调节螺栓(12)，偏移支脚尖端可以在保持偏移支脚中心线与原点支脚中心线确定的平面垂直于绘图面的状态下，绕偏移支脚旋转轴(10)圆周旋转偏移一定角度后固定。

图4是本发明用于绘制椭圆时的实施原理示意图。如图中所示：用一个不平行于圆锥底面，斜角大于半锥角的平面去截取一个圆锥，形成一个长轴为ab，短轴为mn的椭圆，ab与mn正交于点o，平面与圆锥轴线的交点为e。在椭圆平面内以o点为中心，半径om做圆交ob于点c，d为圆锥中心线上椭圆平面之上的任意一点，则三角形ode所在的平面垂直于椭圆平面，cb与oe等长。因此，本发明中以旋转支脚、圆规分叉、绘图支脚与绘图笔作为一个整体的结构，以绘图笔笔尖到旋转中心线的距离为周期性连续渐变的变量，围绕原点支脚的中心线de旋转一周，绘图笔笔尖记录的轨迹就是一个长轴为ab，短轴为mn的椭圆。

具体实施方式

结合图1，以实施例配置有稳定支脚为例，本发明在作为普通圆规使用时的操作步骤为：紧固原点支脚(14)与旋转支脚(6)之间的旋转支脚紧固螺栓(7)使原点支脚与旋转支脚不能旋转位移；锁紧偏移支脚调节螺栓(12)和稳定支脚调节螺栓(11)，保持偏移支脚与原点支脚之间和稳定支脚与原点支脚之间不动；将绘图笔(5)压缩进绘画支脚中空内至笔尖与稳定支脚尖端大致平齐后，紧固绘画支脚上的绘画支脚紧固螺栓(4)使绘图笔不能在绘画支脚内滑动；然后调节稳定支脚尖端与笔尖之间的距离为指定的圆的半径，以稳定支脚尖端为圆心，转动圆规分叉，就可以绘制出符合要求的圆。

本发明在作为椭圆圆规使用时，已知一个椭圆的长轴和短轴分别为a和b，，结合图2与图3，调节及绘图的过程如下：

首先，在绘图面做一条长度等于椭圆长轴的线段ab，标记长轴的中点o，在ob上截取oe＝1/2(a-b)并标记点e(利用本发明绘制椭圆时，绘图之前无需确定短轴mn，如果提前绘制短轴mn，则是以验证绘制的椭圆是否是已知条件设定的椭圆为目的)。

然后取出圆规，旋松绘图支脚紧固螺栓(4)使绘图笔(5)可以在绘图支脚(3)的中空内滑动；旋松稳定支脚调节螺栓(11)和偏移支脚调节螺栓(12)，使偏移支脚尖端对准点o，原点支脚尖端对准点e，紧固偏移支脚调节螺栓；调整稳定支脚(15)与绘图面之间的角度使偏移支脚(13)和原点支脚(14)构成的平面与绘图面保持垂直，稳定支脚尖端与绘图面的接触点为点f，之后紧固稳定支脚调节螺栓。

紧接着松开旋转支脚紧固螺栓(7)使旋转支脚(6)可以绕原点支脚中心线转动，之后从圆规分叉(1)处调节绘画笔笔尖轻触至点a处(如果调节笔尖至点b处，则需要施加一定压力使弹簧收缩绘画笔回缩至点b处)，然后以旋转支脚、圆规分叉、绘图支脚与绘图笔作为一个整体的结构围绕原点支脚的中心线旋转一周，绘图笔笔尖在绘图面上留下的轨迹即为一个长轴和短轴分别为a和b的椭圆。绘图之前无需计算椭圆的焦点与焦距。

本发明在绘制椭圆时，绘图笔笔尖到旋转中心线的距离是渐变的。以椭圆长轴两端顶点a和b到圆锥轴线的距离ak和bl为例，ak和bl的长度不等，但是从a点到b点的轨迹到圆锥轴线是一个连续渐变的增减过程，而绘图过程中弹簧弹性变形促使绘图笔笔尖伸缩，与原点支脚(圆锥轴线)的距离也是一个连续渐变的增减过程。因此，本发明利用笔尖伸缩产生的增量模拟了椭圆轨迹与圆锥轴线之间距离的变化过程。

特别声明：以上列举的实施例和实施方式仅用于说明与解释本发明，并不用于限定本发明的权利要求范围以及具体实施形式与实施步骤细节，本发明的保护范围应当以权利要求书限定的范围为准。