平面連桿機構復合型教具的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種平面連桿機構復合型教具，包括箱體、平面連桿機構、驅動部分和演示控制系統(tǒng)；平面連桿機構至少包括第一連架桿、第二連架桿和連桿；驅動部分包括驅動電機和與驅動電機輸出軸傳動配合的齒輪驅動副Ⅰ，以及以可離合的方式與齒輪驅動副Ⅰ的主動軸傳動配合的齒輪驅動副Ⅱ；演示控制系統(tǒng)包括：檢測裝置、中央處理單元和顯示裝置；在該教具教學中對平面連桿機構的急回特性、極限位置和急回特性與極位夾角的關系，以及平面連桿機構機構具有確定運動的條件進行直觀的闡述，可解決現有平面連桿教具對各個理論知識點分塊化現象嚴重的問題，具有相當高的系統(tǒng)性，是一款將多個知識層面統(tǒng)一成宏觀知識體系的復合型教具。
【專利說明】平面連桿機構復合型教具

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及教學教具領域，特別涉及一種平面連桿機構復合型教具。

【背景技術】
[0002]隨著國家對于機械行業(yè)人才綜合素質要求的提高，對高校機械類的課程，特別是機械原理、機械設計等基礎類課程的要求也在不斷提高。就目前機械原理的實驗教學模式來看，對于理論基礎知識的講解幾乎還處在空白狀態(tài)，尤其是實驗課教具還停留在傳統(tǒng)的“一物一模型”階段，這已經與當代大學生的學習習慣與思維習慣脫節(jié)，也與日益增長的對機械行業(yè)人才需求量的客觀現實相矛盾。
[0003]平面連桿機構是許多構建用低副連接組成的平面機構，最簡單的平面連桿機構是平面四桿機構，它是應用最廣泛的平面連桿機構，而且是組成多桿機構的基礎。平面四桿機構一般包括機架桿，機架桿一般固定不動，與機架桿直接連接的稱為第一連架桿和第二連架桿，兩連架桿通過不與機架桿直接相連的中間連桿連接。平面四桿機構根據曲柄的存在條件，可分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。以曲柄搖桿機構為例，其在運動過程中存在著極限位置、急回特性和死點位置等運動特性，并伴隨著產生極位夾角、壓力角、傳動角和行程速比系數等參數概念，而在實際教學中，未能妥善解決知識傳授與學生能力培養(yǎng)的關系，片面強調知識傳授，忽視了將知識內化為學生能力與素質。實驗教學中驗證型的實驗多，而探索型實驗少，實驗課并沒有讓同學走進理論知識內部，也并沒有激發(fā)起同學們對理論知識的探索欲望，沒有發(fā)揮實驗教學的應有的作用；同時實驗教學缺乏系統(tǒng)性，以上所述曲柄搖桿機構各個理論知識點分塊化現象嚴重，現有教具多為對知識點分別闡釋，如通過改變桿件長度對四桿機構曲柄存在條件的闡釋較常見，沒有一款涉獵多個知識層面并且將其統(tǒng)一成宏觀知識體系的復合教具，與此同時，實驗教學和其他實踐教學活動脫離，忽視了知識的整合及連貫性，各實踐環(huán)節(jié)之間相互獨立，在整個教學過程中沒有強調整體設計理念；而且，因為學時的限制，不能安排較多的時間讓學生集中、同步實驗。而傳統(tǒng)實驗因為組織方式因為受到實驗場地、實驗器材、實驗趣味性等多方面的約束而難以展開，加之同學們獲取知識途徑與習慣的變化，傳統(tǒng)單一型教具在機械原理實驗課上逐步退出教學舞臺。
實用新型內容
[0004]有鑒于此，本實用新型提供一種平面連桿機構復合型教具，使其至少可對平面連桿機構(以曲柄搖桿機構為例)的急回特性、極位夾角、極限位置和曲柄存在條件下四桿變化類型，以及急回特性與極位夾角的關系等理論知識點進行清晰的闡述，使學生對平面連桿機構知識點的整體連貫性有清楚的認識。
[0005]本實用新型的平面連桿機構復合型教具，包括箱體、平面連桿機構、驅動部分和演不控制系統(tǒng)；
[0006]平面連桿機構至少包括第一連架桿、第二連架桿和連桿，所述第一連架桿、第二連架桿和連桿均為長度可調結構；
[0007]驅動部分包括驅動電機和與驅動電機輸出軸傳動配合并用于驅動第一連架桿在平面內轉動的齒輪驅動副I;
[0008]演示控制系統(tǒng)包括:用于檢測兩推桿運動過程中產生的特性參數的檢測裝置、用于對檢測裝置檢測信號進行處理的中央處理單元和用于顯示中央處理單元處理結果的顯示裝置；檢測裝置與所述中央處理單元信號連接，中央處理單元信號輸出端與顯示裝置信號輸入端連接。
[0009]進一步，檢測裝置包括:位置傳感器、測速傳感器和數碼管；
[0010]位置傳感器安裝在第一連架桿上并用于采集與第一連架桿的位置信息相關的轉動角度信號；
[0011]測速傳感器安裝于第二連架桿并用于采集第二連架桿去程速度和回程速度；
[0012]數碼管安裝于箱體外壁，數碼管包括:用于采集第一連架桿去程時間的去程時間數碼管和用于采集第一連架桿回程時間的回程時間數碼管。
[0013]進一步，演示控制系統(tǒng)還包括用于提示機構已運動到極限位置的警示裝置，警示裝置包括指示燈組和蜂鳴器，指示燈組包括用于警示去程極限位置的第一指示燈組和用于警示回程極限位置的第二指示燈組，蜂鳴器和指示燈組均與中央處理單元信號連接。
[0014]進一步，演示控制系統(tǒng)還包括用于輸入對應桿件實際長度的輸入裝置，輸入裝置設置在所述箱體上。
[0015]進一步，平面連桿機構還包括用于形成五桿結構的第三連架桿；驅動部分還包括以可離合的方式與所述齒輪驅動副I的主動軸傳動配合的齒輪驅動副II。
[0016]進一步，第一連架桿、第二連架桿、連桿以及第三連架桿上均設置有長度調節(jié)刻度；
[0017]進一步，位置傳感器為霍爾傳感器，測速傳感器為轉速傳感器。
[0018]本實用新型的有益效果:本實用新型的平面連桿機構復合型教具，不但可以通過改變桿長直觀的了解平面四桿機構具有曲柄的條件和桿長關系決定四桿機構類型這一理論知識點，還可通過平面連桿機構和演示控制系統(tǒng)結合，在該教具教學中對平面連桿機構的急回特性、極限位置和急回特性與極位夾角的關系進行直觀的闡述，可解決現有平面連桿教具對各個理論知識點分塊化現象嚴重的問題，具有相當高的系統(tǒng)性，是一款具有多個知識層面并且將其統(tǒng)一成宏觀知識體系的復合型教具，具有較高的實用教學價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。
[0020]圖1為本實用新型的平面連桿機構復合型教具整體結構示意圖；
[0021]圖2為本實用新型的平面連桿機構復合型教具的驅動部分結構示意圖；
[0022]圖3為本實用新型的平面連桿機構復合型教具的演示控制系統(tǒng)的框架圖。

【具體實施方式】
[0023]如圖所示:本實施例的平面連桿機構復合型教具，包括箱體20、平面連桿機構、驅動部分和演示控制系統(tǒng)；
[0024]平面連桿機構至少包括第一連架桿1、第二連架桿2和連桿3，第一連架桿1、第二連架桿2和連桿3均為長度可調結構；長度可調結構使得第一連架桿1、連桿3和第二連架桿2均為可伸縮結構，即可為現有的雨傘伸縮桿結構，也可為其它現有伸縮結構，可通過按鈕21變化，通過改變各桿長間的數量關系，可以將四桿機構變成不同的類型:曲柄搖桿、雙曲柄或雙搖桿，通過觀察代表曲柄軌跡的LED燈顯示組(圖中為LED顯示組4和LED顯示組5)，直觀的觀察到不同的四桿機構時，各桿件的運動情況，同學可以直觀看到不同四桿機構的類型之間的區(qū)別，可以直觀理解桿長關系決定四桿機構類型這一知識點，例如，當一個運動過程結束后，按下變化桿長的機構的按鈕，將曲柄伸長，此次伸長將使桿長之間的關系不再滿足具有曲柄的條件，變?yōu)殡p搖桿機構，再次進行四桿機構的一個完整運動過程，此時可通過以連架桿與機架的鉸接點為圓心的LED顯示組(圖中為LED顯示組4和LED顯示組5)看出，主動搖桿不能轉一整圈，從動搖桿也不能轉一整圈，通過兩次對比，直觀地感知曲柄搖桿機構和雙搖桿機構的不同；其中，LED顯示組4是根據第一連架桿I的轉動速度逐次點亮的，LED顯示組5是根據第二連架桿的轉動速度逐次點亮的，均通過單片機進行控制；
[0025]驅動部分包括驅動電機6和與驅動電機輸出軸傳動配合并用于驅動第一連架桿I在平面內轉動的齒輪驅動副I ;齒輪驅動副I包括主動軸、主動齒輪7、從動軸和從動齒輪8，其中從動軸端部與第一連架桿I固定用于驅動，在本實用新型中，第一連架桿I作為主動件，由驅動電機6直接進行驅動，其中驅動電機6為步進電機；
[0026]演示控制系統(tǒng)包括:所述演示控制系統(tǒng)包括:用于檢測兩推桿運動過程中產生的特性參數的檢測裝置7、用于對檢測裝置7檢測信號進行處理的中央處理單元8和用于顯示中央處理單元8處理結果的顯示裝置9 ;所述檢測裝置與所述中央處理單元信號連接，所述中央處理單元信號輸出端與所述顯示裝置信號輸入端連接；
[0027]本實施例的演示系統(tǒng)可根據平面連桿機構的變化類型進行不同的演示操作，當第一連架桿I為主動曲柄、第二連架桿2為從動搖桿時，演示控制系統(tǒng)工作過程為:可通過檢測裝置7采集第一連架桿I為主動曲柄、第二連架桿2為從動搖桿時平面連桿機構的極位參數，極位參數包括:第一連架桿I去程時間、第一連架桿I回程時間、第二連架桿2去程速度和第二連架桿2回程速度，以及機構運動到極限位置時第一連架桿I的位置信息；中央處理單元8根據參數采集模塊7所得第一連架桿I位置信息，得出機構極位夾角，并分別利用極位夾角和第二連架桿2的去程速度與回程速度之比得出行程速比系數；顯示裝置9將所得極位夾角值、以及分別通過極位夾角和第二連架桿2去程速度與回程速度之比得出行程速比系數的計算過程和結果進行顯示；
[0028]當在第一連架桿I為主動搖桿、第二連架桿2為從動曲柄時，演示控制系統(tǒng)的工作過程為:通過檢測裝置采集與第一連架桿I位置信息相關的轉動角度信號，再由中央處理單元根據在第一連架桿I為主動搖桿、第二連架桿2為從動曲柄時檢測裝置所傳輸信號得出第一連架桿I擺動角度，并在上述狀態(tài)下根據所輸桿件實際長度對機構的壓力角和傳動角進行實時計算，當傳動角為零時，判斷此時為死點位置，并將控制信號傳輸至驅動電機控制單元19控制電機停轉，最好，顯示裝置9，還用于實時顯示傳動角值、壓力角值和第一連架桿I擺動角度值，并顯示機構運動到連桿3與第一連架桿I共線時位置為死點位置；
[0029]以上演示控制系統(tǒng)的檢測裝置、中央處理單元和顯示裝置均為硬件裝置，之間所實現的信號連接方式。信號處理和信號判斷通過現有的很基本的方式均可實現，即使其涉及到軟件程序也均為現有技術，在此不再贅述。
[0030]本實施例中，檢測裝置7包括:位置傳感器10、測速傳感器11和數碼管；
[0031]位置傳感器10安裝在第一連架桿I上并用于采集與第一連架桿I的位置信息相關的轉動角度信號；
[0032]測速傳感器11安裝于第二連架桿上并用于采集第二連架桿2去程速度和回程速度；
[0033]數碼管安裝于箱體外壁并與中央處理單元連接，用于采集第一連架桿I去程時間和第一連架桿I回程時間，數碼管包括:用于采集第一連架桿I去程時間的去程時間數碼管12和用于采集第一連架桿I回程時間的回程時間數碼管13。
[0034]本實施例中，所述演示控制系統(tǒng)還包括用于提示機構已運動到極限位置的警示裝置14，所述警示裝置14包括指示燈組和蜂鳴器15，所述指示燈組包括用于警示去程極限位置的第一指示燈組16和用于警示回程極限位置的第二指示燈組17，所述蜂鳴器和所述指示燈組均與所述中央處理單元信號連接；第一指示燈組16和第二指示燈組17的燈均是嵌在箱板上，每組指示燈組的燈均是同時被點亮，以第一指示燈組16為例進行說明，在驅動第一連架桿的轉軸上圓周方向固定設置一個同步轉動的齒輪，在該齒輪上設置有磁性元件，該磁性元件隨該齒輪轉動，當轉動到位置傳感器為去程極限位置時便發(fā)出信號，此時實際上是第一連架桿作為曲柄與連桿第一次共線時，也是回程數碼管開始計時的時刻，此時單片機執(zhí)行中斷程序，并發(fā)出控制信號點亮第一指示燈組，蜂鳴器鳴叫，回程時間數碼管開始計時，第二指示燈組實現方式同第一指示燈組。
[0035]本教具在使用時，當第一連架桿I作為曲柄開始運動時，去程時間數碼管12接收中央處理單元8傳來的控制信號，開始進入工作狀態(tài)，精確的記錄此時第一連架桿I的去程時間，當第一個極限位置到來時，與該極限位置重合的第一指示燈組16接收控制信號，進行閃爍，同時，蜂鳴器15接收控制信號，發(fā)出聲音，提醒極限位置的到來，兩者結合，醒目的表現出極限位置的位置。第一個極限位置到來的同時，去程數碼管停止計時，回程數碼管開始計時，記錄回程時間，第一連架桿I繼續(xù)運動，當到達第二個極限位置時，回程數碼管停止計時，精確的記錄第一連架桿I作為曲柄的回程時間，此時與第二機械位置重合的第二指示燈組17接收控制信號，進行閃爍，同時蜂鳴器15接收控制信號，發(fā)出聲音，提醒極限位置到來。通過將兩個數碼管上記錄的時間進行對比，直觀的闡釋平面連桿機構急回特性的存在和極位夾角的定乂；
[0036]另外，在第一連架桿I作為主動曲柄運動過程中，通過測速傳感器11記錄第二連架桿2的去程速度和回程速度的速度信號，測速傳感器11將信號同步反饋至中央處理單元8，并在中央處理單元8內用速度之比的方法對行程速比系數K進行計算，然后利用顯示裝置將計算公式及結果顯示出來，與此同時，當四桿機構運動達到極限位置時，由位置傳感器10采集到第一連架桿I作為曲柄的位置信息(該處位置信息實際是指第一連架桿I轉動角度信號)，并將轉動角度信號反饋給中央處理單元8，通過中央處理單元8計算出極位夾角，并利用極位夾角的公司計算出行程速比關系K，并將此過程的公司及結果顯示在顯示模塊9上，將經過速度之比得出的行程速比系數與經過極位夾角得出的行程速比系數進行對t匕，直觀的闡釋平面連桿機構急回特性與極位夾角的關系。
[0037]本實施例中，演示控制系統(tǒng)還包括用于輸入對應桿件實際長度的輸入裝置18，所述輸入裝置設置在所述箱體上；
[0038]在本實施例中，因為死點的存在需要搖桿作為主動件，為了使傳動系統(tǒng)簡單，利用變化桿長機構改變桿長關系，使第一連架桿I由上述的主動曲柄變位主動搖桿，使第二連架桿2由上述的從動搖桿并為從動曲柄，改變桿長之后，讀出對應桿件的長度(上面標注有尺寸大小刻度)，然后通過在輸入裝置18 (本實施例中，輸入裝置18與顯示裝置9集成設置，位于同一物理結構位置)上輸入對應的桿長長度，輸入裝置18與中央處理單元8信號連接，將輸入數據導入中央處理單元8，中央處理單元8對在在第一連架桿I為主動搖桿、第二連架桿2為從動曲柄狀態(tài)下壓力角的大小、傳動角的大小進行實時處理，并將處理出的結構在顯示裝置9上顯示，與此同時，位置傳感器10對在第一連架桿I為主動搖桿、第二連架桿2為從動曲柄狀態(tài)下與第一連架桿I的位置信息相關的擺動角度信號進行采集，并將采集到的信號傳輸至中央處理單元8，經中央處理單元8實時得出第一連架桿I作為搖桿的擺動角度，并將其在顯示裝置9上顯示。其中，當中央處理單元8計算得出傳動角為零時，判斷此時為死點位置，由于機構在死點位置不能運動，為避免發(fā)生破壞，中央處理單元8將計算出的數值信號傳給控制步進電機的電機控制單元(即單片機)，電機控制單元就可以控制電機，讓電機在死點位置停下來。此外，顯示裝置9還可以顯示電機速度等，只是這些參數時通過單獨設置的傳感器而不是通過處理得到的。
[0039]本實施例中，平面連桿機構還包括用于形成五桿結構的第三連架桿22，驅動部分還包括以可離合的方式與所述齒輪驅動副I的主動軸傳動配合的齒輪驅動副II ;其中，齒輪驅動副II包括一嚙合套24，通過嚙合套使得齒輪驅動副II與所述齒輪驅動副I的主動軸以可離合的方式傳動配合，嚙合套與套在齒輪驅動副I的主動軸的中間齒輪25以可離合的方式傳動連接，齒輪驅動副II的傳動齒輪26與嚙合套上的齒輪相嚙合傳動，另外，第三連架桿通過銷釘23固定設置在箱體上，第三連架桿與第二連架桿2鉸接；
[0040]為了闡釋機構具有確定運動的條件，需參考五桿機構進行對比闡述，需要采用變化桿數的機構，變化桿數的機構的工作過程為:當變化桿數的機構銷釘楔緊在箱體側壁上時，第三連架桿(即第五桿)固定，此時為上述四桿機構；當銷釘從側壁上取下時，第五桿放松，此時為五桿機構；
[0041]五桿機構工作狀態(tài)下，將各桿長關系變位曲柄搖桿機構的桿長，將銷釘從側壁上取下，此時機構為五桿機構，當嚙合套分離時，只有一個原動件，五桿機構為不規(guī)則運動，當嚙合套嚙合時，有兩個原動件，五桿機構為規(guī)則運動，通過二者對比，直觀的闡釋機構具有確定運動的條件。另外，考慮到五桿運動中可能出現干涉，采用傳感器感應干涉的存在，并將信號傳給中央處理單元8，中央處理單元8對步進電機發(fā)出控制信號，使步進電機停轉，避免產生大的破壞。
[0042]本實施例中，第一連架桿1、第二連架桿2、連桿3和第三連架桿上均設置有長度調節(jié)刻度。
[0043]本實施例中，位置傳感器10為霍爾傳感器，測速傳感器11為轉速傳感器；其中，位置傳感器10可為霍爾傳感器，用于采集轉動角度信號，測速傳感器11為轉速傳感器，可為霍爾效應式轉速傳感器，用于測量第二連架桿2的圓周運動轉速。
[0044]本實用新型的方法不但可以控制對以曲柄搖桿機構為例的四桿平面機構的急回特性、極限位置和急回特性與極限夾角的關系進行演示教學，還可對四桿機構的死點位置、傳動角概念進行演示教學，使該教具的演示范圍更加廣泛，并具有綜合系統(tǒng)性。
[0045]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種平面連桿機構復合型教具，其特征在于:包括箱體、平面連桿機構、驅動部分和演不控制系統(tǒng)； 所述平面連桿機構至少包括第一連架桿、第二連架桿和連桿，所述第一連架桿、第二連架桿和連桿均為長度可調結構； 所述驅動部分包括驅動電機和與驅動電機輸出軸傳動配合并用于驅動第一連架桿在平面內轉動的齒輪驅動副I; 所述演示控制系統(tǒng)包括:用于檢測兩推桿運動過程中產生的特性參數的檢測裝置、用于對檢測裝置檢測信號進行處理的中央處理單元和用于顯示中央處理單元處理結果的顯示裝置；所述檢測裝置與所述中央處理單元信號連接，所述中央處理單元信號輸出端與所述顯示裝置信號輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述檢測裝置包括:位置傳感器、測速傳感器和數碼管； 所述位置傳感器安裝在所述第一連架桿上并用于采集與第一連架桿的位置信息相關的轉動角度信號； 所述測速傳感器安裝于所述第二連架桿并用于采集第二連架桿去程速度和回程速度； 所述數碼管安裝于所述箱體外壁并與中央處理單元連接，所述數碼管包括:用于采集第一連架桿去程時間的去程時間數碼管和用于采集第一連架桿回程時間的回程時間數碼管。
3.根據權利要求1所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述演示控制系統(tǒng)還包括用于提示機構已運動到極限位置的警示裝置，所述警示裝置包括指示燈組和蜂鳴器，所述指示燈組包括用于警示去程極限位置的第一指示燈組和用于警示回程極限位置的第二指示燈組，所述蜂鳴器和所述指示燈組均與所述中央處理單元信號連接。
4.根據權利要求1所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述演示控制系統(tǒng)還包括用于輸入對應桿件實際長度的輸入裝置，所述輸入裝置設置在所述箱體上。
5.根據權利要求1所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述平面連桿機構還包括用于形成五桿結構的第三連架桿；所述驅動部分還包括以可離合的方式與所述齒輪驅動副I的主動軸傳動配合的齒輪驅動副II。
6.根據權利要求5所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述第一連架桿、所述第二連架桿、所述連桿和所述第三連架桿上均設置有長度調節(jié)刻度。
7.根據權利要求2所述的平面連桿機構復合型教具，其特征在于:所述位置傳感器為霍爾傳感器，所述測速傳感器為轉速傳感器。
【文檔編號】G09B25/02GK204215650SQ201420500431
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】胡啟國, 侯楠, 向果, 秦鋒 申請人:重慶交通大學