技术领域
[0001] 本
发明涉及到教学辅助设备技术领域，尤其涉及到一种凸轮从动件运动分析平台。
背景技术
[0002] 凸轮机构基本特点在于只要作出适当的凸轮轮廓，就能使从动件实现各种复杂的运动(包括直线、摆动、等速和不等速运动)，且结构简单紧凑，占据空间小，设计比较方便。近年来，随计算机和数控加工技术的应用，凸轮制造和凸轮机构的设计有了革命性的变化，凸轮机构越来越多，应用越来越广，已经成为一种重要的传动机构。与此同时，我国无论是在凸轮机构的理论和应用研究方面还是在凸轮机构的产品开发和制造方面都已经获得了巨大进步。尽管在理论研究方面我国已经达到了世界先进
水平，但是在凸轮制造方面，与发达国家相比，我国还是有一定的差距，主要原因是凸轮轮廓是曲线加工困难，我国机械制造业的总体水平不高。因而凸轮的教学显得尤为重要。
[0003] 在凸轮机构的教学中，从理论上讲解，它的动作比较抽象，学生们在上课时无法真实清晰地看到它的运动轨迹，只能根据已有的知识和思维来抽象地描绘其规律。现有的凸轮机构的设计有两种方法：
解析法和图解法。解析法虽然可以进行精确的设计，准确地计算出凸轮轮廓线上各点的径向尺寸，但很不直观，对于数学不好的学生学起来特别是难。而图解法虽然直观性强，容易为学生所接受，但作图误差较大，只适用于对从动件要求不太严格的地方。对于
精度要求较高的凸轮，图解法则不太合适。所述在教学中凸轮机构的传动成了重点和难点。
[0004] 通过
专利检索，存在以下已知的
现有技术方案：
[0005] 专利1：
[0006]
申请号：201420287189.2，申请日：2014-05-30，公开公告日：2014-10-01，该发明属于教学用具技术领域，公开了一种多
自由度凸轮教学装置，包括
底板、
支架、
输入轴，通过多个特定
齿轮间的传动组成了多自由度凸轮教学装置，可实际演示尖顶
推杆、平底推杆、摆杆作用于凸轮上生成行程曲线的过程。通过手动方式可随时中止绘制行程曲线并进行曲线分析；可改变偏心距对比多条曲线的差异及产生原因，操作自由、灵活；本装置还能通过行程曲线绘制凸轮，了解凸轮的生成过程，使学生能更直观理解反转法设计凸轮的原理。本装置既能作为课堂教学演示又能作为学生实验设备；不仅能提高学生动手操作能
力，还能随时分析凸轮和行程曲线的对应关系，提高学生学习兴趣。
[0007] 专利2：
[0008] 申请号：201420195809.X，申请日：2014-04-21，公开公告日：2014-10-29，该发明提供一种凸轮教学装置，包括
基板、执行模
块以及
加速度模块。执行模块包括
固定板、第一传动件、画板、凸轮、光杆、推动件以及第一画笔。固定板可活动式固定于基板。第一传动件带动凸轮以及画板运动，凸轮和画板运动过程中与推动件相
接触带动推动件上下运动，推动件的运动带动第一画笔运动，从而绘制出凸轮的运动曲线。相反的，根据凸轮的运动曲线，推动件在画板上绘制凸轮的轮廓线。加速度模块包括平板、控制
电路、第二传动件、第二画笔架以及第二画笔。平板可活动式固定于基板。控制电路实时检测光杆的运动速度，并将该检测控制第二传动件，从而带动第二画笔绘制出凸轮的加
速度曲线。
[0009] 通过以上检索发现，以上技术方案不能影响本发明的新颖性；并且以上专利文件的相互组合不能破坏本发明的创造性。
发明内容
[0010] 本发明的目的是针对以上问题，提供一种凸轮从动件运动分析平台，此套机构直观地展示凸轮从动件运动规律的绘制过程，加深学生对机械结构以及凸轮的了解，激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，发展学生创新思维，有效提高教学
质量和效率，教学意义深远。
[0011] 为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种凸轮从动件运动分析平台，它包括设置在总支架上端的凸轮转换杆组机构，下端的走纸机构，侧边的传动机构，其特征在于，
[0012] 所述总支架包括对称设置的两块外
挡板(1)及其中间连接的固定杆(18)、辅助杆(19)、走笔杆(20)；
[0013] 所述走纸机构包括水平设置在外挡板(1)之间的走纸垫板(2)；所述走纸垫板(2)上下两面均匀对称设置有走纸轴(23)，走纸轴(23)上均匀设置有走纸轮(22)；所述走纸轮(22)上下对称咬合在走纸轮孔(27)内；
[0014] 所述传动机构包括设置在总支架底部与
电机(8)连接的齿轮减速箱(9)；所述齿轮减速箱(9)连接有悬臂轴(10)；所述悬臂轴(10)通过
锥齿轮传动机构(13)与
凸轮轴(14)连接；所述凸轮轴(14)上沿轴向均匀设置有三个凸轮(15)；所述悬臂轴(10)通过
同步带轮机构(12)与走纸轴(23)连接；
[0015] 所述凸轮转换杆组机构包括设置在两块外挡板(1)之间的伸缩杆(16)；所述伸缩杆(16)上铰接有摆杆(21)；所述摆杆(21)之间通过铰接方式相互连接成X形状，所述摆杆(21)之间的铰接点通过直线
轴承分别与固定杆(17)、活动杆(18)滑动连接；所述伸缩杆(16)一端分别抵在相应的凸轮(15)外圆周上，另一端与外挡板(1)之间设置有复位
弹簧(25)；所述走笔杆(20)上通过直
线轴承连接有笔套(24)；所述笔套(24)与摆杆(21)铰接；所述笔套(24)内设置有绘图笔。
[0016] 进一步的，所述的一侧外挡板(1)内侧设置有减速箱板(3)；所述减速箱板(3)四个
角通过
连接杆(5)与一侧外挡板(1)连接构成减速箱安装空间；所述齿轮减速箱(9)设置在减速箱安装空间内；所述减速箱板(3)与另一侧外挡板(1)之间设置有电机固定板(4)；所述电机固定板(4)上设置有电机(8)。
[0017] 进一步的，所述走纸轴(23)两端通过
滚珠轴承固定在外挡板(1)上。
[0018] 进一步的，所述伸缩杆(16)两端通过直线轴承固定在外挡板(1)上。
[0019] 进一步的，所述的三个凸轮(15)均以凸轮轴(14)为圆心，朝同一方向旋转偏离一定角度；所述凸轮(15)之间偏离角度相同。
[0020] 进一步的，所述悬臂轴(10)通过固定架(6)固定；所述凸轮轴(14)通过上下两片固定悬板(7)固定；所述固定悬板(7)、固定架(6)均设置在外档板(1)外侧。
[0021] 进一步的，所述外挡板(1)上设置有水平方向的长条形腰型孔(26)；所述活动杆(17)两端处于腰型孔(26)内；
[0022] 进一步的，所述笔套(24)包括笔套一(41)、笔套二(42)、笔套三(43)；所述伸缩杆(16)包括伸缩杆一(61)、伸缩杆二(62)、伸缩杆三(63)；所述摆杆(21)包括摆杆一(31)、摆杆二(32)、摆杆三(33)、摆杆四(34)、摆杆五(35)、摆杆六(36)、摆杆七(37)、摆杆八(38)；所述摆杆一(31)末端与摆杆二(32)中端、摆杆四(34)末端铰接在固定杆(18)同一点，中端与摆杆六(36)中端铰接在活动杆(17)同一点，前端与笔套一(41)铰接；所述摆杆二(32)前端与笔套二(42)铰接，末端铰接在固定杆(18)上；所述摆杆三(33)前端与笔套三(43)铰接，后端铰接在固定杆(18)上，中端与摆杆四(34)前端铰接在伸缩杆一(61)同一点；所述摆杆四(34)中端与摆杆五(35)中端铰接在活动杆(17)同一点；所述摆杆五(35)前端与摆杆七(37)前端铰接在伸缩杆二(62)同一点，末端铰接在固定杆(18)上；所述摆杆六(36)前端铰接在辅助杆(19)上，末端与摆杆七(37)末端铰接在固定杆(18)同一点；所述摆杆七(37)中端与摆杆八(38)铰接在活动杆(17)同一点；所述摆杆八(38)前端铰接在伸缩杆(63)上，末端铰接在固定杆(18)上。
[0023] 进一步的，所述伸缩杆(16)与凸轮(15)外圆周接触的一端，末端处设置有微型轴承(30)。
[0024] 进一步的，所述外挡板(1)、减速箱板(3)、走纸垫板(2)、电机固定板(4)均为有机玻璃。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] 1、本发明中采用了多种机械传动机构，包括直齿圆柱齿轮机构，锥齿轮机构，同步带传动，凸轮机构，杠杆机构，摩擦轮机构，通过多种机械传动结构结合来体现机械原理知识，并安装在透明的有机玻璃板上，一目了然，大大提高学生对机械传动知识的学习兴趣，提高学生对机械原理的理解。
[0027] 2、本发明利用弦线法结合相似三角形原理，通过杠杆机构实现连续准确地画出凸轮的位移图、速度图、加速度图；凭借该装置，我们可以清晰地分析凸轮在各个时刻，各个状态下的运动情况，更加方便教学，促进并发散学生思维，使整个教学过程更引人入胜，提高学生的学习兴趣，提高教学质量。
[0028] 3、本发明结构简单稳定，轻便，制造成本低，合适大批量生产，实用性强。
附图说明
[0029] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0030] 图2为本发明的后部的结构示意图。
[0031] 图3为本发明的正视图。
[0032] 图4为本发明中凸轮转换杆组机构结构示意图。
[0033] 图5为本发明中凸轮转换杆组机构的局部结构示意图。
[0034] 图6为本发明中凸轮转换杆组机构的剖视结构示意图。
[0035] 图7为本发明中凸轮与伸缩杆的结构关系示意图。
[0036] 图8为图1中局部A的扩大图。
[0037] 图9为本发明通过走纸绘制出凸轮位移、速度、加速度的示意图。
[0038] 图中所示数字标注表示为：1、外挡板，2、走纸垫板，3、减速箱板，4、电机固定板，5、连接杆，6、固定架，7、固定悬板，8、电机，9、齿轮减速箱，10、悬臂轴，11、二级
直齿轮减速机构，12、，同步带轮机构，13、锥
齿轮传动机构，14、凸轮轴，15、凸轮，16、伸缩杆，17、活动杆，18、固定杆，19、辅助杆，20、走笔杆，21、摆杆，22、走纸轮，23、走纸轴，24、笔套，25、
复位弹簧，26、腰型孔，27、走纸轮孔，28、从动轴，29、走纸，30、微型轴承，31、摆杆一，32、摆杆二，
33、摆杆三，34、摆杆四，35、摆杆五，36、摆杆六，37、摆杆七，38、摆杆八，41、笔套一，42、笔套二，43、笔套三。
具体实施方式
[0039] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
[0040] 如图1-9所示，本发明的结构连接关系为：一种凸轮从动件运动分析平台，它包括设置在总支架上端的凸轮转换杆组机构，下端的走纸机构，侧边的传动机构，其特征在于，[0041] 所述总支架包括对称设置的两块外挡板1及其中间连接的固定杆18、辅助杆19、走笔杆20；
[0042] 所述走纸机构包括水平设置在外挡板1之间的走纸垫板2；所述走纸垫板2上下两面均匀对称设置有走纸轴23，走纸轴23上均匀设置有走纸轮22；所述走纸轮22上下对称咬合在走纸轮孔27内；
[0043] 所述传动机构包括设置在总支架底部与电机8连接的齿轮减速箱9；所述齿轮减速箱9连接有悬臂轴10；所述悬臂轴10通过锥齿轮传动机构13与凸轮轴14连接；所述凸轮轴14上沿轴向均匀设置有三个凸轮15；所述悬臂轴10通过同步带轮机构12与走纸轴23连接；
[0044] 所述凸轮转换杆组机构包括设置在两块外挡板1之间的伸缩杆16；所述伸缩杆16上铰接有摆杆21；所述摆杆21之间通过铰接方式相互连接成X形状，所述摆杆21之间的铰接点通过直线轴承分别与固定杆17、活动杆18滑动连接；所述伸缩杆16一端分别抵在相应的凸轮15外圆周上，另一端与外挡板1之间设置有复位弹簧25；所述走笔杆20上通过直线轴承连接有笔套24；所述笔套24与摆杆21铰接；所述笔套24内设置有绘图笔。
[0045] 优选的，所述的一侧外挡板1内侧设置有减速箱板3；所述减速箱板3四个角通过连接杆5与一侧外挡板1连接构成减速箱安装空间；所述齿轮减速箱9设置在减速箱安装空间内；所述减速箱板3与另一侧外挡板1之间设置有电机固定板4；所述电机固定板4上设置有电机8。
[0046] 优选的，所述走纸轴23两端通过滚珠轴承固定在外挡板1上。
[0047] 优选的，所述伸缩杆16两端通过直线轴承固定在外挡板1上。
[0048] 优选的，所述的三个凸轮15均以凸轮轴14为圆心，朝同一方向旋转偏离一定角度；所述凸轮15之间偏离角度相同。
[0049] 优选的，所述悬臂轴10通过固定架6固定；所述凸轮轴14通过上下两片固定悬板7固定；所述固定悬板7、固定架6均设置在外档板1外侧。
[0050] 优选的，所述外挡板1上设置有水平方向的长条形腰型孔26；所述活动杆17两端处于腰型孔26内；
[0051] 优选的，所述笔套24包括笔套一41、笔套二42、笔套三43；所述伸缩杆16包括伸缩杆一61、伸缩杆二62、伸缩杆三63；所述摆杆21包括摆杆一31、摆杆二32、摆杆三33、摆杆四34、摆杆五35、摆杆六36、摆杆七37、摆杆八38；所述摆杆一31末端与摆杆二32中端、摆杆四34末端铰接在固定杆18同一点，中端与摆杆六36中端铰接在活动杆17同一点，前端与笔套一41铰接；所述摆杆二32前端与笔套二42铰接，末端铰接在固定杆18上；所述摆杆三33前端与笔套三43铰接，后端铰接在固定杆18上，中端与摆杆四34前端铰接在伸缩杆一61同一点；所述摆杆四34中端与摆杆五35中端铰接在活动杆17同一点；所述摆杆五35前端与摆杆七37前端铰接在伸缩杆二62同一点，末端铰接在固定杆18上；所述摆杆六36前端铰接在辅助杆19上，末端与摆杆七37末端铰接在固定杆18同一点；所述摆杆七37中端与摆杆八38铰接在活动杆17同一点；所述摆杆八38前端铰接在伸缩杆63上，末端铰接在固定杆18上。
[0052] 优选的，所述伸缩杆16与凸轮15外圆周接触的一端，末端处设置有微型轴承30。
[0053] 优选的，所述外挡板1、减速箱板3、走纸垫板2、电机固定板4均为有机玻璃。
[0054] 整体结构设计：
[0055] 由于本装置为教学演示仪器，故要小巧直观，且要轻量化，便于移动，但也必须有一定的强度和
刚度，保证能承受住电机、齿轮及其附件的重量，为了能直观的观察我们研究决定使用有机玻璃板来做外部挡板，而且有机玻璃板有一定的强度完全可以承受整个机构的重量。在整体设计上首先电机与减速箱部分，电机作为整个装置的驱动力来源，我们将电机与减速箱放置在整个装置的下方，这样有利于装置美观，而且方便传动。然后是凸轮部分，我们采用
悬臂梁的结构，这样的设置不仅美观而且易拆卸，方便更换不同的凸轮。再者是杆组部分，由于采用的原理为相似三角形的方法作图，所述我们采用固定的细杆做
支撑杆，摆杆来做传动杆，这样既能减少装置的重量，也有利于传动。然后是画图部分，为了使机构能够减小阻力，我们设置了三组轮组，然后用一块有机玻璃板做垫板减少摩擦。
[0056] 减速箱部分的设计：
[0057] 由于机构所需驱动力较大，消耗功率较大，所述我们用120W，1400r/min的单项电机驱动，但是作图本身速度太快会影响作图的精确性，因此我们通过减速箱来减慢转速。电机经减速箱由四级
传动比为5.25的直齿圆柱齿轮减速至1.84r/min。减速箱输出后分为两个部分，，一部分经1:3的锥齿轮转向带动凸轮轴转动，另一部分经传动比为1：3的直齿圆柱齿轮减速后由同步带轮远距离传给走纸轮动力轴，实现走纸机构和凸轮组的同步。
[0058] 凸轮部分设计：
[0059] 凸轮采用悬臂梁结构固定，由一根轴直接做驱动力，带动三个凸轮转动，凸轮轴连接低速锥齿轮，凸轮通过凸轮上制定好的角度孔直接固定角度，实现不同角度的转动，由于在凸轮轴上有轴向力以及径向力，所述采用
推力轴承以及深沟球轴承来保证轴的运转正常。
[0060] 凸轮转换杆组机构设计：
[0061] 杆组开始是在从动件上直接采用其移动
位置了来得到位移图，为了使从动件复位，在从动件末端加弹簧使其复位，然后由从动件的位移通过摆杆来求速度。摆杆部分作为本装置的核心，其分为三层，因为采用相似三角形原理传递位移差的高度，所述摆杆与摆杆之间通过铰接连成X形式，在画速度图时X杆组的两个端点是铰接在两根相邻的推杆上的，另外还有一个端点绕固定点转动，剩下的那个端点相对固定端点的距离就是两推杆的位移差，通过此位移差即可获得速度。三组推杆得两个速度，同理可得一个加速度。为将三个图的起点移在同一端面上，速度和位移都采用了一根平行推杆将笔移在一端与加速度对应。为了减少摆杆运动中的阻力，我们在摆杆支撑结构上加入直线轴承作为摆杆的在
定位细长轴上滑动的载体。为防止轴承在杆上转动，有些还采用一对轴承配合使用的形式。
[0062] 走纸部分设计
[0063] 在走纸机构的设计中，我们用三组滚轮同步输出，并在滚轮中间装上一块垫板用来支撑图纸，输出端那组滚轮为
驱动轮，另外两组为从动轮，将纸从输入端装入，画图装置则在纸上画出相应有轨迹，直到从输出端滚出来为止，这样，后面的纸带就能在开机时自动输出。
[0064] 本发明工作原理：
[0065] (1)从动件运动的位移图的绘制原理
[0066] 采用直接作图法，电机驱动凸
轮作匀速运动，带动凸轮转换杆组机构上的绘图笔左右运动，通过同步带轮的传动，保证纸带和凸轮同步运动，从动件上的绘图笔就画出了位移图，本装置为水平面画图。
[0067] (2)从动件运动的速度图的绘制原理
[0068] 弦线法:由V＝△S/△t，
变形为V＝△S*K1，其中K1为速度比例系数，所述只要测得△S就可求得速度，而△S则是通过相似三角形原理测得。
[0069] 相似三角形原理：将两个摆杆铰接成X杆组，其中两个端点铰接在两根相邻的推杆上，另外一个端点固定，剩下的那个端点相对固定端点的距离就是两推杆的位移差，再在此端点上加只笔即可绘出速度图。
[0070] (3)从动件运动的加速度图的绘制原理
[0071] 两组杆“感应”出一个速度,三组杆“感应”出两个速度.
[0072] 弦线法：根据a＝△v/△t，变形为a＝△v*K2，其中k2为加速度比例系数，所述只要测得△v就可测得加速度。△v由相似三角形原理测得，将两个摆杆铰接成X杆组，其中两个端点铰接在“感应”出的两个速度上，另外一个端点固定，剩下的那个端点相对固定端点的距离就是△v，再在此端点上加只笔即可绘出加速度图。
[0073] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0074] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。
