一种凸轮机构教学演示装置
技术领域
本发明属于教学设备技术领域，具体涉及一种凸轮机构教学演示装置。
背景技术
凸轮机构由于具有结构紧凑、性能稳定等特性，在各种机械尤其是自动化控制和自动机械装置中得到了广泛应用，在机械原理课程中占有重要地位，是课堂重点内容，是机构学的重要组成部分，在机械原理现有的教学方式下，教师一般通过制作动画来模拟凸轮机构的运动方式，运动仿真软件灵活性差，不能实时进行分析计算和图形曲线绘制；凸轮的传动与行程曲线的生成产生脱节，学生并不能直观的认识凸轮机构的传动过程及其行程曲线的生成原理；传统教学PPT和黑板上的凸轮计算(解析法)、凸轮曲线绘制(图解法)使得学生对凸轮机构的理解只能停留在公式的推理与分析上，学生学习起来生涩难懂、感到乏味无趣；在教学中使用具体、直观的教具模型进行操作演示，有助于学生理解和掌握凸轮机构的特性。传统的凸轮教学模型主要是单一的凸轮机构模型或教学模型陈列柜来进行演示，只能满足凸轮机构外形和基本结构知识的教学，无法完成凸轮特性曲线的绘制和凸轮轮廓曲线的设计要求，且每一种形式的凸轮机构就需要一个教学模型进行展示，数量繁多、体积庞大、不便携带。为克服传统凸轮机构教学陈列柜展示效果刻板、不便携带、模型众多等弊端，设计开发一种方便实用的多功能凸轮机构教学演示装置很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种凸轮机构教学演示装置，既可直观的演示凸轮机构的结构和工作原理，也可实现多种凸轮特性曲线的绘制以及多种凸轮轮廓曲线的绘制，功能多样，操作简单快捷。
本发明的具体解决方案如下：
本发明提供了一种凸轮机构教学演示装置，包括支撑架、用于凸轮轮廓绘制的第一画板、若干凸轮、槽板、用于凸轮特性曲线绘制的第二画板、若干从动件本体、驱动传动机构、导杆以及若干画笔，所述支撑架上转动安装有若干第一转轴；所述第一画板和各所述凸轮分别固定于各所述第一转轴上；所述槽板和所述第二画板分别与所述支撑架水平滑动连接；所述槽板上设置有若干凸轮特性曲线槽(即根据凸轮特性曲线形状开设的槽)，用于放置所述导杆一端的端部；各所述从动件本体分别与所述支撑架沿竖直方向滑动连接，各所述从动件本体的一端设置有第一安装孔，用于安装与所述凸轮抵接的端子或用于安装一个所述画笔，各所述从动件本体的另一端设置有第二安装孔，用于安装所述导杆或用于安装一个所述画笔；所述驱动传动机构用于驱动各所述第一转轴分别进行转动，以及用于驱动所述第二画板和所述槽板水平滑动。
由此，当从动件本体的第二安装孔安装画笔时，第一安装孔安装端子，驱动传动机构驱动凸轮转动，同时驱动所述第二画板沿水平方向运动，从动件本体随着凸轮转动而上下运动，从而带动画笔在第二画板上绘制凸轮特性曲线；多种凸轮(轮廓不同或大小不同)同时设置，可在第二画板得到多种凸轮特性曲线，由此，可对不同凸轮机构的运动特性加以区别和对比；当从动件本体第二安装孔安装导杆，第一安装孔安装画笔时，驱动传动机构驱动第一画板转动，同时驱动所述槽板沿水平方向运动，使得导杆在曲线槽内滑动并带动从动件本体上下运动，带动画笔向所述第一画板绘制凸轮轮廓；在槽板上设置多种凸轮特性曲线的曲线槽，便可在画板上绘制得到与各曲线槽对应的各凸轮轮廓。由此，可以实现多种凸轮特性曲线以及多种凸轮轮廓曲线的绘制。基于本发明的既可直观的演示凸轮机构的结构和工作原理，有可实现多种凸轮特性曲线的绘制以及多种凸轮轮廓曲线的绘制，功能多样，操作简单快捷。
在上述方案的基础上，本发明还可以进行如下改进：
进一步，所述端子选自尖端、曲面、滚子或平底端子中的任意一种。
进一步，各所述画笔包括用于绘制凸轮轮廓的第一画笔以及用于绘制凸轮特性曲线的第二画笔，所述第二安装孔安装所述导杆时，所述第一安装孔安装所述第一画笔，所述尖端、曲面、滚子或平底端子与所述凸轮分离，所述从动件本体随着所述导杆上下运动；所述第二安装孔安装所述第二画笔时，所述尖端、曲面、滚子或平底端子与所述凸轮抵接，所述从动件本体随着所述凸轮转动而上下运动。
优选的，各所述凸轮通过键连接在各所述第一转轴上。通过键连接，更换凸轮方便，不同凸轮与从动件相互组合成不同的凸轮机构，根据不同的教学内容，可直观地演示不同的凸轮与凸轮机构，如：等速运动凸轮、等加速运动凸轮、正弦、余弦加速运动凸轮。
具体的，所述第二安装孔与所述导杆、第二画笔螺纹连接或通过紧固螺栓连接，所述第一安装孔与所述第一画笔螺纹连接或通过紧固螺栓连接。
采用螺纹连接或通过紧固螺栓连接，方便调节导杆以及画笔的接入长度，且方便拆卸和连接。
优选的，所述导杆位于所述曲线槽内的一端设置有转动轴承。由此，可减少槽板滑动过程中，所述导杆与曲线槽的摩擦。
进一步，所述槽板和所述第二画板沿同一水平线方向滑动连接，各所述第一转轴沿所述水平线方向依次平行安装于所述支撑架上，各所述凸轮平面位于同一竖直平面内，各所述凸轮平面与所述第一画板分别位于所述第二画板的同侧。
由此，整个装置结构更加规整、紧凑，教学演示时，便于学生观察，且学生在一个视角下可以同时观察多种凸轮特性曲线的绘制和多个凸轮轮廓的绘制。
进一步，所述支撑架上设置有若干组限位滑块，各组限位滑块分别用于限定一个所述从动件本体沿竖直方向滑动。
进一步，各组限位滑块分别包括若干滑块，各所述从动件本体为竖直设置的板体，所述板体两侧分别与至少一个所述滑块滑动连接。
由此，多个滑块的设置可以较好地保证从动件上下滑动的稳定性。
进一步，所述驱动传动机构包括动力输入机构、锥齿轮传动机构、齿轮同步带机构，齿条齿轮传动机构，所述动力输入机构通过所述锥齿轮传动机构带动各所述第一转轴同时进行转动，所述动力输入机构依次通过所述锥齿轮传动机构、所述齿轮同步带机构以及所述齿条齿轮传动机构带动所述第二画板和所述槽板沿水平滑动，所述第二画板和槽板分别与所述齿条齿轮传动机构可拆卸连接。
由此，拆卸更换不同的槽板，便可在第一画板绘制得到不同的凸轮轮廓曲线，从而实现对凸轮轮廓的设计。
具体的，转动手轮，锥齿轮传动与齿轮同步带传动以及齿条齿轮传动相结合，实现凸轮机构运动与第二画板同步，自动在第二画板上绘制出凸轮角度-位移曲线(即实现凸轮特性曲线图的绘制)，建立起凸轮旋转角度与从动件输出位移间一一对应的连续性映射关系；转动手轮，锥齿轮传动与齿轮同步带传动以及齿条齿轮传动相结合，还实现第一画板以及槽板的同步，通过槽板上的曲线槽，画笔便自动清晰地在第一画板上绘制出凸轮轮廓曲线 (即实现凸轮轮廓设计)。由此，教师在进行后期凸轮教学时，可转动手轮，根据不同的凸轮演示不同的凸轮角度-位移曲线；在凸轮设计的教学中，转动手轮，引导导杆在曲线槽内滑动，便可根据槽板设定的位移曲线(如：等速运动曲线、等加速运动曲线、正弦、余弦加速度运动曲线)，自动绘制出相应的凸轮轮廓，实现凸轮的设计。
进一步，所述动力输入机构包括第三转轴以及驱动所述第三转轴进行转动的电机或旋转手轮，所述第三转轴与所述锥齿轮传动机构传动连接。
具体的，锥齿轮传动机构改变传动方向，使旋转手轮或电机转动带动转轴转动，从而带动各凸轮和第一画板转动；同步带传动机构、齿轮齿条传动机构连接锥齿轮传动，将转动副变为移动副，带动第二画板和槽板移动。
具体的，所述电机为正反电机。
进一步，所述齿条齿轮传动机构包括与所述支撑架转动连接的若干第二转轴、设置于各所述第二转轴上的齿轮以及与各所述齿轮啮合传动的直齿条，各所述齿轮分别与所述齿轮同步带机构传动连接，所述第二画板5和槽板分别与所述直齿条可拆卸连接。
具体的，第三转轴711、各所述第一转轴11和各所述第二转轴741，分别通过转动轴承与所述支撑架1转动连接。
基于本发明的凸轮机构教学演示装置，既可以演示多种凸轮机构的基本结构和工作原理，还可对不同凸轮机构的运动特性进行比较，又可实现对凸轮轮廓的设计，操作简单快捷，集多功能于一体，能激发同学们的学习兴趣，锻炼同学们的动手能力。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的另一个视角下的立体结构示意图。
图3为本发明实施例的俯视体结构示意图。
图4为本发明实施例中凸轮拆卸后的立体结构示意图。
图5为本发明实施例中的曲面从动件的结构示意图。
图6为本发明实施例中的滚子从动件的结构示意图。
附图1-6中，各标号所代表的部件如下：
支撑架1；第一转轴11；滑块12；
第一画板2；
凸轮3；
槽板4；曲线槽41；
第二画板5；
从动件本体6；第一安装孔61；第一画笔611；紧固螺栓612；第二安装孔62；第二画笔621；端子63；
驱动传动机构7；动力输入机构71；第三转轴711；旋转手轮712；锥齿轮传动机构72；齿轮同步带机构73；齿条齿轮传动机构74；第二转轴741；齿轮742；直齿条743；
导杆8。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1-6并参考具体实施例描述本发明。
如图1-3所示，基于本发明的凸轮机构教学演示装置，支撑架1、用于凸轮轮廓绘制的第一画板2、若干凸轮3、槽板4、用于凸轮特性曲线绘制的第二画板5、若干从动件本体6、驱动传动机构7、导杆以及若干画笔，所述支撑架1上转动安装有若干第一转轴11；所述第一画板2和各所述凸轮3 分别固定于各所述第一转轴11上；所述槽板4和所述第二画板5分别与所述支撑架1水平滑动连接；所述槽板4上设置有若干凸轮特性曲线槽41，用于放置所述导杆一端的端部；各所述从动件本体6分别与所述支撑架1沿竖直方向滑动连接，各所述从动件本体6的一端设置有第一安装孔61，用于安装与所述凸轮抵接的端子或用于安装一个所述画笔611，各所述从动件本体 6的另一端设置有第二安装孔62，用于安装所述导杆8或用于安装一个所述画笔；所述驱动传动机构7用于驱动各所述第一转轴11分别进行转动，以及用于驱动所述第二画板5和所述槽板4水平滑动。当从动件本体6的第二安装孔62安装画笔时，第一安装孔安装端63，驱动传动机构7驱动凸轮3 转动，同时驱动所述第二画板5沿水平方向运动，从动件本体6随着凸轮3 转动而上下运动，从而带动画笔在第二画板5上绘制凸轮特性曲线；多种凸轮3(轮廓不同或大小不同)同时设置，可在第二画板得到多种凸轮特性曲线，由此，可对不同凸轮机构的运动特性的加以区别和对比；当从动件本体6第二安装孔安装导杆，第一安装孔61安装向所述画笔时，驱动传动机构7驱动第一画板2转动，同时驱动所述槽板4沿水平方向运动，使得导杆在曲线槽内滑动并带动从动件本体上下运动，带动画笔向所述第一画板2绘制凸轮轮廓；在槽板4上设置多种凸轮特性曲线的曲线槽41，便可在画板上绘制得到与各曲线槽对应的各凸轮轮廓。由此，可以实现多种凸轮特性曲线以及多种凸轮轮廓曲线的绘制。基于本发明的既可直观的演示凸轮机构的结构和工作原理，有可实现多种凸轮特性曲线的绘制以及多种凸轮轮廓曲线的绘制，功能多样，操作简单快捷。
具体的，各所述凸轮特性曲线槽沿槽板从上到下依次设置(未绘出)。将导杆依次放置于各所述凸轮特性曲线槽，可以绘制得到多个凸轮轮廓。
可选的，各所述凸轮特性曲线槽沿槽板滑动方向依次设置，也可以绘制得到多个凸轮轮廓。
如图1、图5和图6所示，基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述端子选自尖端(如图1)、曲面(如图5)、滚子(如图6)或平底端子 (如图1)中的任意一种。
如图1所示，基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，各所述画笔包括用于绘制凸轮轮廓的第一画笔以及用于绘制凸轮特性曲线的第二画笔，所述第二安装孔62安装所述导杆8时，所述第一安装孔61安装所述第一画笔，所述从动件本体6随着所述导杆8上下运动；所述第二安装孔62安装所述第二画笔621时，所述第一安装孔61安装所述尖端、曲面、滚子或平底端子，所述从动件本体6随着所述凸轮3转动而上下运动。凸轮机构由凸轮3、从动件以及机架三部分组成，其中凸轮3为原动件，从动件为输出元件，机架(即本申请的支撑架1)起支撑定位作用，凸轮机构的从动件按照端子形状分类分为尖端从动件、曲面从动件、滚子从动件以及平底从动件，从动件可分别通过尖端、曲面、滚子以及平底与凸轮3作用抵接，随着凸轮转动而上下运动；基于本发明的从动件本体具有两种作用，既可用于凸轮轮廓绘制，又可用于凸轮特性曲线绘制，可根据需要进行连接使用，减少装置部件，携带方便。
优选的，各所述凸轮3通过键连接在各所述第一转轴11上。通过键连接，方便对凸轮进行拆卸更换，可根据需要简化装置或更换凸轮，不同凸轮与从动件相互组合成不同的凸轮机构，根据不同的教学内容，可直观地演示不同的凸轮与凸轮机构，如：等速运动凸轮、等加速运动凸轮、正弦、余弦加速运动凸轮。
具体的，所述第二安装孔62与所述导杆、第二画笔621螺纹连接或通过紧固螺栓连接，所述第一安装孔61与所述第一画笔611螺纹连接或通过紧固螺栓612连接。采用螺纹连接或通过紧固螺栓连接，方便调节导杆8以及画笔的接入长度，且方便拆卸和连接。
具体的，所述第二安装孔62与所述导杆、第二画笔621螺纹连接或通过紧固螺栓直接连接，即将导杆、第二画笔621直接穿设于所述第二安装孔 62内，也可以通过其他连接杆间接连接(如图1所示)。所述第一安装孔 61与所述第一画笔611螺纹连接或通过紧固螺栓612直接连接，即将第一画笔611穿设于第一安装孔61内，也可以通过其他连接杆间接连接。
基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述导杆8位于所述曲线槽41内的一端设置有转动轴承。由此，可减少槽板4滑动过程中，所述导杆8与曲线槽41的摩擦。
基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述槽板4和所述第二画板5沿同一水平线方向滑动连接，各所述第一转轴11沿所述水平线方向依次平行安装于所述支撑架1上，各所述凸轮3平面位于同一竖直平面内，各所述凸轮3平面与所述第一画板2分别位于所述第二画板5的同侧。整个装置结构更加规整、紧凑，教学演示时，便于学生观察，且学生在一个视角下可以同时观察多种凸轮特性曲线的绘制和多个凸轮轮廓的绘制。
基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述支撑架1上设置有若干组限位滑块，各组限位滑块分别用于限定一个所述从动件本体6沿竖直方向滑动。
基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，各组限位滑块分别包括若干滑块12，各所述从动件本体6为竖直设置的板体，所述板体两侧分别与至少一个所述滑块12滑动连接，多个滑块的设置可以较好地保证从动件上下滑动的稳定性。
基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述驱动传动机构7包括动力输入机构71、锥齿轮传动机构72、齿轮同步带机构73，齿条齿轮传动机构74，所述动力输入机构通过所述锥齿轮传动机构72带动各所述第一转轴11同时进行转动，所述动力输入机构71依次通过所述锥齿轮传动机构72、所述齿轮同步带机构73以及所述齿条齿轮传动机构74带动所述第二画板5 和所述槽板4沿水平滑动，所述第二画板5和槽板4分别与所述齿条齿轮传动机构74可拆卸连接。拆卸更换不同的槽板4，便可在第一画板2绘制得到不同的凸轮轮廓曲线，从而实现对凸轮轮廓的设计。通过锥齿轮的啮合传动，转动手轮，便可演示凸轮机构及其运动原理，并运用同步带传动的方式，实现凸轮机构运动与第一画板2、同步，自动在第二画板5上绘制出凸轮角度- 位移曲线(即实现凸轮特性曲线图的绘制)，建立起凸轮旋转角度与从动件输出位移间一一对应的连续性映射关系；锥齿轮传动与齿轮同步带传动以及齿条齿轮传动相结合，转动手轮，实现第一画板2以及槽板4的同步，通过槽板4上的曲线槽41，画笔便自动清晰地在第一画板2上绘制出凸轮轮廓曲线(即实现凸轮轮廓设计)。由此，教师在进行后期凸轮教学时，可转动手轮，根据不同的凸轮演示不同的凸轮角度-位移曲线；在凸轮设计的教学中，转动手轮，引导导杆8在曲线槽41内滑动，便可根据槽板设定的位移曲线 (如：等速运动曲线、等加速运动曲线、正弦、余弦加速度运动曲线)，自动绘制出相应的凸轮轮廓，实现凸轮的设计。
如图3所示，基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述动力输入机构71包括第三转轴711以及驱动所述第三转轴711进行转动的电机或旋转手轮712，所述第三转轴711与所述锥齿轮传动机构72传动连接。锥齿轮传动机构改变传动方向，使旋转手轮或电机转动带动第三转轴711转动，从而带动各凸轮3和第一画板2转动；同步带传动机构、齿轮齿条传动机构连接锥齿轮传动，将转动副变为移动副，带动第二画板5和槽板4移动。
具体的，如图3所示，所述锥齿轮传动机构由若干锥齿轮依次串联传动。
具体的，各锥齿轮包括若干第一锥齿轮和若干第二锥齿轮，所述支撑架上还设置有若干第四转轴，各所述第四转轴与所述第三转轴沿同一直线设置，所述第三转轴上设置有第一锥齿轮，各所述第四转轴两端分别设置有一个所述第一锥齿轮，各所述第一转轴上设置有第二锥齿轮，所述第二锥齿轮两侧分别与一个所述第一锥齿轮啮合传动，所述第二锥齿轮与相邻的第三锥齿轮相对设置。
由此，第三转轴转动，带动各第一锥齿轮转动，从而带动各第二锥齿轮以及各第一转轴同向转动。
具体的，所述电机为正反电机。
如2和3所示，基于本发明实施例的凸轮机构教学演示装置，所述齿条齿轮传动机构74包括与所述支撑架1转动连接的若干第二转轴741、设置于各所述第二转轴741上的齿轮742以及与各所述齿轮742啮合传动的直齿条 743，各所述齿轮742分别与所述齿轮同步带机构73传动连接，所述第二画板5和槽板4分别与所述直齿条743可拆卸连接。第二画板5和槽板4分别与所述直齿条743可拆卸连接，当只需要进行凸轮轮廓演示时，如图6所示，可以将第二画板5拆卸掉，只连接槽板4，如图4，将各所述凸轮特性曲线槽沿槽板滑动方向，从左到右依次设置，各凸轮特性曲线槽首尾相连，可以绘制得到多个凸轮轮廓，当只需要进行凸轮特色曲线绘制时，可以将槽板4 拆卸掉，只留下第二画板5。
具体的，所述齿轮同步带机构包括若干齿轮同步带传动组件，各齿轮同步带传动组件分别包括位于第一转轴11上的第一齿轮，位于第二转轴741 上的第二齿轮以及连接所述第一齿轮和第二齿轮的同步带。第三转轴711转动，通过锥齿轮传动机构72带动各第一转轴11同时进行转动，第一转轴11 上的第一齿轮通过同步带带动第二齿轮转动，带动第二转轴741转动，带动齿轮742转动，从而带动直齿条743移动。
具体的，所述第三转轴711、各所述第一转轴11、各所述第二转轴741 以及各所述第四转轴，分别通过转动轴承与所述支撑架1转动连接。
尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
