第六屆機械創(chuàng)新設計大賽貴州賽區(qū)一等獎設計說明書

1、.便捷繪圖儀設計說明書設計者：汪順福，胡興云，潘樹俊指導教師：黃昊旻，白堯（貴陽學院機械工程學院 ，貴陽 550000）摘要：本作品的主要設計思路源于教師為了做好課程內(nèi)容的講授，需要在黑板上繪制各種圖形，就需要攜帶多種作圖工具，例如：米尺、圓規(guī)、三角板、量角器等等，為減少攜帶的不便，加快教師作圖的過程，我們產(chǎn)生了設計本作品的想法。設計出一種可懸掛于黑板上繪圖的儀器，它運用偏置曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)圓的快速繪制，使得作圖效率大大提高，通過更換繪圖模塊，還可快速畫出橢圓等圖形，從而提高教師的作圖效率，便于教師授課內(nèi)容的講解演示。要講述儀器的組成，實現(xiàn)哪些圖形繪制。關(guān)鍵詞：便捷；偏置曲柄滑塊機構(gòu)；繪圖儀；

2、橢圓作品內(nèi)容簡介本作品根據(jù)第六屆機械設計大賽的主旨要求而設計，屬于教室用設備和教具的設計與制作。它能實現(xiàn)在黑板上快捷作圖(包括水平線、豎線、其他角度直線、圓、橢圓、等腰梯形等），此繪圖儀適用范圍廣泛，從小學到大學課堂，都能用到它。教師可用它實現(xiàn)快速作圖，使學生更直觀、準確地理解圖形，從而大大提高了上課效率。此繪圖儀尤其是對于大學生理解掌握機械類課程中的畫法幾何與機械制圖的作圖規(guī)范來說具有很大的幫助。相比傳統(tǒng)的尺規(guī)作圖教具，該裝置能實現(xiàn)更快捷，更標準的作圖功能。聯(lián)系人：汪順福，胡興云，潘樹俊聯(lián)系電話mail:1 研制背景及意義在學習過程

3、中，許多課程為了便于學生理解掌握，需要教師借助作圖工具在黑板上完成作圖，市場上現(xiàn)有的作圖工具雖然種類多樣但是功能較為單一而且攜帶不便，并不能較好解決教師作圖的問題，這給完成教學任務帶來了一定的麻煩。因此，設計一種方便快捷的作圖工具成為必要。綜合以上問題我們設計了便捷繪圖儀，本作品運用了偏置曲柄滑塊、棘輪、雙滑塊連桿等機構(gòu)的原理，能在黑板上快速標準地作出圓、任意角度直線、橢圓等圖形。旨在解決教師使用普通作圖工具作圖時遇到的問題。圖1.1 米尺圖1.3 量角器圖1.2 圓規(guī) 上圖片組為教室常用作圖工具2設計方案 2.1總體設計構(gòu)想 為了解決教師使用普通作圖工具作圖時遇到的問題，對于便捷繪圖儀的設計

4、我們應考慮以下幾個問題1）便捷繪圖儀應在一個輕盈小巧的工具上集多種繪圖工具功能于一身，這樣才能方便老師快捷作圖。2）便捷繪圖儀應操作很方便，才能節(jié)省老師作圖時間，讓教師有更多時間進行重點知識的講授，從而提高教師教學質(zhì)量和學生學習效率。3）教師采用普通作圖工具作圖時需要雙手配合作圖，長期高舉作圖工具極易使得手臂酸痛疲勞（如用米尺畫較長直線），便捷繪圖儀設計應考慮打破雙手高舉作圖的束縛，讓教師輕松完成作圖。 為了使得教師方便快捷作圖，就需要融合多種繪圖工具功能于一體，并且作品整備質(zhì)量應不大于多種繪圖工具的總重量才能達到“一器多用”和便捷方便的效果?？紤]到教師采用普通作圖工具受到需要雙手配合作圖的限

5、制，長期高舉作圖工具極易使得手臂酸痛疲勞，于此，經(jīng)小組討論后擬用便捷繪圖儀懸掛于黑板的方式滑動作圖。 所以，我們決定利用輕質(zhì)桿（如塑料空心桿）作為繪圖儀的主干部分，將繪圖桿鉸接到主滑桿上，以便完成線性移動畫直線，旋轉(zhuǎn)運動畫圓的功能，從而復合了直尺、圓規(guī)的功能。由此，我們構(gòu)想出便捷繪圖儀的總體框架如下所示滑塊 繪圖桿 主滑桿 圖2.1 便捷繪圖儀總體構(gòu)想圖2.2便捷繪圖儀總體設計方案從所需功能出發(fā)，便捷繪圖儀總體設計方案將從其懸掛裝置、主滑桿、轉(zhuǎn)動裝置三部分為主要設計對象，如圖2.2所示。圖2.2 主要設計對象 2.2.1繪圖儀懸掛裝置根據(jù)總體構(gòu)想，同時，為了解放雙手高舉作圖，我們將滑桿和繪圖桿

6、懸掛到黑板頂端，借助黑板結(jié)構(gòu)來承受繪圖工具自身重量，這樣繪圖者只需一只手輕扶作圖工具，另一只手即可輕松操作畫圖。這樣就使得繪圖者不會因承受繪圖工具重量而感到手臂疲勞酸痛。 為解決以上問題，通過小組討論研究主要提出了下面兩種懸掛設計方案。 方案一 ：安裝一條滑槽在黑板頂部，黑板底部安裝一塊條狀支撐板（見圖2.3），繪圖儀的繪圖部分通過滾動輪與滑槽連接（見圖2.4），底部通過滾動輪作用在支撐板上（見圖2.5）。優(yōu)點：此結(jié)構(gòu)便于繪圖機構(gòu)穩(wěn)定順暢滑動。缺點：安裝滑槽比較麻煩，且需要每間教室安裝滑槽，耗費大量人力物力。 圖2.3 方案一總體模型圖 圖2.4 主滑桿連接滑槽圖 圖2.5 主滑桿底部連接滾動

7、輪圖 方案二：考慮到安裝滑槽的不便，且大多數(shù)黑板均為凸出式安裝，即安裝在教室墻面的黑板面會凸出墻面20mm以上（某些教室的雙層上下移動黑板凸出墻面達50mm）且黑板上下面均為比較平直的面，利用這一結(jié)構(gòu)特點，將繪圖儀整體構(gòu)架設計為工字型，上下端裝上輪子，輪子一面在黑板滑動，一面抵住墻滑動，通過調(diào)節(jié)連接輪子塊的上下部分距離，便可將其裝夾在黑板上。優(yōu)點：省去了安裝滑槽的不便，利用黑板自身結(jié)構(gòu)特點達到了與滑槽同樣的效果。缺點：平穩(wěn)性稍差。 圖2.6 方案二總體模型圖 圖2.7 輪子在黑板頂端 圖2.8 輪子在黑板底部 通過比較兩種懸掛方案，綜合安裝方便，節(jié)省人力物力的因素考慮，決定采用第二種方案。2.

8、2.2 繪圖儀主滑桿設計 考慮到滑塊在滑桿上滑動的平穩(wěn)性和便于滑塊的鎖緊，我們討論后提出以下兩種設計方案： 方案一：用空心方管作為主滑桿。 優(yōu)點：滑塊滑動平穩(wěn)，便于鎖緊。 缺點：不便于做成可拆卸桿，不便旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。對裝卸橢圓模塊不便。 方案二：用空心圓管作為主滑桿。 優(yōu)點：滑塊滑動平穩(wěn)，鎖緊效果好。便于加工為可拆卸桿，便于旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。由此，我們采用方案二。 2.2.3 繪圖儀轉(zhuǎn)動裝置設計 轉(zhuǎn)動裝置在繪圖儀中是比較重要的部分，它是實現(xiàn)繪圖儀繪制出任意角度直線、圓等圖形的主要裝置，我們提出以下兩種方案。方案一：通過手直接旋轉(zhuǎn)繪圖桿畫圓易控制繪圖桿（如圖2.9 ）。優(yōu)點：比較容易控制繪圖桿。能夠準確地畫

9、出圓弧，缺點：對于畫圓不能一次成型，受主滑桿的位置影響需要停頓一下。且畫圓速度慢。 圖2.9 轉(zhuǎn)動裝置方案一 方案二：通過運用偏置曲柄滑塊機構(gòu)。在主滑桿上上下滑動滑塊來實現(xiàn)圓的繪制（如圖2.10 ） 優(yōu)點：由于偏置曲柄滑塊機構(gòu)具有急回特性，所以通過滑塊的滑動能實現(xiàn)圓的快速繪制。 缺點：不容易控制繪圖桿畫準確的圓弧。 圖2.10 轉(zhuǎn)動裝置方案二 綜合課堂繪圖要求節(jié)省時間和方便操作的因素考慮，我們決定采用方案二。2.3最終方案結(jié)構(gòu)設計 通過對以上方案的整理，我們的最終結(jié)構(gòu)圖如下所示，主體部分由滑桿、滾動輪、偏置曲柄滑塊機構(gòu)、伸縮桿、刻度盤等五大部分組成 。 偏置曲柄滑塊機構(gòu) 刻度盤伸縮桿 滾動輪滑

10、桿 圖2.11 最終結(jié)構(gòu)圖3.設計計算與說明3.1設計要求在設計之前我們測量了多數(shù)黑板的尺寸，其中黑板高度：不小于1m。長度：小學大于3.6m，中學大于4m。黑板的高度確定了豎直滑桿的長度，滑桿長度取1.4m（有的長度為1.2m，為了便于調(diào)整，需要留出多余長度），滑桿需要標出長度刻度，便于畫豎線時確定長度，圓盤上需要標角度刻度，刻度從0到360度，繪圖桿繞圓盤中心旋轉(zhuǎn)到需要角度后需通過鎖緊螺母鎖緊，以便于畫任意角度直線。短滑桿上也得標出長度刻度，便于畫一定距離的直線。3.2 主體尺寸設計根據(jù)便捷繪圖儀在黑板上邊沿和下邊沿上滑動的要求，桿長應不小于1.4m 。繪圖桿的原長（即未伸縮長度）應不大于

11、500（按多數(shù)黑板寬度為1.2m、能畫圓的最大圓半經(jīng)為0.6m設計）。3.3 曲柄滑塊機構(gòu)設計計算 在曲柄滑塊機構(gòu)中，由于鉸鏈四桿機構(gòu)具有曲柄的條件是需滿足桿長條件。且組成周轉(zhuǎn)副的條件是兩桿中必有一桿為最短桿。根據(jù)主滑桿的長度，我們將曲柄連桿和偏心距的尺寸分別定為 R=50、L=180 、e=40 得（R+e0，從而得出機構(gòu)具有急回特性。滿足設計要求。3.4 橢圓機構(gòu)原理 如圖所示，AOB=90, CBX=，AB=m，AC=n，A、B分別沿Y、X軸方向上移動，則C的坐標為： X=ncos,Y=（n-m）sin,C點軌跡方程為：Xn+Y(n-m)=1，由此可知，調(diào)整AB、AC的長度就可畫出不同長

12、短軸的橢圓。 圖3.1 橢圓機構(gòu)原理圖 4.工作原理及性能分析4.1主體各部分功能（圖2.11 最終結(jié)構(gòu)圖）1）滑桿由兩節(jié)空心不銹鋼圓管組成，中間通過螺紋連接，滑塊在上面滑動可作出豎線。2）滾動輪機構(gòu)由豎直兩個輪和垂直墻面的兩個輪固定在連接輪子小塊上組成，實現(xiàn)繪圖儀在黑板上下面水平方向上快速滑動。達到快速畫較長直線的目的。3）偏置曲滑塊機構(gòu)由主滑塊、曲柄、連桿、下滑塊等組成，畫圓時，移動繪圖儀到畫圖位置，固定主滑塊，上下滑動下滑塊，由于偏置曲柄滑塊機構(gòu)具有急回特性可實現(xiàn)圓的快速繪制。 4）伸縮桿機構(gòu)伸縮桿機構(gòu)類似三腳架結(jié)構(gòu)，使用凸輪鎖緊，可實現(xiàn)一定長度的伸縮，以改變畫直線的長度和圓的半徑。5）

13、刻度盤上標有0-360度的刻度，便于準確直觀畫任意角度直線。4.2主體各部分功能完善 4.2.1繪圖模塊擴展設計受理論力學課程中橢圓規(guī)機構(gòu)的啟發(fā)，通過改進，我們增加了畫橢圓模塊（圖4.1 ）使本產(chǎn)品的繪圖功能更完善。 圖4.1 橢圓規(guī)機構(gòu)模型 4.2.2 繪圖桿鎖緊設計針對設計的結(jié)構(gòu)，考慮到平時作圖畫水平線的重復率較大，在畫水平線時需要鎖定主滑塊和下滑塊，所以我們設計了棘輪機構(gòu)在水平方向鎖住曲柄，使得繪圖儀繪圖桿保持在水平位置，由于棘輪只在水平方向鎖住，所以在棘輪上只設計了一個齒。此部分通過棘爪與扭力彈簧裝配在主滑塊上（如下圖所示）。 圖4.2 棘輪部分模型圖操作方法：（1）畫直線：（水平線）

14、將主滑塊移動到需要作圖的位置后鎖緊，松開伸縮桿鎖緊片，根據(jù)長度要求拉動伸縮桿繪制。（任意角度直線）滑動下滑塊，使繪圖桿擺動到一定角度后根據(jù)長度要求繪制。 （2）畫圓：按畫直線的方法滑動繪圖桿確定圓的半徑，上下滑動下滑塊一次即可。 （3）畫橢圓：按所需繪圖橢圓的長短軸大小將橢圓繪圖桿上的螺栓調(diào)節(jié)到對應位置（橢圓繪圖桿上孔標有相應刻度）卸下繪圖桿。將橢圓模塊背部螺母旋到棘輪后的螺柱上。旋轉(zhuǎn)橢圓繪圖桿一周即可畫出橢圓。5. 總裝配圖及實物圖 5.1 總裝配圖 圖5.1 總裝配圖 5.2 實物圖片6. 創(chuàng)新點及應用1） 聚多種繪圖工具功能于一身，提高繪圖效率。2）便捷繪圖儀無復雜機構(gòu)，操作簡便。3）運用偏置曲柄滑塊機構(gòu)，通過上下滑動滑塊可實現(xiàn)圓的快速繪制。4）能繪制所需長