凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法，其中，教具包括箱體、凸輪機構(gòu)和演示控制系統(tǒng)，演示控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制處理單元和顯示模塊，對教具的位移、速度、加速度和壓力等數(shù)據(jù)進行采集，并將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成顯示模塊的特性曲線圖像，使教學(xué)受眾直觀且具體的了解關(guān)于凸輪機構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)、運動過程和凸輪機構(gòu)運動特性的理論知識，提高教學(xué)實驗中凸輪機構(gòu)各知識點教學(xué)的連貫性；方法包括對數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示步驟，通過智能化過程將教具運動特性的量化結(jié)果直觀的顯示出來，讓教學(xué)受眾通過數(shù)據(jù)對比與分析深化到理論層面，達到探索型實驗的目的。
【專利說明】凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及教學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家對于機械行業(yè)人才綜合素質(zhì)要求的提高，使得高校機械類的課程，特別是機械原理、機械設(shè)計等基礎(chǔ)類課程的要求也在不斷提高。就目前機械原理的實驗教學(xué)模式來看，對于理論基礎(chǔ)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(jīng)與當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣與思維習(xí)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(xiàn)實相矛盾。
[0003]就凸輪機構(gòu)來說，凸輪機構(gòu)是由凸輪、從動件和機架三個基本構(gòu)架組成的高副結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便，可實現(xiàn)從動件任意預(yù)期運動，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛使用，目前，凸輪機構(gòu)機械原理實驗教學(xué)存在以下三大問題:
[0004]1、未能妥善解決凸輪機構(gòu)知識傳授與學(xué)生能力培養(yǎng)的關(guān)系，片面強調(diào)知識傳授，忽視了將知識內(nèi)化為學(xué)生能力與素質(zhì)；實驗教學(xué)中驗證型的實驗多，而探索型實驗少，實驗課并沒有讓同學(xué)走進凸輪機構(gòu)理論知識內(nèi)部，也并沒有激發(fā)起同學(xué)們對凸輪機構(gòu)理論知識的探索欲望，沒有發(fā)揮實驗教學(xué)的應(yīng)有的作用；
[0005]2、凸輪機構(gòu)實驗教學(xué)缺乏系統(tǒng)性，各個理論知識點分塊化現(xiàn)象嚴(yán)重，沒有一款涉獵凸輪機構(gòu)多個知識層面并且將其統(tǒng)一成宏觀知識體系的復(fù)合教具；與此同時，凸輪機構(gòu)實驗教學(xué)和其他實踐教學(xué)活動脫離，忽視了凸輪機構(gòu)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(xué)過程中沒有強調(diào)凸輪機構(gòu)整體設(shè)計理念；
[0006]3、因為學(xué)時的限制，不能安排較多的時間讓學(xué)生集中、同步實驗；而傳統(tǒng)凸輪機構(gòu)實驗教學(xué)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(xué)們獲取知識途徑與習(xí)慣的變化，傳統(tǒng)單一型凸輪機構(gòu)教具在凸輪機構(gòu)機械原理實驗課上逐步退出教學(xué)舞臺。
[0007]因此，需要對凸輪機構(gòu)教具及其演示控制方法進行改進，使其可涉獵凸輪機構(gòu)多個知識層面并且將各知識層面在教具上內(nèi)化統(tǒng)一成宏觀知識體系，提高教學(xué)實驗中凸輪機構(gòu)各知識點教學(xué)的連貫性，并可突出凸輪機構(gòu)整體設(shè)計理念，使學(xué)生可通過教具直接且宏觀具體的了解凸輪機構(gòu)理論知識，增強學(xué)生對凸輪機構(gòu)理論知識的探索欲望，并且通過改進演示控制方法，使教具可不受教學(xué)實驗場地、實驗器材和實驗趣味性等多方面的約束而任意展開，提高其廣泛適用性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供一種凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法，使教具本身可涉獵凸輪機構(gòu)多個知識層面，并且將各知識層面在教具上內(nèi)化統(tǒng)一成宏觀知識體系，提高教學(xué)實驗中凸輪機構(gòu)各知識點教學(xué)的連貫性，并可突出凸輪機構(gòu)整體設(shè)計理念，使學(xué)生可通過教具直接且宏觀具體的了解凸輪機構(gòu)理論知識，增強學(xué)生對凸輪機構(gòu)理論知識的探索欲望，并且其演示控制方法智能化程度較高，使教具操作可不受教學(xué)實驗場地、實驗器材和實驗趣味性等多方面的約束而任意展開，提高其廣泛適用性。
[0009]本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，包括箱體和凸輪機構(gòu)，凸輪機構(gòu)包括實體凸輪、推桿和機架導(dǎo)軌，推桿包括并列設(shè)置的推桿I和推桿II，推桿I和推桿II均與機架導(dǎo)軌縱向滑動配合，機架導(dǎo)軌以可相對于兩推桿縱向移動的方式設(shè)置，機架導(dǎo)軌為橫向長度可調(diào)結(jié)構(gòu)，實體凸輪對應(yīng)所述推桿I設(shè)置；
[0010]還包括演示控制系統(tǒng)，演示控制系統(tǒng)包括:
[0011]數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集獲取推桿運動特性參數(shù)，推桿運動特性參數(shù)包括:推桿的位移、速度和加速度，以及機構(gòu)壓力；
[0012]控制處理單元，用于將數(shù)據(jù)采集模塊傳來的不同特性參數(shù)所對應(yīng)信號分別處理成數(shù)字信號，并對處理后的數(shù)字信號進行整合后傳輸，同時對機構(gòu)運動過程中是否發(fā)生自鎖進行保護判斷；
[0013]顯示模塊，用于根據(jù)整合后的數(shù)字信號描點顯示凸輪機構(gòu)推桿的運動規(guī)律圖像。
[0014]進一步，數(shù)據(jù)采集模塊包括:位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器，位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器均安裝設(shè)置于箱體外壁；
[0015]位移傳感器，用于監(jiān)測推桿的位移變化情況；
[0016]速度傳感器，用于監(jiān)測推桿的速度變化情況；
[0017]加速度傳感器，用于監(jiān)測推桿的加速度變化情況；
[0018]壓力傳感器，安裝于機架導(dǎo)軌兩側(cè)，用于動態(tài)監(jiān)測推桿上升過程中推桿對機架導(dǎo)軌反作用力的變化情況；
[0019]教具還包括一頂置導(dǎo)軌，推桿I和推桿II均以可橫向移動的方式與頂置導(dǎo)軌配合設(shè)置，頂置導(dǎo)軌以可隨兩推桿同步上下往復(fù)移動的方式設(shè)置于箱體，頂置導(dǎo)軌上分別設(shè)置有與位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器對應(yīng)的感應(yīng)兀件。
[0020]進一步，控制處理單元包括:主機和從機，從機對應(yīng)位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器各設(shè)置一個，主機和四個從機采取串行多機通信的方式連接；
[0021]控制處理單元還包括一一對應(yīng)每一從機設(shè)置的濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，濾波放大電路輸入端與對應(yīng)傳感器輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端與濾波放大電路輸出端連接，輸出端與對應(yīng)從機輸入端連接。
[0022]進一步，演示控制系統(tǒng)還包括:外部中斷判斷單元，用于在主機與顯示模塊之間通過外部中斷方式進行數(shù)據(jù)傳輸時進行外部判斷。
[0023]進一步,還包括凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件,凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件包括畫板、標(biāo)線尺和用于驅(qū)動畫板相對于實體凸輪反向轉(zhuǎn)動的反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件，畫板對應(yīng)推桿II設(shè)置于箱體，推桿II下端設(shè)置有畫筆；
[0024]反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件包括動力裝置、主動力齒輪、實體凸輪驅(qū)動副和畫板驅(qū)動副，主動力齒輪與動力裝置輸出端傳動配合，實體凸輪驅(qū)動副包括分支齒輪I和與分支齒輪I傳動配合的槽輪機構(gòu)I，畫板驅(qū)動副包括分支齒輪II和與分支齒輪II傳動配合的槽輪機構(gòu)II，分支齒輪I與主動力齒輪直接嚙合傳動，分支齒輪II與分支齒輪I直接嚙合傳動，槽輪機構(gòu)I的從動軸與實體凸輪固定配合，槽輪機構(gòu)II的從動軸與所述畫板固定配合。
[0025]進一步，還包括偏心距調(diào)節(jié)組件，偏心距調(diào)節(jié)組件包括用于驅(qū)動推桿沿頂置導(dǎo)軌橫向移動的橫向進給機構(gòu)，橫向進給機構(gòu)對應(yīng)兩推桿分別設(shè)置一個，每一橫向進給機構(gòu)均包括蝸輪蝸桿機構(gòu)I和絲桿螺母副I，蝸輪蝸桿機構(gòu)I的蝸桿與絲桿螺母副I的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副I的螺母部分置于對應(yīng)推桿背側(cè)設(shè)置的縱向滑槽內(nèi)，每一推桿可相對于對應(yīng)橫向進給機構(gòu)上下移動。
[0026]進一步，還包括用于驅(qū)動機架導(dǎo)軌相對于推桿縱向移動的縱向進給機構(gòu)，機架導(dǎo)軌縱向進給機構(gòu)包括蝸輪蝸桿機構(gòu)II和絲桿螺母副II，蝸輪蝸桿機構(gòu)II的蝸桿與絲桿螺母副II的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副II的螺母與機架導(dǎo)軌配合連接。
[0027]本發(fā)明還公開一種所述凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的演示控制方法，包括:
[0028]通過不同分機分別處理數(shù)據(jù)采集模塊所采集的與凸輪機構(gòu)的推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的不同信號，并將處理后的數(shù)字信號通過串行多機通信方式反饋給主機；
[0029]主機對不同分機所傳遞數(shù)字信號整合后傳輸至顯示模塊上描點，同時主機還對凸輪機構(gòu)進行自鎖保護判斷；
[0030]顯示與推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的運動特性曲線。
[0031]進一步，主機與所述顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳送采用外部中斷方式進行。
[0032]進一步，主機對機構(gòu)進行自鎖保護判斷，包括:
[0033]主機首次讀取推桿位移數(shù)據(jù)SO ；
[0034]主機在額定時間Tl內(nèi)讀取位移信號10-20次，取最后一次位移數(shù)據(jù)SI ；
[0035]判斷比較SO與SI數(shù)值關(guān)系，當(dāng)SO古SI，判斷機構(gòu)未自鎖，結(jié)束；
[0036]當(dāng)SO = SI，主機首次讀取壓力數(shù)據(jù)為H)；
[0037]主機在額定時間T2內(nèi)讀取壓力數(shù)據(jù)10-20次，取最后一次為Fl ；
[0038]判斷比較H)與Fl數(shù)值關(guān)系，當(dāng)Fl = nR)時，主機發(fā)出控制步進電機停轉(zhuǎn)的控制信號，其中η為倍數(shù)且3彡η彡5 ;
[0039]電機停轉(zhuǎn)，結(jié)束。
[0040]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，設(shè)置凸輪機構(gòu)，通過演示控制系統(tǒng)對凸輪機構(gòu)運動過程中推桿的位移、速度和加速度，以及機構(gòu)的壓力進行采集檢測，并處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送到顯示模塊對推桿的運動速度規(guī)律圖像、運動位移規(guī)律圖像和運動加速度規(guī)律圖像進行顯示，該教具不僅本身涉獵凸輪機構(gòu)多個知識層面，并將各知識層面內(nèi)化成統(tǒng)一的知識體系，而且定性給出凸輪機構(gòu)的運動過程、運動特性，還將其定量化，使教學(xué)受眾直觀且具體的了解關(guān)于凸輪機構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)、運動過程和凸輪機構(gòu)運動特性的理論知識，提高教學(xué)實驗中凸輪機構(gòu)各知識點教學(xué)的連貫性，并可突出凸輪機構(gòu)整體設(shè)計理念，使學(xué)生可通過教具直接且宏觀具體的了解凸輪機構(gòu)理論知識，增強學(xué)生對凸輪機構(gòu)理論知識的探索欲望；而且，本教具使用智能化程度較高，使教具操作可不受教學(xué)實驗場地、實驗器材和實驗趣味性等多方面的約束而任意展開，提高其廣泛適用性。
[0041]本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具演示控制方法，智能化程度高，將教具運動特性的量化結(jié)果直觀的顯示出來，讓教學(xué)受眾通過數(shù)據(jù)對比與分析深化到理論層面，達到探索型實驗的目的；而且由于實行串行多機通信方式，保證主機能夠連續(xù)接收數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳遞的一致性，防止中斷的紊亂，可在教具的一個工作循環(huán)內(nèi)，同時、連續(xù)繪制出推桿運動規(guī)律的速度圖像、位移圖像和加速度圖像，而且還可對機構(gòu)自鎖進行保護判斷，不但了解機構(gòu)壓力角和自鎖現(xiàn)象的理論知識，還保護了整體結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0043]圖1為本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的傳動結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的槽輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4為本發(fā)明凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具演示控制方法的流程示意圖；
[0047]圖5為本發(fā)明凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的演示控制系統(tǒng)的運動特性參數(shù)信號通道圖；
[0048]圖6為本發(fā)明凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法中串行多機通信的流程圖；
[0049]圖7為本發(fā)明凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法中顯示模塊顯示運動規(guī)律圖像的過程流程圖；
[0050]圖8為本發(fā)明凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法中機構(gòu)自鎖判斷保護過程流程圖。

【具體實施方式】
[0051]如圖1所示:本實施例的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，包括箱體I和凸輪機構(gòu)，凸輪機構(gòu)包括實體凸輪2、推桿和機架導(dǎo)軌3，推桿包括并列設(shè)置的推桿I 4和推桿II 4a，推桿I 4和推桿II 4a均與機架導(dǎo)軌3縱向滑動配合，機架導(dǎo)軌3以可相對于兩推桿縱向移動的方式設(shè)置，機架導(dǎo)軌3為橫向長度可調(diào)結(jié)構(gòu)，實體凸輪2對應(yīng)所述推桿I 4設(shè)置；
[0052]還包括演示控制系統(tǒng)，演示控制系統(tǒng)包括:
[0053]數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集獲取推桿運動特性參數(shù)，推桿運動特性參數(shù)包括:推桿的位移、速度和加速度，以及機構(gòu)壓力；
[0054]控制處理單元，用于將數(shù)據(jù)采集模塊傳來的不同特性參數(shù)所對應(yīng)信號分別處理成數(shù)字信號，并對處理后的數(shù)字信號進行整合后傳輸，同時對機構(gòu)運動過程中是否發(fā)生自鎖進行保護判斷；
[0055]顯示模塊9，用于根據(jù)整合后的數(shù)字信號描點顯示凸輪機構(gòu)推桿的運動規(guī)律圖像；推桿的運動規(guī)律圖像包括:運動位移規(guī)律圖像、運動速度規(guī)律圖像和運動加速度規(guī)律圖像。
[0056]其中，實體凸輪2為實際應(yīng)用中任意形式的凸輪，為了讓各種形式的凸輪更加容易更換，本發(fā)明的實體凸輪2采用拆卸方便的卡簧定位；機架導(dǎo)軌3為橫向長度可調(diào)結(jié)構(gòu)，且機架導(dǎo)軌3的橫向長度在調(diào)整到某一所需長度時可在推桿運動時保持該長度不動，需要其它長度時需對其重新調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)可通過現(xiàn)有機械伸縮方式實現(xiàn)，在此不再贅述；為了增加推桿的運動平穩(wěn)性，可采用鎖止彈簧機構(gòu)對兩推桿進行預(yù)緊，另外，本發(fā)明力圖滿足所有推桿類型的需要，在推桿尾端設(shè)置一個銷釘，用以連接各種不同形式的推桿；教具可能在機架導(dǎo)軌3長度調(diào)節(jié)過程中發(fā)生自鎖，因而必須設(shè)置一個保護系統(tǒng)避免自鎖帶來的破壞
[0057]如圖1所示，本實施例中，數(shù)據(jù)采集模塊包括:位移傳感器5、速度傳感器6、加速度傳感器7和壓力傳感器，位移傳感器5、速度傳感器6和加速度傳感器7均安裝設(shè)置于箱體I外壁；
[0058]位移傳感器5，用于監(jiān)測推桿的位移變化情況；
[0059]速度傳感器6，用于監(jiān)測推桿的速度變化情況；
[0060]加速度傳感器7，用于監(jiān)測推桿的加速度變化情況；
[0061]壓力傳感器，安裝于機架導(dǎo)軌3兩側(cè)，用于動態(tài)監(jiān)測推桿上升過程中推桿對機架導(dǎo)軌3反作用力的變化情況；其中，壓力傳感器為壓電式傳感器，位移傳感器5采用電容式傳感器，速度傳感器6采用霍爾式傳感器，加速度傳感器7采用壓阻式傳感器；
[0062]教具還包括一頂置導(dǎo)軌8，推桿I 4和推桿II 4a均以可橫向移動的方式與頂置導(dǎo)軌8配合設(shè)置，頂置導(dǎo)軌8以可隨兩推桿同步上下往復(fù)移動的方式設(shè)置于箱體1，頂置導(dǎo)軌8上分別設(shè)置有與位移傳感器5、速度傳感器6和加速度傳感器7 對應(yīng)的感應(yīng)兀件(圖中為感應(yīng)元件5a、感應(yīng)元件6a和感應(yīng)元件7a)。
[0063]本實施例中，控制處理單元包括:主機和從機，從機對應(yīng)位移傳感器5、速度傳感器6、加速度傳感器7和壓力傳感器各設(shè)置一個，主機和四個從機采取串行多機通信的方式連接；如圖5和圖6所示，控制處理單元的主機和從機均為單片機，通過不同分機分別處理不同傳感器傳遞過來的信號，再將處理后的數(shù)字信號通過串行通訊方式反饋給主機(主控單片機)，主機將傳遞過來的信號整合后送到顯示模塊9，顯示出推桿的運動規(guī)律圖像，也就是說，演示控制系統(tǒng)需要三個輸入模擬通道，分別對應(yīng)位移輸入通道、速度輸入通道、力口速度輸入通道，三個通道分別對應(yīng)三塊從機，每塊從機將各自通道采集到的數(shù)據(jù)在存儲單元里面進行存儲，即每一輸入通道的數(shù)據(jù)均通過相應(yīng)的從機存儲、傳輸，所以從機要在內(nèi)部開辟一段存儲空間，用于存儲對應(yīng)的位移、速度、加速度信息，優(yōu)選地，該存儲空間的存儲結(jié)構(gòu)為隊列結(jié)構(gòu)；由主機發(fā)出控制命令，與相應(yīng)的從機進行串行通訊，主控單片機完成與從機的數(shù)據(jù)交換后，將數(shù)據(jù)送到顯示模塊9上描點，在本教具的一個工作循環(huán)內(nèi)，可以同時、連續(xù)繪制出推桿運動規(guī)律的運動位移規(guī)律圖像、運動速度規(guī)律圖像和運動加速度規(guī)律圖像。
[0064]控制處理單元還包括一一對應(yīng)每一從機設(shè)置的濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，濾波放大電路輸入端與對應(yīng)傳感器輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端與濾波放大電路輸出端連接，輸出端與對應(yīng)從機輸入端連接；移傳感器、速度傳感器6、加速度傳感器7和壓力傳感器采集的量均為模擬量，而單片機處理的是數(shù)字量，所以需要對各個通道進行A/D轉(zhuǎn)換，同時，還需對傳感器采集到的模擬量進行采樣/保持、放大、濾波等一系列的處理；
[0065]四個從機分別存儲一個通道的數(shù)據(jù)，各自通道的傳感器采集的信號經(jīng)過一系列的處理后，再通過A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)從機的特定存儲區(qū)域內(nèi)。值得注意的是:從機數(shù)據(jù)應(yīng)采用順序存儲，使得數(shù)據(jù)在時間上具有連續(xù)性。由圖可以看到，從機的數(shù)據(jù)要傳給主機，為了保證數(shù)據(jù)傳遞的一致性，對于主機與從機之間的多機通信，還應(yīng)做出相關(guān)約定。
[0066]本實施例中，如圖7所示，演示控制系統(tǒng)還包括:外部中斷判斷單元，用于在主機與顯示模塊9之間通過外部中斷方式進行數(shù)據(jù)傳輸時進行外部判斷；另外，主機的數(shù)據(jù)來自四個不同的通道，所以主機需要在數(shù)據(jù)緩存區(qū)開辟四塊獨立的空間分別存儲這四類數(shù)據(jù)，本發(fā)明在主機與顯示模塊9之間的數(shù)據(jù)傳送采用外部中斷方式進行。
[0067]本實施例中，如圖2和圖3所示，還包括凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件，凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件包括畫板10、標(biāo)線尺11和用于驅(qū)動畫板10相對于實體凸輪2反向轉(zhuǎn)動的反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件，畫板10對應(yīng)推桿II 4a設(shè)置于箱體1，推桿II 4a下端設(shè)置有畫筆；凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件主要是將實體凸輪2通過反轉(zhuǎn)法繪制成虛擬凸輪，即虛擬凸輪為畫筆根據(jù)實體凸輪2根據(jù)實體凸輪2運用反轉(zhuǎn)法原理連續(xù)畫出，虛擬凸輪不受推桿初始位置和實體凸輪2類型以及偏距的影響，使實驗者了解通過反轉(zhuǎn)法對凸輪進行設(shè)計的方法；另外，標(biāo)線尺11是一個安裝固定且尺寸線對稱的直尺，必須注意到的是，真實凸輪與虛擬凸輪的偏心距必須相等并且互為相反，這樣才能得到正確繪制結(jié)構(gòu)，為了保證調(diào)節(jié)過程中的準(zhǔn)確性，本發(fā)明設(shè)置一個尺寸線對稱分布并且零刻線分布與真實凸輪和虛擬凸輪旋轉(zhuǎn)中心對齊的水平直尺(即標(biāo)線尺11)，在調(diào)節(jié)各自偏心的過程中用于參照；
[0068]反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件包括動力裝置14、主動力齒輪15、實體凸輪驅(qū)動副和畫板驅(qū)動副，主動力齒輪15與動力裝置14輸出端傳動配合，實體凸輪驅(qū)動副包括分支齒輪I 16和與分支齒輪I 16傳動配合的槽輪機構(gòu)I 17，畫板驅(qū)動副包括分支齒輪II 18和與分支齒輪II 18傳動配合的槽輪機構(gòu)II 19，分支齒輪I 16與主動力齒輪15直接嚙合傳動，分支齒輪II 18與分支齒輪I 16直接嚙合傳動，槽輪機構(gòu)I 17的從動軸與實體凸輪2固定配合，槽輪機構(gòu)II 19的從動軸與所述畫板10固定配合；其中，動力裝置14采用控制精度高的步進電機，畫板10和實體凸輪2通過反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，槽輪機構(gòu)具有制造簡單、分度精度高的優(yōu)點，槽輪機構(gòu)I 17和槽輪機構(gòu)II 19對稱設(shè)置成對稱槽輪機構(gòu)，形成對稱間隙機構(gòu)，以實現(xiàn)實體凸輪2與畫板10的相對反轉(zhuǎn)，為了實現(xiàn)完全同步運行槽輪機構(gòu)I 17和槽輪機構(gòu)II 19裝配位置關(guān)系一定要嚴(yán)格對稱，在兩個槽輪機構(gòu)對應(yīng)的葉子上做好標(biāo)記；另外，要達到對稱槽輪機構(gòu)的相對反轉(zhuǎn)，而且考慮到其轉(zhuǎn)速同步精度高的要求，用尺寸規(guī)格一致的分支齒輪I 16與分支齒輪II 18外嚙合傳動來實現(xiàn)；當(dāng)然本發(fā)明的對稱間歇機構(gòu)也可以是其它能夠達到所述目的的一切機構(gòu)；
[0069]其中，主動力齒輪15為一小齒輪，分支齒輪I 16與主動力齒輪15直接嚙合，分支齒輪II 18與分支齒輪I 16嚙合傳動，槽輪機構(gòu)I 17的主動轉(zhuǎn)盤20與分支齒輪I 16同軸傳動，槽輪機構(gòu)I 17的從動槽輪21與實體凸輪同軸傳動，槽輪機構(gòu)II 19的主動轉(zhuǎn)盤22與分支齒輪II 18同軸設(shè)置，槽輪機構(gòu)II 19的從動槽輪23與實體凸輪2同軸設(shè)置。
[0070]如圖1所示，本實施例中，還包括偏心距調(diào)節(jié)組件，偏心距調(diào)節(jié)組件包括用于驅(qū)動推桿沿頂置導(dǎo)軌8橫向移動的橫向進給機構(gòu)(圖中為橫向進給機構(gòu)12和橫向進給機構(gòu)12a),橫向進給機構(gòu)對應(yīng)兩推桿分別設(shè)置一個,每一橫向進給機構(gòu)均包括蝸輪蝸桿機構(gòu)I和絲桿螺母副I，蝸輪蝸桿機構(gòu)I的蝸桿與絲桿螺母副I的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副I的螺母部分置于對應(yīng)推桿背側(cè)設(shè)置的縱向滑槽內(nèi)，每一推桿可相對于對應(yīng)橫向進給機構(gòu)上下移動；橫向進給機構(gòu)采取返程不自鎖的蝸輪蝸桿機構(gòu)，通過搖動蝸輪蝸桿機構(gòu)I的蝸輪驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動絲桿螺母副I的絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿帶動螺母沿直線運動，推桿上設(shè)置有縱向滑槽，絲桿螺母副II的螺母位于縱向滑槽內(nèi)且推桿上下運動時絲桿螺母副II的螺母不移動，螺母沿橫向直線運動時可推動推桿橫向移動，從而達到驅(qū)動調(diào)節(jié)凸輪機構(gòu)偏心距的目的。
[0071]如圖1所示，本實施例中，還包括用于驅(qū)動機架導(dǎo)軌3相對于推桿縱向移動的縱向進給機構(gòu)13，機架導(dǎo)軌3縱向進給機構(gòu)13包括蝸輪蝸桿機構(gòu)II和絲桿螺母副II，蝸輪蝸桿機構(gòu)II的蝸桿與絲桿螺母副II的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副II的螺母與機架導(dǎo)軌3配合連接；縱向進給機構(gòu)13采用返程不自鎖的蝸輪蝸桿機構(gòu)，通過搖動蝸輪蝸桿機構(gòu)II的蝸輪驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動絲桿螺母副II的絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿帶動螺母沿直線運動，機架導(dǎo)軌3與絲桿螺母副II的螺母固定連接，從而達到驅(qū)動調(diào)節(jié)機架導(dǎo)軌3縱向移動的目的。
[0072]在對機架導(dǎo)軌3縱向高度的調(diào)節(jié)和凸輪機構(gòu)偏心距的調(diào)節(jié)過程中，為使調(diào)節(jié)量可見，在每一蝸輪蝸桿機構(gòu)的調(diào)節(jié)端設(shè)置一個簡易的游標(biāo)卡尺計量機構(gòu)，為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。
[0073]如圖4所示，本發(fā)明還公開一種所述凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具的演示控制方法，包括:
[0074]通過不同分機分別處理數(shù)據(jù)采集模塊所采集的與凸輪機構(gòu)的推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的不同信號，并將處理后的數(shù)字信號通過串行多機通信方式反饋給主機；
[0075]主機對不同分機所傳遞數(shù)字信號整合后傳輸至顯示模塊9上描點，同時主機還對凸輪機構(gòu)進行自鎖保護判斷；
[0076]顯示與推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的運動特性曲線。
[0077]其中，如圖5和圖6所示，主機與從機間的串行通訊方式為:事先對四個從機編碼。主機首先將第九數(shù)據(jù)位置為1，代表主機發(fā)送的是地址幀。此時，四個從機均置為I。然后，主機發(fā)送從機的編碼，從機接受到地址幀后與自身的編碼比較，若相同，則將置為0，同時將自身編碼作為應(yīng)答碼反饋給主機。主機在接受到應(yīng)答碼后置第九數(shù)據(jù)位為0，于是便開始與所述從機進行通信。本實施例要求多機通信要順序進行，一是保證主機能夠連續(xù)接收到數(shù)據(jù)，二是防止中斷的紊亂。
[0078]本實施例中，主機與所述顯示模塊9之間的數(shù)據(jù)傳送采用外部中斷方式進行；如圖7所示，即顯示模塊9顯示推桿運動規(guī)律的過程方式為:主機將4種類型的數(shù)據(jù)在外部中斷判斷單元下依次傳送給顯示模塊9，中斷判斷單元應(yīng)該具備判斷顯示模塊9發(fā)出的“外部中段請求類型”的功能，即是說能夠判斷出顯示模塊9是想要哪一種類型的數(shù)據(jù)。在主機響應(yīng)外部中斷后，將該類型的數(shù)據(jù)從對應(yīng)的存儲區(qū)域取出，然后傳送給顯示模塊9。在顯示模塊9接收完一個數(shù)據(jù)之后，立即在屏幕對應(yīng)的坐標(biāo)系上描點。描完一個點后，將產(chǎn)生下一個中斷，顯示模塊9將接收第二種類型的數(shù)據(jù)，依次進行下去，直到完整繪出運動規(guī)律圖像為止。
[0079]于是，顯示模塊9的繪圖過程與凸輪的運轉(zhuǎn)步調(diào)完全保持一致，且繪圖不受凸輪類型的限制。“虛擬凸輪”的運動規(guī)律與“真實凸輪”完全一致，只是轉(zhuǎn)角互為相反數(shù)。
[0080]如圖8所示，本實施例中，主機對機構(gòu)進行自鎖保護判斷，包括:
[0081]主機首次讀取推桿位移數(shù)據(jù)SO ；
[0082]主機在額定時間Tl內(nèi)讀取位移信號10-20次，取最后一次位移數(shù)據(jù)SI ；
[0083]判斷比較SO與SI數(shù)值關(guān)系，當(dāng)SO古SI，判斷機構(gòu)未自鎖，結(jié)束；
[0084]當(dāng)SO = SI，主機首次讀取壓力數(shù)據(jù)為H)；
[0085]主機在額定時間T2內(nèi)讀取壓力數(shù)據(jù)10-20次，取最后一次為Fl ；
[0086]判斷比較H)與Fl數(shù)值關(guān)系，當(dāng)Fl = nR)時，主機發(fā)出控制步進電機停轉(zhuǎn)的控制信號，其中η為倍數(shù)且3彡η彡5 ;
[0087]電機停轉(zhuǎn)，結(jié)束。
[0088]其中，Τ1、Τ2時間可取l_3s，最優(yōu)的，Τ1、Τ2均取2s，在Τ1、Τ2內(nèi)讀取數(shù)據(jù)次數(shù)均為20次，另外，因為具體的壓力差值隨著機器的型號以及運動參數(shù)的改變而有所不同，而且根據(jù)機械原理的相關(guān)知識表明，推桿在上升過程中，在導(dǎo)軌中所收到的壓力變化不會很大，同時數(shù)據(jù)讀取是在額定時間內(nèi)進行的，因此用相對壓力升高率來判斷，即是說當(dāng)最后一次讀取的壓力數(shù)據(jù)大于了首次讀取數(shù)據(jù)的η倍的時候即認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生自鎖或者有發(fā)生自鎖的趨勢。主機在每一個額定時間段都會對壓力數(shù)據(jù)進行一次讀取比較，主機內(nèi)部會有一個算法將每一個壓力數(shù)據(jù)檢測循環(huán)中首次讀取的壓力數(shù)據(jù)計算到η倍值(當(dāng)然在每一個循環(huán)中初始值會不一樣)，隨后主機再將檢測循環(huán)中讀取的數(shù)據(jù)與η倍值比較即可，本實施例中，η為倍數(shù)，η優(yōu)選的可為3、4或5均可，本實施例中，η為4，即Fl等于四倍的H)時，SP判斷出現(xiàn)自鎖，控制電機停轉(zhuǎn)。要注意的是，為了防止發(fā)生誤判，必須讓壓力檢測過程在機器運行至穩(wěn)定后進行，通過一個延時程序就可實現(xiàn)，屬于現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。
[0089]本發(fā)明在調(diào)節(jié)偏心距和調(diào)節(jié)機架導(dǎo)軌3縱向高度時可能會發(fā)生自鎖，考慮到機械保護裝置易損壞、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難的不足，本發(fā)明采用電子控制的辦法來實現(xiàn)自鎖保護。在本發(fā)明發(fā)生自鎖的時候，會出現(xiàn)兩個特征，一是推桿卡死在一個位置不動，即是說位移信號為一常值，二是機架導(dǎo)軌3對推桿的反作用力隨時間的增加明顯。鑒于著兩個特征，本發(fā)明在主機的防自鎖程序設(shè)計中采用了兩個判斷結(jié)構(gòu)，分別判斷推桿有無上述的發(fā)生自鎖的兩個特征，當(dāng)程序判斷兩個特征均存在，就認(rèn)為所述凸輪發(fā)生自鎖。此時主機將調(diào)用電機停轉(zhuǎn)的子程序，讓電機停止轉(zhuǎn)動，從而保護了整個系統(tǒng)。當(dāng)然，為了保證數(shù)據(jù)采集比較的實時性，本程序單元應(yīng)該與多機通信程序單元交叉進行。
[0090]本發(fā)明的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具及其演示控制方法，從本質(zhì)上克服了傳統(tǒng)凸輪機構(gòu)教具的不足，體現(xiàn)了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的現(xiàn)代化教具設(shè)計思路?！耙晃锒嘤谩北憩F(xiàn)在一套凸輪教具幾乎囊括了有關(guān)凸輪教學(xué)過程中的所有知識點，“一物巧用”表現(xiàn)在通過現(xiàn)代控制理論和富有新穎性的機構(gòu)設(shè)計克服了探索型教具研制過程中的瓶頸問題?！耙晃锷钣谩斌w現(xiàn)在所述復(fù)合型教具不僅僅用于機械原理的教學(xué)場合，對于實際生產(chǎn)過程與科研領(lǐng)域亦有相當(dāng)?shù)挠梦渲亍?br> [0091]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:包括箱體和凸輪機構(gòu)，所述凸輪機構(gòu)包括實體凸輪、推桿和機架導(dǎo)軌，所述推桿包括并列設(shè)置的推桿I和推桿II，推桿I和推桿II均與機架導(dǎo)軌縱向滑動配合，所述機架導(dǎo)軌以可相對于兩推桿縱向移動的方式設(shè)置，所述機架導(dǎo)軌為橫向長度可調(diào)結(jié)構(gòu)，所述實體凸輪對應(yīng)所述推桿I設(shè)置； 還包括演示控制系統(tǒng)，所述演示控制系統(tǒng)包括: 數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集獲取推桿運動特性參數(shù)，所述推桿運動特性參數(shù)包括:推桿的位移、速度和加速度，以及機架導(dǎo)軌側(cè)壓力； 控制處理單元，用于將數(shù)據(jù)采集模塊傳來的不同特性參數(shù)所對應(yīng)信號分別處理成數(shù)字信號，并對處理后的數(shù)字信號進行整合后傳輸，同時對機構(gòu)運動過程中是否發(fā)生自鎖進行保護判斷； 顯示模塊，用于根據(jù)整合后的數(shù)字信號描點顯示凸輪機構(gòu)推桿的運動規(guī)律圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集模塊包括:位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器，所述位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器均安裝設(shè)置于所述箱體外壁； 所述位移傳感器，用于監(jiān)測推桿的位移變化情況； 所述速度傳感器，用于監(jiān)測推桿的速度變化情況； 所述加速度傳感器，用于監(jiān)測推桿的加速度變化情況； 所述壓力傳感器，安裝于機架導(dǎo)軌兩側(cè)，用于動態(tài)監(jiān)測推桿上升過程中推桿對機架導(dǎo)軌反作用力的變化情況； 所述教具還包括一頂置導(dǎo)軌，推桿I和推桿II均以可橫向移動的方式與所述頂置導(dǎo)軌配合設(shè)置，所述頂置導(dǎo)軌以可隨兩推桿同步上下往復(fù)移動的方式設(shè)置于所述箱體，所述頂置導(dǎo)軌上分別設(shè)置有與位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器一一對應(yīng)的感應(yīng)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:所述控制處理單元包括:主機和從機，所述從機對應(yīng)位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器各設(shè)置一個，所述主機和四個所述從機采取串行多機通信的方式連接； 控制處理單元還包括一一對應(yīng)每一從機設(shè)置的濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，濾波放大電路輸入端與對應(yīng)傳感器輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端與濾波放大電路輸出端連接，輸出端與對應(yīng)從機輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:所述演示控制系統(tǒng)還包括:外部中斷判斷單元，用于在所述主機與所述顯示模塊之間通過外部中斷方式進行數(shù)據(jù)傳輸時進行外部判斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:還包括凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件，所述凸輪廓線反轉(zhuǎn)繪制組件包括畫板、標(biāo)線尺和用于驅(qū)動畫板相對于實體凸輪反向轉(zhuǎn)動的反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件，所述畫板對應(yīng)推桿II設(shè)置于箱體，所述推桿II下端設(shè)置有畫筆； 所述反轉(zhuǎn)驅(qū)動組件包括動力裝置、主動力齒輪、實體凸輪驅(qū)動副和畫板驅(qū)動副，所述主動力齒輪與所述動力裝置輸出端傳動配合，所述實體凸輪驅(qū)動副包括分支齒輪I和與所述分支齒輪I傳動配合的槽輪機構(gòu)I，所述畫板驅(qū)動副包括分支齒輪II和與分支齒輪II傳動配合的槽輪機構(gòu)II，所述分支齒輪I與所述主動力齒輪直接嚙合傳動，所述分支齒輪II與所述分支齒輪I直接嚙合傳動，所述槽輪機構(gòu)I的從動軸與所述實體凸輪固定配合，所述槽輪機構(gòu)II的從動軸與所述畫板固定配合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:還包括偏心距調(diào)節(jié)組件，所述偏心距調(diào)節(jié)組件包括用于驅(qū)動推桿沿頂置導(dǎo)軌橫向移動的橫向進給機構(gòu)，橫向進給機構(gòu)對應(yīng)兩推桿分別設(shè)置一個，每一橫向進給機構(gòu)均包括蝸輪蝸桿機構(gòu)I和絲桿螺母副I，蝸輪蝸桿機構(gòu)I的蝸桿與絲桿螺母副I的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副I的螺母部分置于對應(yīng)推桿背側(cè)設(shè)置的縱向滑槽內(nèi)，每一推桿可相對于對應(yīng)橫向進給機構(gòu)上下移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具，其特征在于:還包括用于驅(qū)動機架導(dǎo)軌相對于推桿縱向移動的縱向進給機構(gòu)，所述機架導(dǎo)軌縱向進給機構(gòu)包括蝸輪蝸桿機構(gòu)II和絲桿螺母副II，蝸輪蝸桿機構(gòu)II的蝸桿與絲桿螺母副II的絲桿同軸傳動配合，絲桿螺母副II的螺母與機架導(dǎo)軌配合連接。
8.一種凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具演示控制方法，其特征在于: 通過不同分機分別處理數(shù)據(jù)采集模塊所采集的與凸輪機構(gòu)的推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的不同信號，并將處理后的數(shù)字信號通過串行多機通信方式反饋給主機； 主機對不同分機所傳遞數(shù)字信號整合后傳輸至顯示模塊上描點，同時主機還對凸輪機構(gòu)進行自鎖保護判斷； 顯示與推桿運動參數(shù)相對應(yīng)的運動特性曲線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具演示控制方法，其特征在于:所述主機與所述顯示模塊之間的數(shù)據(jù)傳送采用外部中斷方式進行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的凸輪機構(gòu)復(fù)合型教具演示控制方法，其特征在于:所述主機對機構(gòu)進行自鎖保護判斷，包括: 主機首次讀取推桿位移數(shù)據(jù)SO ； 主機在額定時間Tl內(nèi)讀取位移信號10-20次，取最后一次位移數(shù)據(jù)SI ； 判斷比較SO與SI數(shù)值關(guān)系，當(dāng)SO古SI，判斷機構(gòu)未自鎖，結(jié)束； 當(dāng)SO = SI，主機首次讀取壓力數(shù)據(jù)為H)； 主機在額定時間T2內(nèi)讀取壓力數(shù)據(jù)10-20次，取最后一次為Fl ； 判斷比較H)與Fl數(shù)值關(guān)系，當(dāng)Fl = nR)時，主機發(fā)出控制步進電機停轉(zhuǎn)的控制信號，其中η為倍數(shù)且3彡η彡5; 電機停轉(zhuǎn)，結(jié)束。
【文檔編號】G09B25/02GK104200740SQ201410441268
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】胡啟國, 向果, 侯楠, 秦鋒 申請人:重慶交通大學(xué)