多用途電動圓規(guī)輔助教具開發(fā)

畢亞東

(安徽國防科技職業(yè)學院 機械工程系,安徽 六安 237011)

摘要：常見的圓規(guī)教具多為手動式，這種教具在使用中存在定心不準、畫圖不便、精度不高等諸多缺點.為此本設計團隊設計了一種電動圓規(guī)方案來解決上述問題.該設計方案改變了以往教師手動畫圖的方式，采用減速電機來作為驅(qū)動力，畫圓只需要調(diào)整好半徑，定好圓心接通電源，圓就會自動繪出.本設計方案的產(chǎn)品上標有精確的刻度標值，相對于傳統(tǒng)的教學圓規(guī)而言，能夠較為精確的畫出所需的直徑尺寸的圓.

關(guān)鍵詞：設計開發(fā);電動式;錐齒輪傳動;多用途

中圖分類號：TH122文獻標志碼：A

DevelopmentofAuxiliaryTeachingAidofMultipurposeElectricCompass

BIYa-dong

(DepartmentofMechanicalEngineering,AnhuiVocationalCollegeofDefenseTechnology,Liu’an237011,China)

Abstract：Common teaching aid of compasses are all manual type, and this kind of teaching aid have many disadvantages such as inaccurate positioning, inconvenience drawing and low accuracy and so on. Therefore, the design team proposed a scheme of electric compass for solving this problem. This design has changed the traditional teaching way of manual drawing, and it adopts gear motor as the driving force. Drawing a circle only need to adjust the radius, set the center of the circle, switch on the power supply, and the circle will be automatically draw. The product of this design is marked with scale values accurately, compared with the traditional case of teaching compasses, the circle with the required size of the diameter could be accurately draw by using of this kind of electric compass.

Keywords：designanddevelopment;electrictype;bevelgeardrive;multipurpose

圓規(guī)是廣泛應用于工程繪圖和制圖教學中的重要作圖工具.目前，現(xiàn)有的圓規(guī)采用一只腳固定在圓心上旋轉(zhuǎn)，另一只腳繪制圓的方式，通常需要制圖教師一只手穩(wěn)住圓心腳，盡量減小誤差，防止圓心腳隨著轉(zhuǎn)動移動位置，使得畫出的圓不準確.這種情況在用圓規(guī)進行制圖教學時，給教學帶來諸多不便，而且示范效果較差.手動圓規(guī)繪圖腳與繪圖面不垂直，導致畫筆會在畫圓時沿徑滑動，使得實際做出圓形的半徑與刻度尺讀數(shù)偏差較大或整圓首尾不接的情況.在垂直面畫圖時，一般需要較大扭矩，現(xiàn)有的圓規(guī)在此種條件下很難流暢地繪制出精確度高的圖形.為解決上述問題，設計了一種電動圓規(guī)，驅(qū)動力由12V的電機直接驅(qū)動，無需人工驅(qū)動.通過一對錐齒輪傳動，進而帶動圓規(guī)進行回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速負載為12rpm，相當于每5秒鐘繪制一個圓，速度大小適當.[1]設計方案中的電機及傳動機構(gòu)殼體采用ABS材料，具有強度高、韌性好、使用壽命長等特點.并且本設計方案體積精巧，便于教師攜帶.

圖1　電動圓規(guī)裝配圖

1結(jié)構(gòu)設計

本設計將電動式圓規(guī)設計為梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的圓規(guī)具有圓規(guī)定位腳和繪圖腳均與繪圖面垂直，圓心腳完全固定的特性，能夠徹底解決繪圖過程中圓心腳移位、半徑自行擴大的問題，提高了圓規(guī)繪圓的準確度，降低了操作難度，給制圖教學繪圓和工程應用繪圓帶來便利，而且本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、使用方便.具體結(jié)構(gòu)為以下組成原理，見圖1、圖2.[2]

該電動圓規(guī)包括圓心定位桿1、橫桿2、滑塊3和動力裝置四大部分.裝配原理為，圖2中橫桿2的中部鉸接在圓心定位桿1上，橫桿2以定位桿為軸自由轉(zhuǎn)動，圖示的動力裝置與滑塊3分設在橫桿2的左右兩段，橫桿2由前后兩片組成(圖3、圖4)，其上定位槽4可以保證前后兩片正確定位結(jié)合.滑塊3在橫桿2上自由滑動，橫桿2上標有長度刻度，可以精確得到畫圓半徑.

圖2中動力裝置包括驅(qū)動減速電動機、傳動系統(tǒng)和電源.傳動原理為，安裝在電動機轉(zhuǎn)軸上的錐齒輪與定位桿1上的錐齒輪6(圖5)相嚙合.當定位桿1固定，電機自傳推動電機繞定位桿1的公轉(zhuǎn)，并帶動橫桿2繞定位桿1轉(zhuǎn)動.[3-5]圖2中夾持裝置包括通孔8和螺栓7，通過緊固螺栓7對穿過通孔8的繪圖筆進行夾持.

具體使用時，根據(jù)所要繪制的圓的大小，先調(diào)整好滑塊3的位置，使其與圓心定位桿1之間的距離和圓的半徑一致，再將圓心定位桿1固定在圓心處，然后接通電源，減速電動機5即可驅(qū)動橫桿2旋轉(zhuǎn)，從而繪制出所需要的圓.[6]

圖2　電動圓規(guī)效果圖

圖3　圓規(guī)外殼后片

圖4　圓規(guī)外殼前片

圖5　錐齒輪

2產(chǎn)品創(chuàng)新點

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設計具有以下有益效果：

(1)為了方便控制滑塊及筆相對于圖紙的垂直性，將動力裝置設在橫桿的尾段，滑塊設在橫桿的首段，從而使橫桿保持平衡的狀態(tài)，進而減小實際繪出圖形的半徑與刻度尺讀數(shù)的誤差；而且，在垂直面畫圖時，會遇到需要大扭矩的情況，裝置中通過平衡桿結(jié)構(gòu)，改善了此情況；

(2)結(jié)構(gòu)簡單，由微型電機的主軸帶動橫桿及設置在橫桿上的滑塊沿著圓心定位桿軸向旋轉(zhuǎn)，因而繪制圓的速度快，繪制精確度高；

(3)使用方便，橫桿上標有長度刻度，能直接讀取滑塊與圓心定位桿之間的距離，即所要繪制的圓的半徑；

(4)對圓規(guī)的結(jié)構(gòu)進行合理的設計，解決了繪圖過程中圓心腳移位的問題，提高了圓規(guī)繪圓的準確度，降低了操作難度，給制圖教學和工程應用帶來便利.

3應用前景

在社會經(jīng)濟、科技、文化水平飛速增長的當代，人們對于教育教學愈加的重視，小學、中學、大學林立，而且據(jù)有關(guān)部門發(fā)布的社會調(diào)查顯示，國內(nèi)的學校數(shù)量仍在持續(xù)增長，可見本產(chǎn)品的市場非常廣闊.

畫圓在各個科目中都屬于非常顯見的一種教學方式，如：幾何、高數(shù)、室內(nèi)設計、CAD手繪、機械設計等，這就使得學校對于教學圓規(guī)的需求量較大.而本產(chǎn)品具有傳統(tǒng)圓規(guī)所不具備的各項優(yōu)點，一定能夠在市場中迅速占據(jù)主體地位.

本產(chǎn)品是一件實用性能高、社會效益好、使用方便，且生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)要求低、市場競爭力大的良好的教學用具，必定能帶給教師更便捷的教學方式，也必定能產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益.

[參考文獻]

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[3]張宏新,阿達依·謝爾亞孜旦,朱平.基于AutoCAD的弧齒錐齒輪設計系統(tǒng)[J].機械傳動，2013,37(4)：49-52.

[4]朱孝錄.齒輪傳動設計手冊[S].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[5]MATTHEWD.Designandanalysisofaspiralbevelgear[D].Hartford:RensselaerPolytechnicInstitute,2009:16-30.

[6]閆換新.人機工程在圓規(guī)設計中的研究[J].人類工效學,2011,17(1):63-65.

[責任編輯王新奇]