发明专利申请书.docx

专利名称：平面四连杆设计绘图仪申请人：清华大学地址：北京市海淀区清华园1号发明人：*助教：宋剑 教师：Ji Linhong说明书摘要该发明可作为机械原理课程的教具，也可用于更广泛的连杆机构、连杆凸轮组合机构设计与研究。该发明在单纯的四连杆机构的基础上，将单纯的转动副改成十字滑块以及带滑块的转动副，并在侧面通过增加紧固螺钉对其固定。它可以实现各个杆的长度调节，从而能够演变出各种形式的四杆机构进行教学演示。此外，根据一定的算法改变各杆长的比例，还能够较为方便地解决某些机构设计问题将悬空架展开，在原有主体机构的基础上再加两根杆、一个十字滑块以及一对齿轮条，则能实现连杆凸轮组合机构中“凸轮曲线”的绘制（主体机构见图5，绘制凸轮曲线时的机构见图6）。权利要求书1.一种连杆机构，其特征在于具有利用旋转轴使彼此可旋转的几对连接部件、具有用于提供角位移-线位移转换的齿轮齿条机构。2.根据权利要求1所述的连接部件，其特征在于具有可调节有效工作长度的滑块，以及防止滑块在机构工作时移动的紧固螺钉。3. 根据权利要求1所述的齿轮，其特征在于和一根直接连到悬空架的连接部件具有相同的角位移。说明书技术领域本发明涉及连杆机构，尤其涉及用于机械原理课程的连杆教具及绘图装置。背景技术CN86105261公开了“自动连杆曲线绘制仪”，它可以演示最常用的几种平面四连杆机构形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，并绘制出这些机构的各种实用连杆曲线。绘制曲线可采用机动或手动的方式。绘制方式的选择和连杆机构的杆长调节都很方便。仪器可以绘制出连续封闭的连杆曲线，也可以绘出反映连杆点运动速度的断续连杆曲线。但这项已有专利存在不足，例如其结构复杂、体积庞大；所谓“自动”仅是加入了电机传动；并且由于装配固定，不易拆卸，对实际教学或设计来说并不实用。发明内容 该发明的主要内容包括演示、绘图、实现机构设计。演示功能通过调节杆数，滑块位置，该产品可以演示出四杆机构所有常见的机构型式（可演变出的机构型式见图1，四杆机构实物图见图7）。绘图功能任意改变各杆长比例，使之成为曲柄摇杆、双曲柄或者双摇杆。通过改变绘图笔在连杆上的位置，绘制出不同的连杆曲线。并且可通过连续改变杆长，绘制出变化的连杆曲线。还可实现连杆-凸轮机构中凸轮的S曲线的绘制。为了避免运动干涉，我们将五根杆全都放置在了不同的平面上（见图3），并且将悬空架设置为旋转可调。如图2，此时绘图笔的预定轨迹C处为输入，将运动从杆7输入机构。构件7、5、4、9及机架构成自由度为1的基本机构，从滑块9处输出S（竖直方向）；构件6、1（1）、2（2）、10及机架自由度为1，从滑块10处输出（水平方向）；由于滑块9与杆3固连，最后两个输出将在B处合成，由此可以输出S曲线。当具有这种S曲线的凸轮作为主动件作用到滑块9上时，连杆上的绘图笔可画出原预定轨迹C。机构设计功能可参考产品的附带光盘，得到所绘制图形需要的杆长比例以及绘图笔的位置。我们已用mathematica算出杆长与函数图像的关系，建立了数据库，并将其存到了产品的附带光盘供用户参考。还可通过实验绘图逼近的方法，反过来确定四连杆机构各杆长的比例以及连架杆的位置，完成相应设计要求完成刚体导引机构的设计。主要零部件十字滑块 十字滑块是连杆绘图仪最重要的零件之一，它由两块塑料导轨滑块，一根微型轴承组成，尺寸55229，能够实现360自由的转动。在滑块的侧面加工有M2的螺纹孔，用于紧固限定杆长的作用。 绘图笔 绘图笔是由一个在22的圆盘上均布有12个2圆孔的铝圆盘，一个移动副，一根带笔的杆组成。组装后紧固状态下有2个自由度，分别是一个转动自由度和一个杆长变化的自由度。能够在保证基本构架不变情况下，通过改变绘图笔的自由度，实现不同位置、角度曲线的绘制，扩大了可行区域，避免了干涉发生。 齿轮齿条 在连杆凸轮组合机构中，为了方便的绘出S曲线，需要将角度变化映射到一条直线上，为此，在输出通道，增加了一套齿轮齿条构件，将齿轮的转动映射为齿条的移动，以便最后实现运动的组合，绘制出S曲线。杆件 选用加工较为方便的塑料卡尺作为杆件的基础构建，硬度低但轻便、易加工。 轴承与滑块 使用轴承钢材料的NSK微型轴承，易加工，运动稳定性好。如图4。说明书附图图 1图 2图 3图 4图 5图 6图 7图 8具体使用方式具体调节不同四杆机构型式的方法 1) 采用四杆，锁死三个滑块，即得铰链四杆机构； 2) 采用三杆，锁死十字滑块中的一个，即得含有1个移动副的四杆机构； 3) 采用三杆，双滑块，锁死十字滑块中的一个，固定垂直的两杆与悬空架，即得含有两个移动副的四杆机构。 绘制连杆-凸轮机构中凸轮的S曲线 首先构思好绘图笔的预定轨迹。然后利用附带光盘的数据库，得到能近似画出该预定轨迹的杆长比例组合。（参考图2）之后根据得到的杆长固定好滑块8、8、9，从而构件7、5、4、9及机架构成自由度为1的基本机构。然后持绘图笔输入预定轨迹，在B处得到S曲线。 用实验绘图逼近法完成刚体导引机构设计 参考图8。假设改杆长组合下，绘图笔轨迹如红色，需要设计绘图笔轨迹经过A、B、C、D四点（可多于4个点。不考虑特殊情况，理论上精确解最多存在于5个点）。则先测出红色轨迹到A、B、C、D四点距离之和S=S1+S2+S3+S4。之后解开任意一个紧固螺钉，使得其对应的滑块能够移动。假如解开杆1上的滑块，则任意调节该滑块在杆1上的位置，使得调节后的S最小。之后同理分别其他杆（杆2、3、4）上的滑块。假设是按照杆1-2-3-4的顺序调节滑块，那么当调完杆4上的滑块后，轨迹应该较为接近A、B、C、D四点了。如果需要进一步让轨迹接近A、B、C、D，则同理再次按照杆1-2-3-4的顺序依次调节滑块使S最小。理论上，如此重复下去可使轨迹恰好穿过A、B、C、D四点，而实际中只需12轮，得到的轨迹就已经相当接近了。