第六届机械创新设计大赛贵州赛区一等奖设计说明书.doc
17页
便捷绘图仪设计说明书设计者：汪顺福，胡兴云，潘树俊指导教师：黄昊旻，白尧（贵阳学院机械工程学院 ，贵阳 550000）摘要：本作品的主要设计思路源于教师为了做好课程内容的讲授，需要在黑板上绘制各种图形，就需要携带多种作图工具，例如：米尺、圆规、三角板、量角器等等，为减少携带的不便，加快教师作图的过程，我们产生了设计本作品的想法设计出一种可悬挂于黑板上绘图的仪器，它运用偏置曲柄滑块机构实现圆的快速绘制，使得作图效率大大提高，通过更换绘图模块，还可快速画出椭圆等图形，从而提高教师的作图效率，便于教师授课内容的讲解演示要讲述仪器的组成，实现哪些图形绘制关键词：便捷；偏置曲柄滑块机构；绘图仪；椭圆作品内容简介本作品根据第六届机械设计大赛的主旨要求而设计，属于教室用设备和教具的设计与制作它能实现在黑板上快捷作图(包括水平线、竖线、其他角度直线、圆、椭圆、等腰梯形等），此绘图仪适用范围广泛，从小学到大学课堂，都能用到它教师可用它实现快速作图，使学生更直观、准确地理解图形，从而大大提高了上课效率此绘图仪尤其是对于大学生理解掌握机械类课程中的画法几何与机械制图的作图规范来说具有很大的帮助相比传统的尺规作图教具，该装置能实现更快捷，更标准的作图功能。
联系人：汪顺福，胡兴云，潘树俊联系：15285080468Email:psj7571208@1 研制背景及意义在学习过程中，许多课程为了便于学生理解掌握，需要教师借助作图工具在黑板上完成作图，市场上现有的作图工具虽然种类多样但是功能较为单一而且携带不便，并不能较好解决教师作图的问题，这给完成教学任务带来了一定的麻烦因此，设计一种方便快捷的作图工具成为必要综合以上问题我们设计了便捷绘图仪，本作品运用了偏置曲柄滑块、棘轮、双滑块连杆等机构的原理，能在黑板上快速标准地作出圆、任意角度直线、椭圆等图形旨在解决教师使用普通作图工具作图时遇到的问题图1.1 米尺图1.3 量角器图1.2 圆规 上图片组为教室常用作图工具2设计方案 2.1总体设计构想 为了解决教师使用普通作图工具作图时遇到的问题，对于便捷绘图仪的设计我们应考虑以下几个问题1）便捷绘图仪应在一个轻盈小巧的工具上集多种绘图工具功能于一身，这样才能方便老师快捷作图2）便捷绘图仪应操作很方便，才能节省老师作图时间，让教师有更多时间进行重点知识的讲授，从而提高教师教学质量和学生学习效率。
3）教师采用普通作图工具作图时需要双手配合作图，长期高举作图工具极易使得手臂酸痛疲劳（如用米尺画较长直线），便捷绘图仪设计应考虑打破双手高举作图的束缚，让教师轻松完成作图 为了使得教师方便快捷作图，就需要融合多种绘图工具功能于一体，并且作品整备质量应不大于多种绘图工具的总重量才能达到“一器多用”和便捷方便的效果考虑到教师采用普通作图工具受到需要双手配合作图的限制，长期高举作图工具极易使得手臂酸痛疲劳，于此，经小组讨论后拟用便捷绘图仪悬挂于黑板的方式滑动作图 所以，我们决定利用轻质杆（如塑料空心杆）作为绘图仪的主干部分，将绘图杆铰接到主滑杆上，以便完成线性移动画直线，旋转运动画圆的功能，从而复合了直尺、圆规的功能由此，我们构想出便捷绘图仪的总体框架如下所示滑块 绘图杆 主滑杆 图2.1 便捷绘图仪总体构想图2.2便捷绘图仪总体设计方案从所需功能出发，便捷绘图仪总体设计方案将从其悬挂装置、主滑杆、转动装置三部分为主要设计对象，如图2.2所示图2.2 主要设计对象 2.2.1绘图仪悬挂装置根据总体构想，同时，为了解放双手高举作图，我们将滑杆和绘图杆悬挂到黑板顶端，借助黑板结构来承受绘图工具自身重量，这样绘图者只需一只手轻扶作图工具，另一只手即可轻松操作画图。
这样就使得绘图者不会因承受绘图工具重量而感到手臂疲劳酸痛 为解决以上问题，通过小组讨论研究主要提出了下面两种悬挂设计方案 方案一 ：安装一条滑槽在黑板顶部，黑板底部安装一块条状支撑板（见图2.3），绘图仪的绘图部分通过滚动轮与滑槽连接（见图2.4），底部通过滚动轮作用在支撑板上（见图2.5）优点：此结构便于绘图机构稳定顺畅滑动缺点：安装滑槽比较麻烦，且需要每间教室安装滑槽，耗费大量人力物力 图2.3 方案一总体模型图 图2.4 主滑杆连接滑槽图 图2.5 主滑杆底部连接滚动轮图 方案二：考虑到安装滑槽的不便，且大多数黑板均为凸出式安装，即安装在教室墙面的黑板面会凸出墙面20mm以上（某些教室的双层上下移动黑板凸出墙面达50mm）且黑板上下面均为比较平直的面，利用这一结构特点，将绘图仪整体构架设计为工字型，上下端装上轮子，轮子一面在黑板滑动，一面抵住墙滑动，通过调节连接轮子块的上下部分距离，便可将其装夹在黑板上。
优点：省去了安装滑槽的不便，利用黑板自身结构特点达到了与滑槽同样的效果缺点：平稳性稍差 图2.6 方案二总体模型图 图2.7 轮子在黑板顶端 图2.8 轮子在黑板底部 通过比较两种悬挂方案，综合安装方便，节省人力物力的因素考虑，决定采用第二种方案2.2.2 绘图仪主滑杆设计 考虑到滑块在滑杆上滑动的平稳性和便于滑块的锁紧，我们讨论后提出以下两种设计方案： 方案一：用空心方管作为主滑杆 优点：滑块滑动平稳，便于锁紧 缺点：不便于做成可拆卸杆，不便旋转调节对装卸椭圆模块不便 方案二：用空心圆管作为主滑杆 优点：滑块滑动平稳，锁紧效果好便于加工为可拆卸杆，便于旋转调节由此，我们采用方案二 2.2.3 绘图仪转动装置设计 转动装置在绘图仪中是比较重要的部分，它是实现绘图仪绘制出任意角度直线、圆等图形的主要装置，我们提出以下两种方案方案一：通过手直接旋转绘图杆画圆易控制绘图杆（如图2.9 ）。
优点：比较容易控制绘图杆能够准确地画出圆弧，缺点：对于画圆不能一次成型，受主滑杆的位置影响需要停顿一下且画圆速度慢 图2.9 转动装置方案一 方案二：通过运用偏置曲柄滑块机构在主滑杆上上下滑动滑块来实现圆的绘制（如图2.10 ） 优点：由于偏置曲柄滑块机构具有急回特性，所以通过滑块的滑动能实现圆的快速绘制 缺点：不容易控制绘图杆画准确的圆弧 图2.10 转动装置方案二 综合课堂绘图要求节省时间和方便操作的因素考虑，我们决定采用方案二2.3最终方案结构设计 通过对以上方案的整理，我们的最终结构图如下所示，主体部分由滑杆、滚动轮、偏置曲柄滑块机构、伸缩杆、刻度盘等五大部分组成 偏置曲柄滑块机构 刻度盘伸缩杆 滚动轮滑杆 图2.11 最终结构图3.设计计算与说明3.1设计要求在设计之前我们测量了多数黑板的尺寸，其中黑板高度：不小于1m。
长度：小学大于3.6m，中学大于4m黑板的高度确定了竖直滑杆的长度，滑杆长度取1.4m（有的长度为1.2m，为了便于调整，需要留出多余长度），滑杆需要标出长度刻度，便于画竖线时确定长度，圆盘上需要标角度刻度，刻度从0到360度，绘图杆绕圆盘中心旋转到需要角度后需通过锁紧螺母锁紧，以便于画任意角度直线短滑杆上也得标出长度刻度，便于画一定距离的直线3.2 主体尺寸设计根据便捷绘图仪在黑板上边沿和下边沿上滑动的要求，杆长应不小于1.4m 绘图杆的原长（即未伸缩长度）应不大于500（按多数黑板宽度为1.2m、能画圆的最大圆半经为0.6m设计）3.3 曲柄滑块机构设计计算 在曲柄滑块机构中，由于铰链四杆机构具有曲柄的条件是需满足杆长条件且组成周转副的条件是两杆中必有一杆为最短杆根据主滑杆的长度，我们将曲柄连杆和偏心距的尺寸分别定为 R=50、L=180 、e=40 得（R+e
图3.1 椭圆机构原理图 4.工作原理及性能分析4.1主体各部分功能（图2.11 最终结构图）1）滑杆由两节空心不锈钢圆管组成，中间通过螺纹连接，滑块在上面滑动可作出竖线2）滚动轮机构由竖直两个轮和垂直墙面的两个轮固定在连接轮子小块上组成，实现绘图仪在黑板上下面水平方向上快速滑动达到快速画较长直线的目的3）偏置曲滑块机构由主滑块、曲柄、连杆、下滑块等组成，画圆时，移动绘图仪到画图位置，固定主滑块，上下滑动下滑块，由于偏置曲柄滑块机构具有急回特性可实现圆的快速绘制 4）伸缩杆机构伸缩杆机构类似三脚架结构，使用凸轮锁紧，可实现一定长度的伸缩，以改变画直线的长度和圆的半径5）刻度盘上标有0-360度的刻度，便于准确直观画任意角度直线4.2主体各部分功能完善 4.2.1绘图模块扩展设计受理论力学课程中椭圆规机构的启发，通过改进，我们增加了画椭圆模块（图4.1 ）使本产品的绘图功能更完善 图4.1 椭圆规机构模型 4.2.2 绘图杆锁紧设计针对设计的结构，考虑到平时作图画水平线的重复率较大。
