多用途电动圆规辅助教具开发

多用途电动圆规辅助教具开发

毕亚东

(安徽国防科技职业学院 机械工程系,安徽 六安 237011)

摘要：常见的圆规教具多为手动式，这种教具在使用中存在定心不准、画图不便、精度不高等诸多缺点.为此本设计团队设计了一种电动圆规方案来解决上述问题.该设计方案改变了以往教师手动画图的方式，采用减速电机来作为驱动力，画圆只需要调整好半径，定好圆心接通电源，圆就会自动绘出.本设计方案的产品上标有精确的刻度标值，相对于传统的教学圆规而言，能够较为精确的画出所需的直径尺寸的圆.

关键词：设计开发;电动式;锥齿轮传动;多用途

中图分类号：TH122文献标志码：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

圆规是广泛应用于工程绘图和制图教学中的重要作图工具.目前，现有的圆规采用一只脚固定在圆心上旋转，另一只脚绘制圆的方式，通常需要制图教师一只手稳住圆心脚，尽量减小误差，防止圆心脚随着转动移动位置，使得画出的圆不准确.这种情况在用圆规进行制图教学时，给教学带来诸多不便，而且示范效果较差.手动圆规绘图脚与绘图面不垂直，导致画笔会在画圆时沿径滑动，使得实际做出圆形的半径与刻度尺读数偏差较大或整圆首尾不接的情况.在垂直面画图时，一般需要较大扭矩，现有的圆规在此种条件下很难流畅地绘制出精确度高的图形.为解决上述问题，设计了一种电动圆规，驱动力由12V的电机直接驱动，无需人工驱动.通过一对锥齿轮传动，进而带动圆规进行回转，转速负载为12rpm，相当于每5秒钟绘制一个圆，速度大小适当.[1]设计方案中的电机及传动机构壳体采用ABS材料，具有强度高、韧性好、使用寿命长等特点.并且本设计方案体积精巧，便于教师携带.

图1　电动圆规装配图

1结构设计

本设计将电动式圆规设计为梁式结构，该结构的圆规具有圆规定位脚和绘图脚均与绘图面垂直，圆心脚完全固定的特性，能够彻底解决绘图过程中圆心脚移位、半径自行扩大的问题，提高了圆规绘圆的准确度，降低了操作难度，给制图教学绘圆和工程应用绘圆带来便利，而且本产品结构简单、易于加工、使用方便.具体结构为以下组成原理，见图1、图2.[2]

该电动圆规包括圆心定位杆1、横杆2、滑块3和动力装置四大部分.装配原理为，图2中横杆2的中部铰接在圆心定位杆1上，横杆2以定位杆为轴自由转动，图示的动力装置与滑块3分设在横杆2的左右两段，横杆2由前后两片组成(图3、图4)，其上定位槽4可以保证前后两片正确定位结合.滑块3在横杆2上自由滑动，横杆2上标有长度刻度，可以精确得到画圆半径.

图2中动力装置包括驱动减速电动机、传动系统和电源.传动原理为，安装在电动机转轴上的锥齿轮与定位杆1上的锥齿轮6(图5)相啮合.当定位杆1固定，电机自传推动电机绕定位杆1的公转，并带动横杆2绕定位杆1转动.[3-5]图2中夹持装置包括通孔8和螺栓7，通过紧固螺栓7对穿过通孔8的绘图笔进行夹持.

具体使用时，根据所要绘制的圆的大小，先调整好滑块3的位置，使其与圆心定位杆1之间的距离和圆的半径一致，再将圆心定位杆1固定在圆心处，然后接通电源，减速电动机5即可驱动横杆2旋转，从而绘制出所需要的圆.[6]

图2　电动圆规效果图

图3　圆规外壳后片

图4　圆规外壳前片

图5　锥齿轮

2产品创新点

与现有技术相比，本设计具有以下有益效果：

(1)为了方便控制滑块及笔相对于图纸的垂直性，将动力装置设在横杆的尾段，滑块设在横杆的首段，从而使横杆保持平衡的状态，进而减小实际绘出图形的半径与刻度尺读数的误差；而且，在垂直面画图时，会遇到需要大扭矩的情况，装置中通过平衡杆结构，改善了此情况；

(2)结构简单，由微型电机的主轴带动横杆及设置在横杆上的滑块沿着圆心定位杆轴向旋转，因而绘制圆的速度快，绘制精确度高；

(3)使用方便，横杆上标有长度刻度，能直接读取滑块与圆心定位杆之间的距离，即所要绘制的圆的半径；

(4)对圆规的结构进行合理的设计，解决了绘图过程中圆心脚移位的问题，提高了圆规绘圆的准确度，降低了操作难度，给制图教学和工程应用带来便利.

3应用前景

在社会经济、科技、文化水平飞速增长的当代，人们对于教育教学愈加的重视，小学、中学、大学林立，而且据有关部门发布的社会调查显示，国内的学校数量仍在持续增长，可见本产品的市场非常广阔.

画圆在各个科目中都属于非常显见的一种教学方式，如：几何、高数、室内设计、CAD手绘、机械设计等，这就使得学校对于教学圆规的需求量较大.而本产品具有传统圆规所不具备的各项优点，一定能够在市场中迅速占据主体地位.

本产品是一件实用性能高、社会效益好、使用方便，且生产成本低、生产要求低、市场竞争力大的良好的教学用具，必定能带给教师更便捷的教学方式，也必定能产生更好的经济效益.

[参考文献]

[1]金蒙恩,李幼涵.机器设计中伺服电机及驱动器的选型[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]闻邦椿.机械设计手册：第6卷[S].北京:机械工业出版社,2004.

[3]张宏新,阿达依·谢尔亚孜旦,朱平.基于AutoCAD的弧齿锥齿轮设计系统[J].机械传动，2013,37(4)：49-52.

[4]朱孝录.齿轮传动设计手册[S].北京:化学工业出版社,2004.

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

[6]闫换新.人机工程在圆规设计中的研究[J].人类工效学,2011,17(1):63-65.

[责任编辑王新奇]