一種三心定理驗證平臺及其驗證方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三心定理驗證平臺，包括驅(qū)動機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、第一外桿、第二外桿以及用于檢測所述第一外桿和第二外桿是否同時到位的外桿同步到位檢測裝置，所述四連桿機構(gòu)中有一桿為第一驅(qū)動桿，第一驅(qū)動桿由所述驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動轉(zhuǎn)動，第一外桿以及第二外桿分別連接在與第一驅(qū)動桿連接的兩連桿上。本發(fā)明能讓學(xué)生更好的理解和應(yīng)用三心定理且能直觀、生動的進行演示巧妙的通過第一外桿及第二外桿上的軟磁金屬球在O點處同時脫落，得出第一外桿及第二外桿同時到達O點，即三點恰好在同一直線上從而驗證三心定理。
【專利說明】
—種三心定理驗證平臺及其驗證方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種教學(xué)儀器，特別涉及一種三心定理驗證平臺及其驗證方法。

【背景技術(shù)】
[0002]三心定理是指三個彼此作平面平行運動的構(gòu)件的三個瞬心必位于同一條直線上。
[0003]在學(xué)生學(xué)習(xí)機械原理的平面機構(gòu)運動分析的部分的過程時，在現(xiàn)有的教學(xué)中，多是枯燥乏味的理論教學(xué)，缺少直觀、生動的演示教具，學(xué)生們了解了三心定理的應(yīng)用，但是很多學(xué)生對三心定理中平面運動的構(gòu)件的擴張概念模糊，無法正確理解三心定理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是:提供一種讓學(xué)生更好的理解和應(yīng)用三心定理且能直觀、生動的進行演示的三心定理驗證平臺。
[0005]本發(fā)明的又一目的是:提供一種讓學(xué)生更好的理解和應(yīng)用三心定理且能直觀、生動的進行演示的三心定理驗證方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):一種三心定理驗證平臺，包括驅(qū)動機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、第一外桿、第二外桿以及用于檢測所述第一外桿和第二外桿是否同時到位的外桿同步到位檢測裝置，所述四連桿機構(gòu)中有一桿為第一驅(qū)動桿，第一驅(qū)動桿由所述驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動轉(zhuǎn)動，第一外桿以及第二外桿分別連接在與第一驅(qū)動桿連接的兩連桿上。
[0007]優(yōu)選的，所述與第一驅(qū)動桿連接的兩連桿其一為第二驅(qū)動桿，第二驅(qū)動桿與驅(qū)動機構(gòu)連接。
[0008]優(yōu)選的，所述外桿同步到位檢測裝置為兩個瞬時釋放機構(gòu)，兩瞬時釋放機構(gòu)分別設(shè)置在第一外桿以及第二外桿上，瞬時釋放機構(gòu)包括支架、排斥磁鐵、吸引磁鐵以及磁性金屬件，排斥磁鐵設(shè)置在支架上，吸引磁鐵設(shè)置在第一外桿或第二外桿上，工作時，磁性金屬件被吸住在吸引磁鐵的下端面上，當(dāng)吸引磁鐵在排斥磁鐵下面經(jīng)過，此時，排斥磁鐵和吸引磁鐵相對的兩端為相同的磁極。
[0009]優(yōu)選的，所述磁性金屬件為軟磁金屬球，支架對應(yīng)兩排斥磁鐵位置分別設(shè)有兩球滾動軌道，排斥磁鐵設(shè)置在球滾動軌道上方，工作時，第一外桿或第二外桿從排斥磁鐵和球滾動軌道間經(jīng)過。
[0010]優(yōu)選的，所述四連桿機構(gòu)的四個連桿上均設(shè)有第一調(diào)整槽，第一外桿和第二外桿上均設(shè)有第二調(diào)整槽，第一調(diào)整槽與第二調(diào)整槽通過螺栓連接以將第一外桿和第二外桿與四連桿機構(gòu)連接起來。
[0011]優(yōu)選的，所述四連桿機構(gòu)的四個連桿分別設(shè)置在不同的高度上，四個連桿間通過鉸接軸鉸接在一起。
[0012]優(yōu)選的，所述驅(qū)動機構(gòu)包括基座以及設(shè)置在基座上的電機、齒輪組與傳動軸，齒輪組包括電機輸出齒輪、聯(lián)動齒輪、下傳動齒輪、上傳動齒輪以及驅(qū)動齒輪，電機輸出齒輪連接在電機輸出軸上，并且與聯(lián)動齒輪相嚙合，聯(lián)動齒輪還與下傳動齒輪相嚙合，下傳動齒輪和上傳動齒輪通過所述傳動軸連接，上傳動齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合，第一驅(qū)動桿與第二驅(qū)動桿分別由驅(qū)動齒輪和聯(lián)動齒輪驅(qū)動。
[0013]優(yōu)選的，所述兩球滾動軌道的末端處設(shè)有軌道磁鐵。
[0014]一種三心定理驗證方法，包括以下步驟:
[0015]一、校正:
[0016](I)、球滾動軌道校準(zhǔn):找出待驗證兩連桿在水平面上投影的交點O點，將球滾動軌道繞基座旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)球滾動軌道到基座中心的距離，直到排斥磁鐵與O點在水平面的投影重合；
[0017](2)、校準(zhǔn)第一外桿和第二外桿的位置:通過調(diào)整第一外桿和第二外桿的結(jié)合點以及其兩桿之間的夾角，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合；
[0018]二、安裝軟磁金屬球，啟動電機，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置不與O點重合，將軟磁金屬球安裝在第一外桿和第二外桿的吸引磁鐵上；
[0019]三、進行實驗:再次啟動電機，使四連桿機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動并觀察，第一外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合時，第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點也重合，當(dāng)吸引磁鐵與O點重合時，兩軟磁金屬球同時被釋放并下落到球滾動軌道。
[0020]優(yōu)選的，步驟三中，所述兩軟磁金屬球下落到球滾動軌道后，分別在兩球滾動軌道上平齊向末端滾動，并同時到達球滾動軌道的末端，兩軟磁金屬球到達球滾動軌道的末端時受軌道磁鐵吸弓I加速靠近同時發(fā)出碰撞聲。
[0021]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:
[0022]1、本發(fā)明能讓學(xué)生更好的理解和應(yīng)用三心定理且能直觀、生動的進行演示，巧妙的通過第一外桿及第二外桿上的軟磁金屬球在O點處同時脫落,得出第一外桿及第二外桿同時到達O點，即三點恰好在同一直線上從而驗證三心定理。
[0023]2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、易于制造并且巧妙的通過軟磁金屬球的速度側(cè)面反映出連桿在任意點的瞬時速度，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，同時可以改變角速度比和桿長，全面驗證三心定理，有效地解決了對于三心定理的演示及其說明的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是圖1的主視圖。
[0026]圖3是圖1的仰視圖。
[0027]圖4是圖1的另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5是本發(fā)明的吸引磁鐵行至排斥磁鐵下方時的示意圖。
[0029]圖6是本發(fā)明的兩軟磁金屬球脫落后在兩球滾動軌道上滾動的示意圖。
[0030]圖7是本發(fā)明的排斥磁鐵、吸引磁鐵和軟磁金屬球磁極設(shè)置及排布方式示意圖。
[0031]圖8是本發(fā)明的四連桿機構(gòu)與第一外桿及第二外桿連接示意圖。
[0032]圖9是圖8的原理圖。

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0034]實施例一:
[0035]如圖1-9所示，一種三心定理驗證平臺，包括驅(qū)動機構(gòu)、四連桿機構(gòu)1、第一外桿2、第二外桿3以及用于檢測所述第一外桿2和第二外桿3是否同時到位的外桿同步到位檢測裝置，所述四連桿機構(gòu)I中有一桿為第一驅(qū)動桿4，第一驅(qū)動桿4由所述驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動轉(zhuǎn)動，第一外桿2以及第二外桿3分別連接在與第一驅(qū)動桿4連接的兩連桿上。
[0036]所述四連桿機構(gòu)I的四個連桿上均設(shè)有第一調(diào)整槽5，第一外桿2和第二外桿3上均設(shè)有第二調(diào)整槽6，第一調(diào)整槽5與第二調(diào)整槽6通過螺栓連接以將第一外桿2和第二外桿3與四連桿機構(gòu)I連接起來，這樣可以變換不同連桿以驗證所需的連桿，同時，可以方便進行調(diào)整和校正。
[0037]優(yōu)選的，與第一驅(qū)動桿4連接的兩連桿其一為第二驅(qū)動桿7，第二驅(qū)動桿7與驅(qū)動機構(gòu)連接。所述驅(qū)動機構(gòu)包括基座8以及設(shè)置在基座上的電機9、齒輪組與傳動軸10，齒輪組包括電機輸出齒輪11、聯(lián)動齒輪12、下傳動齒輪13、上傳動齒輪14以及驅(qū)動齒輪15，電機輸出齒輪11連接在電機輸出軸上，并且電機輸出齒輪11與聯(lián)動齒輪12相嚙合，聯(lián)動齒輪12還與下傳動齒輪13相嚙合，下傳動齒輪13和上傳動齒輪14通過所述傳動軸10連接，上傳動齒輪14與驅(qū)動齒輪15嚙合，第一驅(qū)動桿4與第二驅(qū)動桿7分別由驅(qū)動齒輪15和聯(lián)動齒輪12驅(qū)動。電機9通過齒輪組將動力傳遞給四連桿機構(gòu)1，并保證第一驅(qū)動桿4和第二驅(qū)動桿7的角速度比值恒定。
[0038]所述外桿同步到位檢測裝置可以是現(xiàn)有技術(shù)的檢測裝置，如紅外線檢測或攝像頭。外桿同步到位檢測裝置還可以為兩個瞬時釋放機構(gòu)，兩瞬時釋放機構(gòu)分別設(shè)置在第一外桿2以及第二外桿3外端部處，瞬時釋放機構(gòu)包括支架16、排斥磁鐵17、吸引磁鐵18以及磁性金屬件19，排斥磁鐵17設(shè)置在支架16上，吸引磁鐵18設(shè)置在第一外桿2或第二外桿3的外端部上，工作時，磁性金屬件19被吸住在吸引磁鐵18的下端面上，吸引磁鐵18在排斥磁鐵17下面經(jīng)過，排斥磁鐵17和吸引磁鐵18間的垂直距離根據(jù)磁鐵的磁性強度而定，如磁性較強可以將排斥磁鐵17和吸引磁鐵18間的垂直距離相對設(shè)置遠一些，吸引磁鐵18在排斥磁鐵17下面經(jīng)過時，排斥磁鐵17和吸引磁鐵18相對的兩端為相同的磁極，如排斥磁鐵17下端為S極，那么吸引磁鐵18的上端為S極，吸引磁鐵18的下端為N極，相反如排斥磁鐵17下端為N極那么吸引磁鐵18的上端為N極，吸引磁鐵18的下端為S極，這樣當(dāng)吸引磁鐵18在排斥磁鐵17下面經(jīng)過時，磁性金屬件19受到吸引磁鐵18的吸引力和排斥磁鐵17對其的排斥力以及重力，當(dāng)合力向下時，磁性金屬件19便從第一外桿2或第二外桿3上脫落，這樣就能實現(xiàn)當(dāng)?shù)谝煌鈼U2和第二外桿3外端部運動到排斥磁鐵17下方時磁性金屬件19脫離。排斥磁鐵17和吸引磁鐵18為相同的兩塊磁鐵，為達到使磁性金屬件19順利掉落，排斥磁鐵17設(shè)置兩塊磁鐵而吸引磁鐵18設(shè)置一塊。
[0039]下面對其原理進行說明:磁鐵對軟磁性材料具有吸引力，在軟磁性材料靠近磁鐵時，根據(jù)周圍的磁場而被磁化，這時的軟磁性材料可以理解成一個新的磁鐵。如:一鐵球被磁化后N極朝下，S極朝上，這時在最上方放置磁極朝向相反的排斥磁鐵(此處的磁極朝向相反指排斥磁鐵的S極朝向與吸引磁鐵的S極朝向相反，如其一 S極朝上，則另一 S極朝下，使兩磁鐵相對的兩極性相同)，穿過鐵球的磁感線就會發(fā)生改變，但鐵球仍未因磁場的改變而改變極性的瞬間，鐵球的極性仍和吸引磁鐵保持一致，鐵球受到吸引磁鐵的吸引力和排斥磁鐵的排斥力的合力，只要排斥磁鐵的磁力夠強，鐵球來不及改變極性就被排斥出來，實現(xiàn)釋放過程。
[0040]優(yōu)選的,所述磁性金屬件19為軟磁金屬球,支架16對應(yīng)兩排斥磁鐵17位置分別設(shè)有兩球滾動軌道20，排斥磁鐵17設(shè)置在球滾動軌道20上方，工作時，第一外桿2或第二外桿3從排斥磁鐵17和球滾動軌道20間經(jīng)過。所述兩球滾動軌道20的末端處設(shè)有軌道磁鐵21，這使軟磁金屬球滾至靠近球滾動軌道20的末端時受軌道磁鐵21吸引加速而產(chǎn)生撞擊同時發(fā)出撞擊聲，從而使學(xué)生不僅在視覺上觀察到兩軟磁金屬球分別在兩球滾動軌道20上齊頭并進而且還能從聽覺上感受到兩軟磁金屬球是同時到達球滾動軌道20的末端的，從而驗證三心定理的正確性。優(yōu)選的，所述軟磁金屬球為球形磁鐵。使軟磁金屬球到達排斥磁鐵17下方時,反應(yīng)更靈敏。
[0041]所述四連桿機構(gòu)I的四個連桿分別設(shè)置在不同的高度上，四個連桿間通過鉸接軸鉸接在一起。以使第一外桿2和第二外桿3之間在高度方向上相錯開，這可使兩球滾動軌道20在上下間有一定距離，避免相互影響同時也方便觀察、控制和調(diào)整。
[0042]實施例二:
[0043]一種三心定理驗證方法，包括以下步驟:
[0044]一、校正:
[0045]校正前先啟動馬達，將待驗證兩連桿旋轉(zhuǎn)到某一合適的角度，以方便進行校正。
[0046](I)、球滾動軌道校準(zhǔn):找出待驗證兩連桿在水平面上投影的交點O點，將球滾動軌道繞基座旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)球滾動軌道到基座中心的距離，直到排斥磁鐵與O點在水平面的投影重合；
[0047](2)、校準(zhǔn)第一外桿和第二外桿的位置:通過調(diào)整第一外桿和第二外桿的結(jié)合點以及其兩桿之間的夾角，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合；
[0048]二、安裝軟磁金屬球，啟動電機，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置不與O點重合，將軟磁金屬球安裝在第一外桿和第二外桿的吸引磁鐵上；
[0049]三、進行實驗:再次啟動電機，使四連桿機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動并觀察，第一外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合時，第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點也重合，當(dāng)吸引磁鐵與O點重合時，兩軟磁金屬球同時被釋放并下落到球滾動軌道，最后兩軟磁金屬球分別在兩球滾動軌道上平齊向末端滾動，并同時到達球滾動軌道的末端，兩軟磁金屬球到達球滾動軌道的末端時受軌道磁鐵吸弓I加速靠近同時發(fā)出碰撞聲。
[0050]本發(fā)明的工作過程及工作原理:如圖8-9所示為一四連桿機構(gòu)，為方便描述四連桿機構(gòu)的四個連桿分別描述為桿E、桿F、桿G以及桿H,圖中A點為固定點,桿E和桿F分別以wl和《2的角速度繞A點逆時針勻速旋轉(zhuǎn)。在任一瞬時，桿E和桿F的速度瞬心位于A點，桿F和桿G的瞬心位于D點，根據(jù)三心定理，桿E和桿G的速度瞬心位于直線AD上。同理，由桿EJf G和桿H可得桿E和桿G的瞬心在直線BC上，故桿E和桿G的速度瞬心在直線AD和BC的交點O上。
[0051]如果能夠驗證桿E和桿G在該瞬時在O點的速度相同，就可以說明該瞬時桿E和桿G的速度瞬心位于O點，而桿E和桿F的瞬心位于A點，桿F和桿G的瞬心位于D點，O、A和D三點恰好在同一直線上，就能驗證三心定理。
[0052]將第一外桿固定在桿G上，并在其外端部安放軟磁金屬球。在四桿機構(gòu)運動過程中，當(dāng)?shù)谝煌鈼U的外端部與O點重合時，軟磁金屬球從第一外桿上瞬間脫離，那么，軟磁金屬球的速度就是桿G在O點的瞬時運動速度。同理，在桿E上安裝第二外桿，第二外桿上也安放一個軟磁金屬球并在O點瞬間釋放。通過比較兩個軟磁金屬球運動的速度大小和方向，若完全相同就可以驗證E和桿G在該瞬時在O點的速度相等，即O點就是桿E和桿G的瞬心，從而驗證三心定理。
[0053]此處要說明的是當(dāng)只有一個驅(qū)動桿時，如桿F為驅(qū)動桿，則桿E與桿F相鉸接，同時也能驗證三心定理。
[0054]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三心定理驗證平臺，其特征在于:包括驅(qū)動機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、第一外桿、第二外桿以及用于檢測所述第一外桿和第二外桿是否同時到位的外桿同步到位檢測裝置，所述四連桿機構(gòu)中有一桿為第一驅(qū)動桿，第一驅(qū)動桿由所述驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動轉(zhuǎn)動，第一外桿以及第二外桿分別連接在與第一驅(qū)動桿連接的兩連桿上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述與第一驅(qū)動桿連接的兩連桿其一為第二驅(qū)動桿，第二驅(qū)動桿與驅(qū)動機構(gòu)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述外桿同步到位檢測裝置為兩個瞬時釋放機構(gòu)，兩瞬時釋放機構(gòu)分別設(shè)置在第一外桿以及第二外桿上，瞬時釋放機構(gòu)包括支架、排斥磁鐵、吸引磁鐵以及磁性金屬件，排斥磁鐵設(shè)置在支架上，吸引磁鐵設(shè)置在第一外桿或第二外桿上，工作時，磁性金屬件被吸住在吸引磁鐵的下端面上，當(dāng)吸引磁鐵在排斥磁鐵下面經(jīng)過，此時，排斥磁鐵和吸引磁鐵相對的兩端為相同的磁極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述磁性金屬件為軟磁金屬球，支架對應(yīng)兩排斥磁鐵位置分別設(shè)有兩球滾動軌道，排斥磁鐵設(shè)置在球滾動軌道上方，工作時，第一外桿或第二外桿從排斥磁鐵和球滾動軌道間經(jīng)過。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述四連桿機構(gòu)的四個連桿上均設(shè)有第一調(diào)整槽，第一外桿和第二外桿上均設(shè)有第二調(diào)整槽，第一調(diào)整槽與第二調(diào)整槽通過螺栓連接以將第一外桿和第二外桿與四連桿機構(gòu)連接起來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述四連桿機構(gòu)的四個連桿分別設(shè)置在不同的高度上，四個連桿間通過鉸接軸鉸接在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述驅(qū)動機構(gòu)包括基座以及設(shè)置在基座上的電機、齒輪組與傳動軸，齒輪組包括電機輸出齒輪、聯(lián)動齒輪、下傳動齒輪、上傳動齒輪以及驅(qū)動齒輪，電機輸出齒輪連接在電機輸出軸上，并且與聯(lián)動齒輪相哨合，聯(lián)動齒輪還與下傳動齒輪相嚙合，下傳動齒輪和上傳動齒輪通過所述傳動軸連接，上傳動齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合，第一驅(qū)動桿與第二驅(qū)動桿分別由驅(qū)動齒輪和聯(lián)動齒輪驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三心定理驗證平臺，其特征在于:所述兩球滾動軌道的末端處設(shè)有軌道磁鐵。
9.一種三心定理驗證方法，其特征在于包括以下步驟: 一、校正: (1)、球滾動軌道校準(zhǔn):找出待驗證兩連桿在水平面上投影的交點O點，將球滾動軌道繞基座旋轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)球滾動軌道到基座中心的距離，直到排斥磁鐵與O點在水平面的投影重合； (2)、校準(zhǔn)第一外桿和第二外桿的位置:通過調(diào)整第一外桿和第二外桿的結(jié)合點以及其兩桿之間的夾角，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合； 二、安裝軟磁金屬球，啟動電機，使得第一外桿和第二外桿帶吸引磁鐵的位置不與O點重合，將軟磁金屬球安裝在第一外桿和第二外桿的吸引磁鐵上； 三、進行實驗:再次啟動電機，使四連桿機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動并觀察，第一外桿帶吸引磁鐵的位置與O點重合時，第二外桿帶吸引磁鐵的位置與O點也重合，當(dāng)吸引磁鐵與O點重合時，兩軟磁金屬球同時被釋放并下落到球滾動軌道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三心定理驗證方法，其特征在于步驟三中，所述兩軟磁金屬球下落到球滾動軌道后，分別在兩球滾動軌道上平齊向末端滾動，并同時到達球滾動軌道的末端，兩軟磁金屬球到達球滾動軌道的末端時受軌道磁鐵吸引加速靠近同時發(fā)出碰撞聲。
【文檔編號】G09B25/02GK104134390SQ201410344980
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】陳起, 周立奎, 李琳, 馮俊元, 何永奎, 韓旭 申請人:華南理工大學(xué)