一种偏心夹具教学装置

摘要

本发明提供了一种偏心夹具教学装置，至少包括底座以及安装在底座上的偏心夹紧单元、轨迹绘制单元以及斜面自锁单元，所述的偏心夹紧单元至少包括偏心圆轴、偏心圆、固定架、压块、带座轴承以及滑动轴；所述的轨迹绘制单元至少包括齿轮、齿条、滑轨、移动架和画板、画笔，滑轨设有两条；所述齿轮轴与偏心圆轴之间通过联轴器连接，并且两轴之间设有离合器；所述的斜面自锁单元包括斜面、砝码块和丝杠，丝杠的顶部顶在斜面反面的滑道内，通过调节丝杠高度能够调节斜面的倾斜度。本发明提供的装置能够帮助老师透彻讲解偏心夹具的夹紧过程和自锁原理，避免理论推导的枯燥生涩，而且还可以培养学生的动手能力和兴趣。

权利要求

1.一种偏心夹具教学装置，其特征在于：至少包括底座以及安装在底座上的偏心夹紧单元、轨迹绘制单元以及斜面自锁单元，所述的偏心夹紧单元至少包括偏心圆轴、偏心圆、固定架、压块、带座轴承以及滑动轴，所述固定架和带座轴承均固定在底座上，固定架呈门字形，偏心圆轴水平安装在带座轴承中，偏心圆固定在偏心圆轴的一端，且与固定架位于同一平面上，压块通过滑动轴安装在固定架上且能够沿固定架上下滑动，滑动轴的底端与压块固定连接，压块上设有安装孔，滑动轴的顶端穿过固定架顶部的滑孔，固定架的两侧边上均设有竖直的滑槽，滑动轴的底部固定有横梁，所述横梁的两端均位于滑槽中且横梁能够沿滑槽上下滑动；所述压块位于偏心圆的上方，且两者之间相接触；所述的轨迹绘制单元至少包括齿轮、齿条、滑轨、移动架和画板、画笔，滑轨设有两条，两滑轨相平行且分别位于偏心夹紧单元的左右两侧，齿条安装于其中一滑轨上，画板竖直安装在另一条滑轨上，移动架设置在齿条和画板之间，将两者固定连接，齿条和画板沿滑轨同步滑动，所述画笔的一端安装于压块上的安装孔中，画笔的另一端与画板相接触，所述齿轮通过带座轴承安装在齿条的上方并与齿条啮合；所述齿轮的轴与偏心圆轴之间通过联轴器连接，并且两轴之间设有离合器；所述的斜面自锁单元包括斜面、砝码块和丝杠，其中斜面的一端通过合页安装在底座上，斜面的正反两面均设有滑道，砝码块放置于斜面正面的滑道内，丝杠安装在底座上且位于斜面的下方，丝杠的顶部顶在斜面反面的滑道内，通过调节丝杠高度能够调节斜面的倾斜度。

2.根据权利要求1所述的偏心夹具教学装置，其特征在于：所述的偏心圆由圆轮、滑块和锁紧螺钉组成，圆轮上沿半径方向开有滑槽，滑块嵌在滑槽中，锁紧螺钉将滑块锁紧固定在圆轮上，所述的偏心圆轴与滑块固定连接。

3.根据权利要求1所述的偏心夹具教学装置，其特征在于：所述的滑动轴上套有弹簧，所述的弹簧位于压块和固定架的顶部之间。

4.根据权利要求1所述的偏心夹具教学装置，其特征在于：所述的画板为玻璃画板，画笔为可擦拭的水性画笔，玻璃画板上还附带有量角工具。

5.根据权利要求1所述的偏心夹具教学装置，其特征在于：所述斜面正面的滑道与偏心圆表面的粗糙度相同，砝码块表面与压块表面的粗糙度相同，滑道与砝码块之间的摩擦系数与偏心圆和压块之间的摩擦系数相等。

说明书

一种偏心夹具教学装置

技术领域

[0001] 本发明提供了一种偏心夹具教学装置，用于为夹具设计课程教学提供偏心夹具原理分析，属于机械自动化技术领域。

背景技术

[0002] 在机械专业教学过程中，夹紧机构随处可见，夹具设计一直是机械设计的基础课程，在现代社会机械生产中，夹具更是有着举足轻重的地位。夹具原理是机械设计的基础，涉及的课程有《机械制造工艺学》、《机床夹具设计》以及机械专业课程设计，是机械专业本科教学的重点，而夹具中的偏心夹具在机床设计中应用广泛，但对于偏心圆夹具的夹持原理，很多大学生似懂非懂，生理解较困难的内容，这是夹具原理教学的一个缺漏。

[0003] 如今常见的夹具教学装置，大部分仅仅是将夹紧装置硬搬到课堂上，演示了夹紧操作过程，只能向学生展示怎样可以装夹工件，却无法解释为什么可以夹紧，更无法推导出夹紧条件或启发学生思考如何有效设计夹具，这是机械专业教学的重难点。根据机械系本科生反映，夹具原理中偏心夹具的自锁原理和设计准则最为晦涩难懂，尤其是偏心夹具的临界自锁条件 更是课程的重难点，学生难以将其与浅显的斜面自锁对等起来，事实上这二者的自锁原理本质上具有近似等效性。

[0004] 为了帮助老师透彻讲解偏心夹具的夹紧过程和自锁原理，避免理论推导的枯燥生涩，因此有必要设计了一套偏心夹具教学仪，使偏心夹具原理剖析变得生动有趣，弥补了夹具设计教学中的一个空缺，让学生在实验操作中探索偏心自锁条件，从而加深对偏心夹具的理解。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种偏心夹具教学装置，该装置解决了背景技术中的不足，该装置能够帮助老师透彻讲解偏心夹具的夹紧过程和自锁原理，避免理论推导的枯燥生涩，而且还可以培养学生的动手能力和兴趣。

[0006] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

[0007] 一种偏心夹具教学装置，至少包括底座以及安装在底座上的偏心夹紧单元、轨迹绘制单元以及斜面自锁单元，所述的偏心夹紧单元至少包括偏心圆轴、偏心圆、固定架、压块、带座轴承以及滑动轴，所述固定架和带座轴承均固定在底座上，固定架呈门字形，偏心圆轴水平安装在带座轴承中，偏心圆固定在偏心圆轴的一端，且与固定架位于同一平面上，压块通过滑动轴安装在固定架上且能够沿固定架上下滑动，滑动轴的底端与压块固定连接，压块上设有安装孔，滑动轴的顶端穿过固定架顶部的滑孔，固定架的两侧边上均设有竖直的滑槽，滑动轴的底部固定有横梁，所述横梁的两端均位于滑槽中且横梁能够沿滑槽上下滑动；所述压块位于偏心圆的上方，且两者之间相接触；所述的轨迹绘制单元至少包括齿轮、齿条、滑轨、移动架和画板、画笔，滑轨设有两条，两滑轨相平行且分别位于偏心夹紧单元的左右两侧，齿条安装于其中一滑轨上，画板竖直安装在另一条滑轨上，移动架设置在齿条和画板之间，将两者固定连接，齿条和画板沿滑轨同步滑动，所述画笔的一端安装于压块上的安装孔中，画笔的另一端与画板相接触，所述齿轮通过带座轴承安装在齿条的上方并与齿条啮合；所述齿轮轴与偏心圆轴之间通过联轴器连接，并且两轴之间设有离合器；所述的斜面自锁单元包括斜面、砝码块和丝杠，其中斜面的一端通过合页安装在底座上，斜面的正反两面均设有滑道，砝码块放置于斜面正面的滑道内，丝杠安装在底座上且位于斜面的下方，丝杠的顶部顶在斜面反面的滑道内，通过调节丝杠高度能够调节斜面的倾斜度。

[0008] 所述的偏心圆由圆轮、滑块和锁紧螺钉组成，圆轮上沿半径方向开有滑槽，滑块嵌在滑槽中，锁紧螺钉将滑块锁紧固定在圆轮上，所述的偏心圆轴与滑块固定连接。

[0009] 所述的滑动轴上套有弹簧，所述的弹簧位于压块和固定架的顶部之间。

[0010] 所述的画板为玻璃画板，画笔为可擦拭的水性画笔，玻璃画板上还附带有量角工具。

[0011] 所述斜面正面的滑道与偏心圆表面的粗糙度相同，砝码块表面与压块表面的粗糙度相同，滑道与砝码块之间的摩擦系数与偏心圆和压块之间的摩擦系数相等。

[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明中偏心圆由圆轮、滑块和锁紧螺钉组成，圆轮上沿半径方向开有滑槽，滑块嵌在滑槽中，因此偏心圆的偏心距可以调节，能够实现临界偏心距的探索。2、由于偏心圆轴和齿轮轴在调试偏心距阶段需要断开，并且在绘制轨迹阶段又需要同步转动，故此处采用电磁离合器连接两轴控制其断合，操作安全方便。3、本发明中还采用齿轮同步技术将偏心轮廓展开成坐标图，启发学生思考偏心夹紧与斜楔夹紧间的联系。4、本发明中画板为玻璃画板，画笔为可擦拭的水性画笔，玻璃画板上还附带有量角工具，不仅可以让学生直接观察轨迹绘制过程，分析轨迹特征，还便于反复擦拭作图，同时玻璃画板和斜面上都附有量角工具，角度读取一目了然。

附图说明

[0013] 图1为本发明提供的偏心夹具教学装置的整体结构示意图；

[0014] 图2为偏心夹紧单元的结构示意图；

[0015] 图3为轨迹绘制单元的结构示意图；

[0016] 图4为斜面自锁单元的结构示意图；

[0017] 图5为本发明实施例的偏心夹具原理图；

[0018] 图6为本发明实施例的实验流程图；

[0019] 图中：1-偏心圆轴，2-偏心圆，3-固定架，4-压块，5-带座轴承，6-滑动轴，7-底座，8-横梁，9-弹簧，10-齿轮，11-齿条，12-滑轨，13-移动架，14-画板，15-齿轮轴，16-离合器，17-斜面，18-砝码块，19-合页，20-丝杠。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明做详细具体的说明，本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

[0021] 本发明提供的偏心夹具教学装置的整体结构示意图如图1所示，包括底座7以及安装在底座上的偏心夹紧单元、轨迹绘制单元以及斜面自锁单元。

[0022] 所述的偏心夹紧单元的结构如图2所示，包括偏心圆轴1、偏心圆2、固定架3、压块4、带座轴承5以及滑动轴6，所述固定架6和带座轴承5均固定在底座上，固定架呈门字形，偏心圆轴1水平安装在带座轴承中，偏心圆2固定在偏心圆轴1的一端，且与固定架3位于同一平面上，所述的偏心圆2由圆轮、滑块和锁紧螺钉组成，圆轮上沿半径方向开有滑槽，滑块嵌在滑槽中，锁紧螺钉将滑块锁紧固定在圆轮上，所述的偏心圆轴1与滑块固定连接。由于采用上述结构，因此偏心圆的偏心距可以调节，能够实现临界偏心距的探索。

[0023] 压块4通过滑动轴6安装在固定架3上且能够沿固定架3上下滑动，滑动轴6的底端与压块4固定连接，压块4上设有安装孔，滑动轴6的顶端穿过固定架3顶部的滑孔，所述的滑动轴6上套有弹簧9，所述的弹簧9位于压块和固定架的顶部之间。固定架的两侧边上均设有竖直的滑槽，滑动轴的底部固定有横梁8，所述横梁8的两端均位于滑槽中且横梁8能够沿滑槽上下滑动；所述压块4位于偏心圆2的上方，且两者之间相接触。所述的滑动轴、弹簧和横梁能够弹簧的竖直方向运动平稳流畅，不发生歪斜、扭转。

[0024] 所述轨迹绘制单元的结构如图3所示，包括齿轮10、齿条11、滑轨12、移动架13和画板14、画笔，滑轨12设有两条，两滑轨12相平行且分别位于偏心夹紧单元的左右两侧，齿条11安装于其中一滑轨上，画板14竖直安装在另一条滑轨上，移动架13设置在齿条11和画板14之间，将两者固定连接，齿条11和画板14沿滑轨同步滑动，所述画笔的一端安装于压块4上的安装孔中，通过螺钉锁紧，画笔的另一端与画板14相接触，所述齿轮10通过带座轴承5安装在齿条11的上方并与齿条11啮合；所述齿轮轴15与偏心圆轴1之间通过联轴器连接，并且两轴之间设有离合器16。

[0025] 本发明中画板14为玻璃画板，画笔为可擦拭的水性画笔，玻璃画板上还附带有量角工具，不仅可以让学生直接观察轨迹绘制过程，分析轨迹特征，还便于反复擦拭作图，同时玻璃画板和斜面上都附有量角工具，角度读取一目了然。

[0026] 所述的斜面自锁单元的结构如图4所述，包括斜面17、砝码块18和丝杠20，其中斜面17的一端通过合页19安装在底座7上，斜面17的正反两面均设有滑道，砝码块18放置于斜面正面的滑道内，丝杠20安装在底座7上且位于斜面17的下方，丝杠20的顶部顶在斜面反面的滑道内，通过调节丝杠高度能够调节斜面的倾斜度。所述斜面正面的滑道与偏心圆表面的粗糙度相同，砝码块表面与压块表面的粗糙度相同，滑道与砝码块之间的摩擦系数与偏心圆和压块之间的摩擦系数相等。

[0027] 下面对本实施例提供的偏心夹具教学装置的原理进行详细描述：

[0028] 本实施例提供的偏心夹具原理图如图5所示，在图5所示的偏心轮中，其几何中心为C，直径为d，回转中心为O，偏心距为e。由图可知，该偏心轮系由半径为r的偏心基圆和两个套在其上的弧形楔MNK所构成。若将操控手柄装在上半部，就可以用下半部的弧形楔来工作。当偏心轮顺时针绕O回转时，其回转中心至偏心轮上压紧点的距离(即回转半径r)不断增大，相当于此弧形楔向前楔紧在偏心基圆与工件之间，从而将工件压紧。

[0029] 偏心轮夹紧实际上是斜楔夹紧的一种变形，与平面斜楔夹紧相比，主要区别是其工作表面上各个夹紧点的升角α是一个变数，最容易发生滑移的点为回转90°时，此点为“s”形轨迹的驻点，且切线倾角最大，故在考虑偏心夹具完全自锁条件时应以这点为判定准则，这一点的升角αmax，必须满足αmax≤μ，其中μ为偏心圆和工件之间的摩擦角，仅与两者表面材质有关。进一步推导：

[0030]

[0031] 对比斜面摩擦自锁条件α≤μ，区别仅仅为此处α是一个变数，因此二者可以等效。

[0032] 由此即可得到偏心圆自锁条件，这也是偏心夹具设计的核心准则。可以看出，偏心夹具自锁与否与夹紧力大小无关，仅与接触面摩擦角、偏心圆偏心距以及直径有关。偏心圆的夹紧原理与斜楔夹紧相似，其自锁条件与斜面自锁条件一致，均为接触面摩擦自锁，这就是偏心夹具的本质。具体说来，偏心圆没有达到自锁条件的表现为在驻点发生回弹和滑移。

[0033] 本实施例中的目的即为了验证上述推论，在本实施例中，实验操作流程如图6所示，首先是寻找临界偏心距，具体操作是断开离合，采用二分法不断调整偏心距e，再拨动偏心圆到90°位置，直到偏心圆在旋转90°位置时恰不发生回弹即可；

[0034] 然后绘制临界自锁时的偏心轮廓展开图，具体操作是闭合离合器，安装画笔，利用手柄将齿轮从齿条一侧摇到另一侧即可；

[0035] 接着调整斜面倾角达到临界摩擦自锁，具体操作是旋转丝杠螺母，直到斜面上静止的砝码快刚好开始滑动即可。

[0036] 最后对比临界偏心轮廓线最大升角αmax与斜面临界摩擦自锁角α，即可得出结论。