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一種多功能橢圓圓規的制作方法

文檔序號:17559576發布日期:2019-04-30 18:55
一種多功能橢圓圓規的制作方法

本發明涉及一種繪圖工具,尤其是涉及一種能繪制橢圓的多功能圓規。



背景技術:

橢圓,是高中學生必須理解和掌握的一種幾何圖形,橢圓形在生產生活中也有著廣泛的表現和應用,為了學習或表達或應用橢圓的性質,在學習和生產生活的過程中常常需要繪制橢圓。當前繪制橢圓的方法主要有兩種:一種是尺規四心法繪制橢圓;另一種是利用“橢圓是平面上到兩個固定點的距離之和是同一個常數的軌跡”這一定義,進行兩焦點焦距尺規作圖法繪制橢圓。其中,尺規四心法繪制橢圓繪圖步驟繁多;兩焦點焦距尺規作圖法繪圖前必須先確定橢圓的焦點與焦距。

經檢索,現有的國家知識產權局專利局官方網站公布了總共11種橢圓圓規的曾有專利記錄(包括發明和實用新型兩類),通過逐一瀏覽,上述專利采用的繪制橢圓的原理全部是采用“橢圓是平面上到兩個固定點的距離之和是同一個常數的軌跡”的原理進行的構思及改進變化,發明的產品普遍部件繁多結構復雜。此外,在網絡上還搜索到了一種借助正交十字滑槽繪制橢圓的專用橢圓圓規,這種橢圓圓規結構相對簡單些,但是只能繪制長軸和短軸大于十字滑槽底座的橢圓,而且只能繪制橢圓功能單一。



技術實現要素:

為了解決尺規四心法繪制橢圓步驟繁多,兩焦點焦距尺規作圖法的橢圓圓規部件繁多構造復雜以及專用的橢圓圓規有局限性且功能單一的缺點,本發明提供一種原理迥異、結構簡單的多功能橢圓圓規。

為實現上述目的,本發明提供如下技術方案:

本發明提供一種多功能橢圓圓規,主要由圓規分叉、中空的繪圖支腳、彈簧、繪圖筆、旋轉支腳、原點支腳、偏移支腳及緊固螺栓等部件組成,其特征為:圓規分叉的兩側分別是中空的繪圖支腳和旋轉支腳;中空的繪圖支腳內裝有彈簧,繪圖筆裝在彈簧末端的繪圖支腳中空內,繪圖筆可以伸縮且繪圖筆尖外露;圓規分叉的另一側是旋轉支腳,旋轉支腳另外一端是原點支腳,旋轉支腳與原點支腳中心線重合并可以360°圓周旋轉;偏移支腳附著于原點支腳上,在繪制橢圓之前,偏移支腳的中心線在原點支腳中心線和橢圓長軸確定的平面內,并可以在一定角度范圍內旋轉后固定。

進一步地,增加一個穩定支腳,其特征是:穩定支腳也附著于原點支腳上,穩定支腳尖端可以在垂直于原點支腳中心線和橢圓長軸確定平面的平面內旋轉調節,在繪制橢圓時用以保持偏移支腳中心線和原點支腳中心線確定的平面與繪圖面垂直。

根據高中數學知識:用一個不平行于圓錐底面而傾斜于軸線,但斜角大于半錐角的平面去截圓錐,截取后的圖形就是一個橢圓。經過推理,截取后橢圓長軸和短軸的交點并非平面與圓錐軸線的交點,而是沿著橢圓的長軸方向發生了偏移,偏移的距離等于長軸和短軸之間差值的二分之一。

因此,在本發明繪制橢圓時:繪圖面相當于去截取圓錐的平面;可旋轉支腳和原點支腳的中心線重合相當于圓錐的軸線;偏移支腳尖端與原點支腳尖端之間的距離相當于截取平面和圓錐軸線的交點與橢圓長短軸交點之間的偏移量;繪圖支腳的旋轉中心,是一個在垂直于繪圖面的平面內,但是以固定角度傾斜(不垂直于繪圖面)的中心線;繪圖筆尖與旋轉中心軸線之間的距離,是一個周期性連續逐漸變化的變量。于是,繪圖筆尖沿旋轉中心線轉動一周記錄的軌跡,就是一個根據長軸和短軸確定的橢圓。

本發明的用途是可以調節的。調節并保持旋轉支點與筆尖的距離保持不變,本發明就是一種普通的繪圖圓規;調節旋轉中心線與筆尖的距離呈周期性連續漸變的進程時,本發明就是一種繪制橢圓的橢圓圓規。

本發明的有益效果是:既可以作為普通圓規使用,也可以繪制橢圓,繪制橢圓時也不需要先確定橢圓的焦點與焦距,為人們的學習和生產生活提供了一種結構簡單、操作方便、實用性強的多功能繪圖圓規。

附圖說明

下面結合附圖與實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的正視剖面示意圖。

圖2是本發明在繪制橢圓時的形態示意圖。

圖3是本發明中偏移支腳和原點支腳的一種實施例的剖面結構示意圖。

圖4是本發明的繪圖原理說明示意圖。

圖中:1.圓規分叉,2.彈簧,3.繪圖支腳,4.繪圖支腳緊固螺栓,5.繪圖筆,6.旋轉支腳,7.旋轉支腳緊固螺栓,8.旋轉支腳凸軸,9.穩定支腳旋轉軸,10.偏移支腳旋轉軸,11.穩定支腳調節螺栓,12.偏移支腳調節螺栓,13.偏移支腳,14.原點支腳,15.穩定支腳。

圖1中,圓規分叉(1)一側是繪圖支腳(3),繪圖支腳是中空的,中空內裝有彈簧(2);繪圖筆(5)緊貼彈簧末端置入繪圖支腳的中空內,筆尖始終露出繪圖支腳外,當繪圖支腳緊固螺栓(4)鎖緊時,繪圖筆不能在繪圖支腳的中空內滑動;松開繪圖支腳緊固螺栓,繪圖筆可以在繪圖支腳的中空內滑動,壓縮彈簧后回縮或是在彈簧彈力作用下伸長。

圓規分叉的另一側是旋轉支腳(6),旋轉支腳上有旋轉支腳凸軸(8)與原點支腳(14)契合,以保持旋轉支腳與原點支腳中心線始終重合;原點支腳與旋轉支腳之間能否圓周轉動通過旋轉支腳緊固螺栓(7)確定,松開旋轉支腳緊固螺栓時旋轉支腳可以繞原點支腳圓周旋轉,鎖緊旋轉支腳緊固螺栓后旋轉支腳不能繞原點支腳轉動;偏移支腳(13)附著于原點支腳(14)上,偏移支腳尖端超出原點支腳尖端,調節偏移支腳調節螺栓(12),偏移支腳尖端可以繞著偏移支腳旋轉軸(10)、在原點支腳中心線和圖中繪圖支腳中心線確定的平面內朝著圖中遠離繪圖筆尖的方向旋轉;穩定支腳(15)也附著于原點支腳上,調節穩定支腳調節螺栓(11),穩定支腳尖端可以繞著穩定支腳旋轉軸(9),在垂直于原點支腳中心線和圖中繪圖支腳中心線確定平面的平面內旋轉;偏移支腳的旋轉和穩定支腳的旋轉互不影響。

穩定支腳(15)的作用是保持偏移支腳中心線和原點支腳中心線確定的平面與繪圖面垂直,并非本發明中必不可少的部件,在沒有穩定支腳的實施例中,只要操作者盡量保持偏移支腳中心線和原點支腳中心線確定的平面與繪圖面垂直,并操縱旋轉支腳、圓規分叉和繪圖支腳同時繞原點支腳的中心線旋轉一周,同樣可以繪制出正確的橢圓圖形。

圖2中,繪圖支腳緊固螺栓(4)和旋轉支腳緊固螺栓(7)都處于松開的狀態,繪圖筆可以在繪圖支腳的中空內滑動,旋轉支腳可以繞著原點支腳圓周旋轉;穩定支腳尖端旋轉到點F后穩定支腳調節螺栓(11)鎖固,偏移支腳尖端旋轉到點O后偏移支腳調節螺栓(12)鎖固,此時,原點支腳尖端、偏移支腳尖端和穩定支腳尖端在繪圖面構成了一個三角形OEF,在旋轉支腳以下的部分形成了一個穩定的立體結構,偏移支腳中心線和原點支腳中心線確定的平面始終垂直于繪圖面。

圖3中,偏移支腳(13)尖端以上的部分將原點支腳(14)的一部分夾持以保證偏移支腳和原點支腳的中心線在圖示的狀態下重合。這樣,調節偏移支腳調節螺栓(12),偏移支腳尖端可以在保持偏移支腳中心線與原點支腳中心線確定的平面垂直于繪圖面的狀態下,繞偏移支腳旋轉軸(10)圓周旋轉偏移一定角度后固定。

圖4是本發明用于繪制橢圓時的實施原理示意圖。如圖中所示:用一個不平行于圓錐底面,斜角大于半錐角的平面去截取一個圓錐,形成一個長軸為AB,短軸為MN的橢圓,AB與MN正交于點O,平面與圓錐軸線的交點為E。在橢圓平面內以O點為中心,半徑OM做圓交OB于點C,D為圓錐中心線上橢圓平面之上的任意一點,則三角形ODE所在的平面垂直于橢圓平面,CB與OE等長。因此,本發明中以旋轉支腳、圓規分叉、繪圖支腳與繪圖筆作為一個整體的結構,以繪圖筆筆尖到旋轉中心線的距離為周期性連續漸變的變量,圍繞原點支腳的中心線DE旋轉一周,繪圖筆筆尖記錄的軌跡就是一個長軸為AB,短軸為MN的橢圓。

具體實施方式

結合圖1,以實施例配置有穩定支腳為例,本發明在作為普通圓規使用時的操作步驟為:緊固原點支腳(14)與旋轉支腳(6)之間的旋轉支腳緊固螺栓(7)使原點支腳與旋轉支腳不能旋轉位移;鎖緊偏移支腳調節螺栓(12)和穩定支腳調節螺栓(11),保持偏移支腳與原點支腳之間和穩定支腳與原點支腳之間不動;將繪圖筆(5)壓縮進繪畫支腳中空內至筆尖與穩定支腳尖端大致平齊后,緊固繪畫支腳上的繪畫支腳緊固螺栓(4)使繪圖筆不能在繪畫支腳內滑動;然后調節穩定支腳尖端與筆尖之間的距離為指定的圓的半徑,以穩定支腳尖端為圓心,轉動圓規分叉,就可以繪制出符合要求的圓。

本發明在作為橢圓圓規使用時,已知一個橢圓的長軸和短軸分別為a和b,,結合圖2與圖3,調節及繪圖的過程如下:

首先,在繪圖面做一條長度等于橢圓長軸的線段AB,標記長軸的中點O,在OB上截取OE=1/2(a-b)并標記點E(利用本發明繪制橢圓時,繪圖之前無需確定短軸MN,如果提前繪制短軸MN,則是以驗證繪制的橢圓是否是已知條件設定的橢圓為目的)。

然后取出圓規,旋松繪圖支腳緊固螺栓(4)使繪圖筆(5)可以在繪圖支腳(3)的中空內滑動;旋松穩定支腳調節螺栓(11)和偏移支腳調節螺栓(12),使偏移支腳尖端對準點O,原點支腳尖端對準點E,緊固偏移支腳調節螺栓;調整穩定支腳(15)與繪圖面之間的角度使偏移支腳(13)和原點支腳(14)構成的平面與繪圖面保持垂直,穩定支腳尖端與繪圖面的接觸點為點F,之后緊固穩定支腳調節螺栓。

緊接著松開旋轉支腳緊固螺栓(7)使旋轉支腳(6)可以繞原點支腳中心線轉動,之后從圓規分叉(1)處調節繪畫筆筆尖輕觸至點A處(如果調節筆尖至點B處,則需要施加一定壓力使彈簧收縮繪畫筆回縮至點B處),然后以旋轉支腳、圓規分叉、繪圖支腳與繪圖筆作為一個整體的結構圍繞原點支腳的中心線旋轉一周,繪圖筆筆尖在繪圖面上留下的軌跡即為一個長軸和短軸分別為a和b的橢圓。繪圖之前無需計算橢圓的焦點與焦距。

本發明在繪制橢圓時,繪圖筆筆尖到旋轉中心線的距離是漸變的。以橢圓長軸兩端頂點A和B到圓錐軸線的距離AK和BL為例,AK和BL的長度不等,但是從A點到B點的軌跡到圓錐軸線是一個連續漸變的增減過程,而繪圖過程中彈簧彈性變形促使繪圖筆筆尖伸縮,與原點支腳(圓錐軸線)的距離也是一個連續漸變的增減過程。因此,本發明利用筆尖伸縮產生的增量模擬了橢圓軌跡與圓錐軸線之間距離的變化過程。

特別聲明:以上列舉的實施例和實施方式僅用于說明與解釋本發明,并不用于限定本發明的權利要求范圍以及具體實施形式與實施步驟細節,本發明的保護范圍應當以權利要求書限定的范圍為準。

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