一种节约木材资源的纸壳相贯立体教学模型制作装置设计说明书
设计者:朱佳慧 龚煜 朱柯
指导老师:王永泉副教授
(湖北汽车工业学院科技学院,十堰,42000)
背景调研
据平均统计,一所高校购进的木模(图1)数量相当于12棵成年杨树(均25年树龄)的木材资源量,且平均每年都要以7.2棵成年杨树的木材资源量作为补充维护。全国共有3000余所高校,而《机械制图》作为高校基础通识课程,至少有95%的高校学生都要学习该课程。如此计算,平均每年将有2.9万棵成年杨树被砍伐用于制作木模教具,如果利用本作品替代传统木模,不仅能实现现场实践高质量教学效果,而且根据有效推算,保守估计至少能节约90%的木材资源损耗。节能环保,意义重大。
在当今世界的生态文明发展中,习近平总书记强调“绿水青山就是金山银山”的生态环境建设理念。大力发展生态文明建设,就必然离不开节约资源和高效地利用资源,以争取资源利用最大化。而本作品是一种可大量节约木材资源的纸壳相贯立体教学模型制作装置,学生可利用废旧纸壳独立制作相贯线模型,在提升极大程度上的提升了学生动手实践能力,教学模式也可由理论向实践的高质量转变的同时,也大量的节约了木材资源的损耗,以及避免了木模制作过程中带来的一系列经济成本,环境污染等问题,意义重大。(下图为重庆大学木模教学模型)

装置原理方案设计
该装置利用简单的投影关系和回转体特性,经过简单的回转投影操作即可获得相应的相贯线轮廓曲线,沿轮廓裁剪拼接即可获得相应的相贯线模型。操作简单,学生可自己独立手动操作,加深对各种图形的相贯线章节的理解的同时。又可以达到“ 节能环保”的生态理念,实现“绿色教学”的双赢目的。
该仪器为纯机械装置,纯手动操作,结构简单实用。该装置只需要“圆柱、圆锥、球体”三个基本体木模即能快速、平稳地画出柱、锥、球等常见回转体在轴线正交、斜交、偏置、平行等位置时的空间相贯线,而且相贯回转体的尺寸可调节,绘制出的相贯线精确度较高。
图1所示,画笔的横向位置可调即可实现上部回转面半径可调,画笔绕水平轴旋转可调,则上部回转面可以调节形成圆柱面或不同锥角的圆锥面。图3所示柱锥相贯模型题目的制作实例,在木模基本体外包纸面上画好相贯线后,将纸面展开即可得到相贯线的展开图,若沿相贯线将内部纸面剪掉,再恢复原基本体纸模型,然后将另一基本体纸质模型插入该模型则可得到两体相贯后的相贯体纸质模型。
在设计的空间相贯线绘制仪的基础上,开发新的模块可实现画笔在绘制空间相贯线的同时还能绘制其多面正投影,如图4所示柱锥相贯相贯线正投影绘制实例。
如图5(a)所示为学生制作的几种典型相贯体模型,从左至右、从上到下依次为:柱柱正交相贯、柱柱偏心相贯、柱柱斜交相贯、柱锥正交相贯、锥柱正交相贯、柱锥竖向偏心相贯。如图5(b)所示为我校相贯线实践教学初步实施,学生制作的作品。如图5(c)所示为学生制作的相贯体模型与习题集作业对应题目的对照图。
装置机构方案设计
图中1是竖向导杆,2是横向导杆,3是锁紧螺钉,4是滑块,5是螺母,6是螺栓,7是筒体,8是弹簧,9是画笔,10是工作台,11是调节螺栓一,12是滑板,13是导轨,14是转盘,15是底座,16是推力轴承,17是套筒,18是调节螺栓二,19是支架,20是支撑杆一,21是圆柱体,22是支撑杆二。 
产品结构图(1) 产品结构图(2)
工作台可由螺杆螺母驱动让木模发生纵、横向运动。装置上方有固定画笔,内有弹簧可实现画笔上下自由伸缩,工作台安装在底部转盘上,通过手动转动转盘,可实现上部画笔相对回转所形成的回转面与木模之间发生相贯。画笔即可在木模外包围的画纸上绘制出空间相贯线。因画笔可调节成竖直的或斜向的,其形成的回转面可以是圆柱面或圆锥面,其位置也可左右调节,即画笔到转盘轴线距离可调,可得到不同回转直径的回转面,所以画笔形成的回转面的形状尺寸均可调整,即可制作出模型。

该装置制作柱锥相贯线时的工作图 利用该产品制作的模型
创新点
一、本装置改变了传统木模演示参观的教学方式,利用纸壳制作模型,大量的节约了木材资源的消耗和经济成本等问题。
二、本仪器可绘制圆柱、圆锥、球体两两任意组合在其轴线正交、斜交、偏置、平行时的空间相贯线,实用性极高。
三、利用本仪器可以制作出机械制图习题集上几乎所有相贯线类题目的实物模型,操作简单,极易理解。
四、本仪器在绘制相贯体空间相贯线的同时还能轻松绘制出相贯线的多面正投影,便于学生对相贯线读图及作图时“由图到物,由物到图”的理解。
应用前景
图学课程作为各高校各专业必修的通识课之一,相贯线部分内容一直是一个重点内容,也是一个难点内容。目前教学中,为帮助学生更好的理解掌握这一难点,采用的辅助教学手段较被动如只能参观模型、观察三维模型,不能动手操作,又因木模消耗资源大且展柜占地面积大,应用起来有局限性,其他实物制作效果欠佳。学生学习该部分内容时,效果不甚理想,很多学生出现畏难情绪,课堂不易理解、作业无从下手。本装置是一种能让学生通过动手操作实现多种常见回转体多种相贯形式的空间相贯线绘制、纸质立体模型制作、相贯线正投影生成一体化的相贯线绘制仪器。
本装置是每年面向上千所高校、技校,上百万学生的重要学习辅助教具,有广阔的应用市场。使用本装置能够极大的节约森林木材资源、实现低碳环保,同时通过该装置的操作能大大激发学生的学习兴趣,提高其动手实操能力,能结合理论知识自主学习相贯线部分内容,让课堂变得鲜活而有趣。
以各大高校、科技馆及相关制造厂等作为目标群体,在相贯线绘制生成仪不断升级的过程中,结合目标客户的需求,进行仪器的优化改良,降低成本。同时借助国家政策扶持,加大宣传力度,扩大影响力,实现营收,以求更大的社会效益径,提供信息和相关服务与教育部门进行合作.