机械自动加法示教装置的研制

陈一举 张巨勇

摘 要：针对幼年儿童算术入门学习的需要，创新设计与制作了一款机械自动加法示教装置。该装置主要由数载体、间歇传递机构、进位与复位机构及顺序控制机构等组成。在数载体自身重力势能驱动下，该装置能实现直观的加法自动运算。该装置可以作为小学或幼儿园算术入门学习的演示教具，也可作为家庭幼年儿童的趣味玩具，对小孩的启蒙教育具有很好的帮助作用。

关键词：机械自动；加法进位；启智教具

引言

美国著名心理学家布鲁姆的科学研究表明，一个人50%的基础智力是在幼儿时期获得的，因此幼儿的智力锻炼得到了家长和教育工作者的高度重视。目前，社会竞争越来越强，为了锻炼幼年儿童基础智力的发展，培养逻辑思维和创新想象力，各种具有趣味且直观的演示教具得到了教育机构和众多家长的亲睐。

作为算术入门的演示教具或玩具，市场上已有较多。但他们并不能直观地自动显示加法运算的过程，也不能充分直观地体现算术加法原理。在算术加法中，“逢十进一”的进位、“先低后高”的运算等概念是孩子们在学习中面临的不小门坎。为帮助幼年儿童顺利地迈过这个算术入门的门坎，设计出一款具有趣味性、能自动实现加法运算的演示玩、教具，无疑具有较大的现实价值。

1 概念方案设计

装置针对幼年儿童直观感性认识事物的智力特点和好奇心理，在直观、娱乐趣味性上做足文章，使幼年儿童在娱乐玩耍中满怀激情地、顺其自然地掌握数的大小及算术加法原理，并在对装置机构运动的零距离观察中激发好奇心、启发逻辑思维和创新想象力。同时为突出装置的实用性，其结构应尽可能地简单、安全，装置只需实现百位内的加法运算且不采用复杂的驱动源和控制模式。

为了实现该装置的上述定位，进而进行结构的概念方案设计，需对百位内加法的运算流程进行分析如下：

（1）被加数载体按个、十位先存放目的寄存处，加数载体则先按个位相加再十位相加的机制依次运算。运算执行后，被加数的目的寄存处显示的即是运算结果；

（2）当个位上相加有进位时，则刚进位的加数载体进入被加数的十位目的寄存处，实现进位；同时，被加数个位的目的寄存处的载体应清零，即实现个位加法的进位；

（3）十位上的进位原理与（2）同理。

根据上述装置的定位及百位内加法运算的流程分析，该装置概念方案的结构组成及其相应的功能如图1表示。

图1 机械加法示教装置的主要组成及其功能框图

该方案装置的结构布局见图2所示。其基本原理是：每个加数和被加数容器只能存放9个数载体，且加数和被加数容器分别置于机架的上部和下部；加数数载体在间歇传递机构的作用下，沿着通道下落，自动进入被加数容器，实现相加；加数和被加数容器有刻度，可直观体现数的多少；当某位被加数容器已达到9个数载体后，若再有1个数载体欲进入被加数容器时，由于被加数容器已存满，这个数载体将不能进入，而是沿着斜向滑道进入更高位的被加数容器，实现进位；进位的同时，按算术加法原则，该被加数容器中已有的9个数载体清空，落入回收容器，且清空后，这个被加数容器复位，为存放下一个加入的数载体做好准备；实现被加数容器的进位清空和复位，由进位机构来实现；由控制机构执行先低位再高位相加的算术加法原则。

2结构设计

该装置结构的总体设计见图3所示，其主要由数载体弹珠、机架（设有存放容器与通道）、转轮式间歇传递机构、双摇杆四杆进位与复位机构、滑行拉杆顺序控制开关机构等组成。

图3 总体三维结构设计

2.1 数载体选型

数载体是数的具体符号，应选用幼年儿童喜欢玩耍的小玩具。同时考虑到装置内机构运动的驱动不采用另加的电力等驱动源，只能借助于示教装置本身的重力势能的设计目标。从概念方案结构的组成中可发现，能利用的重力势能只能是作为数载体的结构，即数载体既是数的符号，其自身的重力势能也是整个装置的驱动能源。基于驱动源目标要求，数载体选用幼年儿童喜欢玩耍的弹珠类结构，自身比重较大，有利于获取足够的重力势能驱动整个装置的运行；同时，结构形状为圆形，减少摩擦，有利于数载体的移动。

2.2 间歇传递机构设计

如果加数载体的弹珠是连续沿着通道下落进行自动相加的话，则当有进位、清空时，由于被加数容器还没有复位，则后续的数载体弹珠也会随清空的弹珠，一同下落至回收容器，使加法运算出错。因此，数载体弹珠必须以一定的间歇逐次下落。即要实现数载体相加的进位与复位等操作，需要具有精巧的时序配合，即数载体间歇传递时间应大于进位、复位及滑行时间之和，即要设计一个数载体的间歇传递机构。

对于该装置，若采用电磁开关闭、合实现通道开、关的方法，进行间歇传递的话，可能会得到一个结构较为简单的设计方案。但该装置设计的一个目标是，除了可利用弹珠自身下落的重力势能外，不能借助其它能量对该装置进行驱动。也就是说，在这个间歇传递机构中，按方案目标要求，弹珠即是间歇操作的对象，又是间歇传递机构的驱动源。从一般的间歇传递机构类型中，难以进行选型设计。

根据该装置间歇传递机构的特点，经过对比、发散等设计思维方法，创新地设计了一类转轮式间歇传递机构，见图4所示。该间歇传递机构主要由传递转轮和传递滑道组成，传递转轮上设有比数载体弹珠直径略大的半球传递孔；转轮通过配重，在静止状态时，传递孔正好位于弹珠下落通道的下方。

其工作原理是：通道内数载体弹珠下落进入传递孔后，由于转轮轴与传递孔不在垂直面内，在弹珠的重力作用下，转轮旋转，带动弹珠在传递滑道内滑动；当弹珠随转轮滑动到滑道下方时，弹珠在重力作用下自然落入下方通道。当下落的弹珠没有落入传递孔时，由于滑道空间的限制，弹珠不能沿着滑道下滑。由于转轮上只设一个传递孔，转轮旋转一圈只能传递一个弹珠，从而实现了数载体弹珠的间歇传递。当然，也可根据加法器机械系统时序的配合情况，在传递转轮上多设传递孔，使转轮转一圈，传递多个数载体弹珠；但必须保证传递转轮在静止状态时，必有一个传递孔位于弹珠下落的正下方。

2.3 自动进位与复位机构

自动进位与复位机构见图5所示。其主要由双摇臂四杆机构、驱动杆及容器开关组成。

其工作原理是：当驱动杆被数载体弹珠触动，带动上摇臂转动，由双摇臂四杆机构传动，带动与下摇臂相连的容器开关，在容器内数载体弹珠的重力作用下，容器开关一直处于打开状态，当容器内数载体弹珠清零后，该机构在自身重力作用下复位，容器开关闭合。

2.4 加法顺序控制机构

加法顺序控制机构为滑行拉杆机构，其主要是实现加法先个位、再十位相加的算术相加的控制过程，其结构见图6所示。

该工作原理是：拉杆与机架滑道配合，形成一个直线滑行机构，拉杆上两个开口各为个位和十位数载体上通道的下部开关。由于两个开口间距和数载体弹珠通道口间距设计的不同，使弹珠上通道与操作杆开口发生正位或错位，从而通过操作杆拉动长度的不同，实现个位和十位数载体弹珠上通道的闭合。即实现个位先加，再十位相加的加法顺序的控制。

3 结束语

该装置是一种全新的纯机械式自动加法装置，其工作原理及机构设计均属原创，功能清晰、直观，操作简单，互动性强，娱乐趣味性好。

该示教装置的样机通过在幼儿园、小学及商场超市等场所的应用实验表明（见图7所示），其对幼年儿童具有很好的吸引性，对他们的算术加法的入门学习具有很好的帮助与启迪作用。

图7 装置在某小学现场照片

参考文献

[1]郑文纬，吴克坚.机械原理（第七版），北京，高等教育出版社，1997

[2]濮良贵.机械设计（第八版），北京，高等教育出版社，2006

[3]闻邦椿.机械设计手册（第五版），北京，机械工业出版社，2010

[4]邹慧君，颜鸿森.机械创新设计理论与方法，北京，高等教育出版社，2008

[5]康士廷，胡仁喜.SolidWorks2010机械设计从入门到精通，北京，机械工业出版社，2011

作者简介：陈一举（1992-），男，浙江杭州人，杭州电子科技大学在读本科生，专业：机械设计制造及其自动化。