論“引線規”的設計原理及應用

張恩南 謝蕾

摘要：發明專利“引線規”（專利號：ZL201410135441.2）是一種在三維空間內建立并延伸平面及轉動直線的工具，適用于機械制造、建筑施工、室內裝修以及幾何作圖等領域。它用一種簡單的結構方便地實現了在三維空間內建立并延伸平面及轉動直線。

關鍵詞：建立平面；延展平面；轉動直線

在三維空間中，經常用于建立并延伸二維空間內的平面及轉動直線的工具是高度尺、直角尺、三角板、直尺、卷尺、丁字尺、分規和棉線等，其方法一般采用重力掛線法和兩點連線法。在機械制造、建筑施工、室內裝修及幾何教學等領域，經常采用基準轉換來進行測量、劃線等工作，目前無有效和準確的轉換方法及工具，經常會增加制造和測量的人為誤差，增加工作難度。

一、技術方案

通過發明一種在三維空間內建立并延伸平面及轉動直線的工具，解決了傳統工具無法精確建立并延伸三維空間內平面和轉動直線的問題。

它由以下技術方案實現。

一種引線規，包括被引線卡爪和引出線卡爪，被引線卡爪和引出線卡爪之間的接觸面位于同一個平面S面內，二者可相對轉動連接。被引線卡爪的底面與被引線所在的平面接觸時可形成任意傾角。引出線卡爪帶有棱邊，與引出線所在平面依靠該棱邊形成線接觸。

當被引線所在的平面和S面垂直時，被引線卡爪的橫截面為矩形，引出線卡爪的橫截面為梯形，梯形下底的一個棱邊與引出線所在平面線接觸。當被引線所在的平面和S面不垂直時，被引線卡爪的橫截面為梯形，梯形下底的一個棱邊與被引線所在平面線接觸，被引線卡爪繞此棱邊轉動使S面和被引線所在平面形成任意角度，引出線卡爪的橫截面仍為梯形，梯形下底的一個棱邊與引出線所在平面線接觸。

當被引線所在的平面和引出線所在的平面為鈍角時，引出線卡爪和被引線卡爪直接通過銷軸連接。當被引線所在的平面和引出線所在的平面為直角或銳角時，引出線卡爪和被引線卡爪通過連接板連接，連接板一端通過銷軸和引出線卡爪連接，另一端通過另一個銷軸和被引線卡爪連接。

當引出線和被引線需要通過多個中間平面（即多個S面）過渡時，多個被引線卡爪可依次直接通過銷軸實現轉動連接。

當引出線和被引線需要通過多個中間平面（即多個S面）過渡時，引線規的結構類似多截棍，多個被引線卡爪之間可由多個連接板依次連接，各連接板和引出線卡爪、被引線卡爪之間通過銷軸實現轉動連接。

二、附圖說明

圖1至圖4中，1為被引線卡爪、2為引出線卡爪、3為銷軸、4為連接板、5為擋板。

在圖1中，a、b、c分別為被引線卡爪的橫截面為矩形、引出線卡爪的橫截面為梯形的引線規的主視圖和俯視圖以及側視圖，d為c的Ⅰ部放大圖，e為a的A-A剖視圖，f為a的B-B剖視圖。

在圖2中，a、b、c為用于封閉或半封閉空間且被引線卡爪為矩形的引線規的主視圖、俯視圖和側視圖，d為c的Ⅰ部放大圖，e為c的Ⅱ部放大圖，f為a的A-A剖視圖，g為a的B-B剖視圖。

在圖3中，a、b、c為用于開放空間且被引線卡爪的橫截面為梯形的引線規的主視圖、俯視圖和側視圖，d為c的Ⅰ部放大圖，e為a的A-A剖視圖，f為a的B-B剖視圖，g為c的C-C剖視圖，h為c的D-D剖視圖。

在圖4中，a、b、c為用于封閉或半封閉空間且被引線卡爪的橫截面為梯形的引線規的主視圖、俯視圖和側視圖，d為c的Ⅰ部放大圖，e為c的Ⅱ部放大圖，f為a的A-A剖視圖，g為a的B-B剖視圖，h為c的C-C剖視圖，i為c的D-D剖視圖。

圖1、圖2、圖3和圖4為引出線和被引線通過1個中間平面過渡時，結構類似雙截棍的引線規。

圖5為圖1、圖2、圖3和圖4所示引線規的原理圖。

圖6、圖7、圖8和圖9為引出線和被引線通過1個中間平面過渡時，結構類似三截棍的引線規。

圖10為圖6、圖7、圖8和圖9所示引線規的原理圖。

三、具體實施方式

引線規設計原理見圖5。首先，假設三維空間中有兩個相交平面A和平面C，交線為l0 。用引線規建立一個平面B（即上文所述的S面）且平面B與平面A相交得一條直線l1 。然后，隨著引線規引出線卡爪的轉動，將平面B分解成兩個、三個或無數個重合且位于同一個平面B內的小平面。最后，隨著兩個、三個或無數個重合的小平面被依次展開，實現將平面B由第一個小平面延伸至第二個小平面，再由第二個小平面延伸至第三個小平面，依次類推，直至與平面C相交得一條直線l2，實現了平面B的延伸和交線l1在平面B內繞交線l0轉動至交線l2 。

本發明包括被引線卡爪1和引出線卡爪2，被引線卡爪1和引出線卡爪2之間的接觸面位于同一個平面S面內，二者可相對轉動連接，引出線卡爪2帶有棱邊，與引出線所在平面依靠該棱邊形成線接觸，被引線卡爪1的底面與被引線所在的平面接觸時可形成任意傾角。

當被引線所在的平面和S面垂直時，被引線卡爪1的橫截面為矩形，引出線卡爪2的橫截面為梯形，梯形下底的一個棱邊與引出線所在平面線接觸；當被引線所在的平面和S平面不垂直時，被引線卡爪1的橫截面為梯形，梯形下底的一個棱邊與被引出線所在平面線接觸，被引線卡爪1繞此棱邊轉動使S面和被引線所在平面形成任意角度，引出線卡爪2的橫截面仍為梯形，梯形下底的一個棱邊與引出線所在平面線接觸。

當被引線所在的平面和引出線所在的平面為鈍角時，引出線卡爪2和被引線卡爪1之間直接通過銷軸3連接；當被引線所在的平面和引出線所在的平面為直角或銳角時，引出線卡爪2和被引線卡爪1之間通過連接板4連接，連接板4一端通過銷軸3和引出線卡爪2連接，另一端通過另一個銷軸3和被引線卡爪1連接。

當引出線和被引線需要通過多個中間平面過渡時，引線規的結構為類似多截棍，中間部分為多個連接板和被引線卡爪依次連接，連接板4和引出線卡爪2、被引線卡爪1通過銷軸3可轉動連接。

當被引線所在的平面A與引線規確定的平面B（即上文所述的S面）垂直時（見圖5b、圖5e），此時引線規結構如圖1、圖2所示，被引線卡爪1的橫截面為矩形，引出線卡爪2的橫截面為梯形。引線時，矩形卡爪的一個側面與平面A上已知的一條直線l1對齊，另一個側面使引線規確定的平面B固定，保證平面B與平面A垂直。轉動梯形卡爪，使其底面的一條棱邊與平面C接觸，沿此棱邊可作出直線l2，即為引出線。在更為特殊的情況下，平面A、平面B和平面C兩兩互相垂直（見圖5c、圖5f），這時也用上述結構的引線規。

當被引線所在的平面A與引線規確定的平面B不垂直時（見圖5a、圖5d），此時引線規結構如圖3、圖4所示，被引線卡爪1的橫截面為梯形，引出線卡爪2的橫截面也為梯形。引線時，被引線卡爪1梯形下底的一條棱邊與平面A上已知的一條直線l1對齊，保證引線規確定的平面B與平面A成任意夾角，引出線卡爪2梯形下底的一條棱邊在平面C上確定平面B與平面C的交線l2 。

為了更方便地操作，當被引線所在平面A和引出線所在平面C形成開放空間的凸角時（即成鈍角或直角，見圖5d、e、f），被引線卡爪1和引出線卡爪2直接通過銷軸3連接（如圖1、圖3所示）。當被引線所在平面A和引出線所在平面C形成半封閉或封閉空間內的凹角時（即成直角或銳角，見圖5a、b、c），為了防止在兩平面相交的凹角處形成干涉，被引線卡爪1和引出線卡爪2不直接連接，而是通過連接板4連接，連接板4的兩端分別通過銷軸3與被引線卡爪1和引出線卡爪2連接（如圖2、圖4所示），這樣就通過連接板4避開了干涉。

本發明中，利用銷軸3實現卡爪之間、連接板4和卡爪之間的開合動作，而連接板4則將卡爪與卡爪連接起來。為了防止卡爪沿銷軸3竄動，在銷軸3的一端安裝有擋板5。

當引出線和被引線需要通過多個中間平面過渡時，引線規的結構類似多截棍，多個被引出線卡爪依次可轉動連接（見圖6、圖7、圖8、圖9）。相應地，通過無限增加梯形卡爪和連接板的數量，可使建立并延伸平面及轉動直線的范圍無限擴大。