CN104183190B - 新型数控插齿机演示仪及演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型数控插齿机演示仪及演示方法，该演示仪包括机架、印齿机构、水平进给机构，该演示仪通过水平进给机构上纸坯的水平进给运动、插齿刀与纸坯的范成运动、印齿机构中插齿刀的上下运动共同作用下完成演示。本发明可以通过改变ＰＣ端的参数，改变两轴间的中心距、所要绘制的齿数、绘制速度等，进而可以绘制标准齿轮、变位齿轮，比较两者的异同点，还可以演示根切现象；各机构布局合理，整体体积较小，并且安全可靠，适合在实验课上为学生进行演示。

Description

新型数控插齿机演示仪及演示方法

技术领域

本发明涉及一种范成原理实验教具，尤其是一种新型数控插齿机演示仪及演示方法。

背景技术

范成原理实验演示教具，目的是使同学们通过观察教具模型，掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理，了解齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法，同时还可以分析比较标准齿轮和变位齿轮的异同点。

在我国，还未出现过类似的数控插齿机演示仪，范成原理演示工作主要由线传动齿轮范成仪完成。但基于演示教具的重要作用及线传动齿轮范成仪所存在的很多缺陷，对新型范成原理演示教具的研制是非常重要的。

根据对线传动齿轮范成仪的研究，将其不足之处归结如下：（1）线传动齿轮范成仪效率较低。在实验过程中，线传动齿轮范成仪要求学生手工绘制齿形轮廓包络线，往往需要花费大量时间才能完成一种齿形的绘制，大大影响了实验效率。（2）不利于老师教学演示。由于线传动齿轮范成仪效率较低，在时间有限的课上，老师不能够亲自示范一个齿轮的绘制过程。（3）无法保证实验效果。由于操作过程中的对心、绘制完全由人工完成，无法保证精度，使得绘制的图形存在一定偏差。另外，绘制过程中容易弄脏，弄破纸面，影响观察效果。（4）对于实际齿轮加工过程的演示不够形象直观。线传动齿轮范成仪绘制齿轮轮廓包络线是一种根据原理的简化与抽象，与实际插齿机加工齿轮过程相差较大，不利于学生的观察理解。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型数控插齿机演示仪及演示方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种新型数控插齿机演示仪，包括机架、印齿机构、水平进给机构；所述机架包括盖板、支撑板、两根支撑柱；支撑板竖直安装，盖板的一端安装在支撑板的顶部，两根支撑柱安装在支撑板的底部；盖板上方安装有印泥和垫块；

所述印齿机构包括机座、电磁铁、第一大齿轮、第一小齿轮、第一驱动电机、插齿刀杆轴、两个滑动轴承、弹簧、插齿刀、螺栓下垫片、螺栓；电磁铁安装在机座底部，第一大齿轮安装在电磁铁上方，并与电磁铁保持3~7mm的垂直距离，第一大齿轮上方连接插齿刀杆轴的底端，插齿刀杆轴顶端通过插齿刀顶部的螺栓下垫片、螺栓与插齿刀固定，弹簧安装在插齿刀杆轴上，弹簧顶端接触插齿刀杆轴的轴肩下端面，弹簧底端接触机座的机座上端面；第一大齿轮与第一小齿轮啮合，第一小齿轮连接第一电机；插齿刀杆轴安装有两个滑动轴承；

所述水平进给机构包括第二电机、第三电机、联轴器、第一滚动轴承、滚珠丝杠、滚动螺母、第二滚动轴承、第二小齿轮、第二大齿轮、滑块、纸坯轴、纸坯、端部压盖、导轨；滑块安装在导轨上，可在导轨上水平滑动；滑块安装有滚动螺母，滚珠丝杠一端通过联轴器与第二电机相连，另一端穿过滚动螺母；第二小齿轮与第二电机相连，并与第二大齿轮啮合；纸坯轴底端与第二大齿轮连接，中部穿过滑块，顶部与端部压盖连接；纸坯轴的轴肩上端面与端部压盖之间安装有纸坯；第二滚动轴承安装在纸坯轴上；

两根支撑柱一端与支撑板下端固定，另一端与机座下端固定，盖板安装在支撑板和机座的顶面上，盖板开有孔和槽，孔内穿有弹簧和插齿刀杆轴，槽内穿有纸坯轴；盖板上的印泥和垫块位于插齿刀下方。

一种新型数控插齿机演示仪的演示方法，包括以下步骤：

1、水平进给机构上纸坯的水平进给运动：第二电机通过联轴器驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠通过滚动螺母带动滑块的水平运动，滑块通过纸坯轴带动纸坯水平进给运动，使得纸坯的边缘位于垫块上方，第二电机停止工作；

2、插齿刀与纸坯的范成运动：第一电机带动第一小齿轮转动，第一大齿轮在啮合作用下开始转动，并带动插齿刀杆轴转动，插齿刀杆轴的转动带动插齿刀进行旋转运动；同时，第三电机带动第二小齿轮转动，第二大齿轮在啮合作用下开始转动，并带动纸坯轴转动，纸坯轴的转动带动纸坯进行旋转运动。第一电机和第三电机均为步进电机，通过控制第一电机和第三电机的脉冲数和脉冲频率，可以保持插齿刀和纸坯的旋转线速度一致，第一电机和第三电机工作t1时间后暂停工作（暂停时间为t2）；

3、印齿机构中插齿刀的上下运动：在第一电机和第三电机暂停工作后，电磁铁通电，吸引第一大齿轮向下运动，第一大齿轮通过插齿刀杆轴带动插齿刀向下运动，插齿刀左侧齿轮压在印泥上，右侧齿轮压在纸坯上，并在纸坯上形成齿轮轮廓；弹簧被压缩；电磁铁通电T1时间后，断电（断电时间为T2），弹簧释放弹性势能，通过推动插齿刀杆轴的轴肩下端面，使得插齿刀向上运动，第一大齿轮恢复到初始位置；

4、在第一电机和第三电机暂停工作t2时间后，不断重复步骤（2）~（3），完成印齿工作；

所述电磁铁的工作周期T1+T2与第一电机和第三电机的工作周期t1+t2相同，即T1+T2=t1+t2。

本发明的有益效果是：（1）该演示仪的整个齿形轮廓绘制过程实现自动化控制，大大提高了实验效率，并且操作容易，便于老师进行课上演示教学以及学生动手实验；（2）可以通过改变ＰＣ端的参数，改变两轴间的中心距、所要绘制的齿数、绘制速度等，进而可以绘制标准齿轮、变位齿轮，比较两者的异同点，还可以演示根切现象；（3）齿轮的绘制采用印泥印制的方式，正常情况下不会弄破纸坯，实验观察效果好；（４）机器外形模仿了实际插齿机，机构运动更加贴近实际齿轮加工过程，形象直观，更易于学生观察；（５）各机构布局合理，整体体积较小，并且安全可靠，适合在实验课上为学生进行演示。

附图说明

图1是新型数控插齿机演示仪的结构示意图；

图2是电磁铁外接电源（T）及第一电机和第三电机（t）输出电压的波形图；

图中，机座1、垫块8、印泥9、盖板10、支撑板11、两根支撑柱12、电磁铁51、第一大齿轮22、第一小齿轮21、第一驱动电机13、插齿刀杆轴24、滑动轴承23、弹簧52、插齿刀25、螺栓下垫片61、螺栓62、第二电机14、第三电机15、联轴器41、第一滚动轴承42、滚珠丝杠43、第二滚动轴承33、第二小齿轮31、第二大齿轮32、滑块45、纸坯轴34、纸坯35、端部压盖7、滚动螺母44、导轨46。

具体实施方式

参照图1，一种新型数控插齿机演示仪，包括机架、印齿机构、水平进给机构；

机架包括盖板10、支撑板11、两根支撑柱12；支撑板11竖直安装，盖板10的一端安装在支撑板11的顶部，两根支撑柱12安装在支撑板11的底部；支盖板10上方安装有印泥9和垫块8；

印齿机构包括机座1、电磁铁51、第一大齿轮22、第一小齿轮21、第一驱动电机13、插齿刀杆轴24、两个滑动轴承23、弹簧52、插齿刀25、螺栓下垫片61、螺栓62；

电磁铁51安装在机座1底部，第一大齿轮22安装在电磁铁51上方，并与电磁铁51保持3~7mm的垂直距离，使得电磁铁51在通电后对第一大齿轮22有足够的吸引力，且保证第一大齿轮22的行程在一定范围内（第一大齿轮22不会接触电磁铁51），相比于连杆或凸轮机构，电磁铁51更具有空间合理性，也更方便调试；第一大齿轮22上方连接插齿刀杆轴24的底端，插齿刀杆轴24顶端通过插齿刀25顶部的螺栓下垫片61、螺栓62与插齿刀25固定，第一大齿轮22、插齿刀杆轴24、插齿刀25同时作上下运动或旋转运动；弹簧52安装在插齿刀杆轴24上，弹簧52顶端接触插齿刀杆轴24的轴肩下端面，弹簧52底端接触机座1的机座上端面16；第一大齿轮22与第一小齿轮21啮合，第一小齿轮21连接第一电机13；插齿刀杆轴24安装有两个滑动轴承23，可减少插齿刀杆轴24在转动和上下运动时的摩擦；

水平进给机构包括第二电机14、第三电机15、联轴器41、第一滚动轴承42、滚珠丝杠43、第二滚动轴承33、第二小齿轮31、第二大齿轮32、滑块45、纸坯轴34、纸坯35、端部压盖7、导轨46；滑块45安装在导轨46上，可在导轨46上水平滑动；滑块45安装有滚动螺母44，滚珠丝杠43一端通过联轴器41与第二电机14相连，另一端穿过滚动螺母44，因此，滑块45在第二电机14的驱动下，可在导轨上运动；第二小齿轮31与第二电机15相连，并与第二大齿轮32啮合；纸坯轴34底端与第二大齿轮32连接，中部穿过滑块45，顶部与端部压盖7连接；纸坯轴34的轴肩上端面与端部压盖7之间安装有纸坯35；第二滚动轴承33安装在纸坯轴34上，可减少纸坯轴34在转动时的摩擦；

两根支撑柱12一端与支撑板11下端固定，另一端与机座1下端固定，盖板10安装在支撑板11和机座1的顶面上，盖板10开有孔和槽，孔内穿有弹簧52和插齿刀杆轴24，槽内穿有纸坯轴34，当水平进给机构上进行水平进给运动时，纸坯轴34在槽内水平运动；盖板10上的印泥9和垫块8位于插齿刀25下方，印泥9相比于现有技术中的切削蜡块，成本低，操作方便；垫块8用于垫纸坯35，使得印记更为清晰。

本发明包括4个运动：

1.印齿机构中插齿刀25的旋转运动：第一电机13带动第一小齿轮21转动，第一大齿轮22在啮合作用下开始转动，并带动插齿刀杆轴24转动，插齿刀杆轴24的转动带动插齿刀25进行旋转运动；

2.水平进给机构中的纸坯35的旋转运动：第三电机15带动第二小齿轮31转动，第二大齿轮32在啮合作用下开始转动，并带动纸坯轴34转动，纸坯轴34的转动带动纸坯35进行旋转运动；

插齿刀25的旋转线速度与纸坯35的旋转线速度一致，形成范成运动；

3.印齿机构中插齿刀25的上下运动：第一大齿轮22的材质为低碳钢，可与下方的电磁铁51之间产生电磁吸附力。电磁铁51与外接电源相连，外接电源的输出电压为如图2的方波波形，电磁铁51在通电时，吸引第一大齿轮22向下运动，第一大齿轮22通过插齿刀杆轴24带动插齿刀25向下运动，弹簧52被压缩；电磁铁51在断电时，第一大齿轮22与电磁铁51之间电磁吸附力消失，弹簧52释放弹性势能，通过推动插齿刀杆轴24的轴肩下端面，使得插齿刀25向上运动，第一大齿轮22恢复到初始位置；电磁铁51周期性通断电，插齿刀25周期性地做上下往复运动；

4.水平进给机构上纸坯35的水平进给运动：第二电机14通过联轴器41驱动滚珠丝杠43转动，滚珠丝杠43通过滚动螺母44带动滑块45的水平运动，滑块45通过纸坯轴34带动纸坯35水平进给运动。

演示方法包括以下步骤：

（1）水平进给机构上纸坯35的水平进给运动：第二电机14通过联轴器41驱动滚珠丝杠43转动，滚珠丝杠43通过滚动螺母44带动滑块45的水平运动，滑块45通过纸坯轴34带动纸坯35水平进给运动，使得纸坯35的边缘位于垫块8上方，第二电机14停止工作。

（2）插齿刀25与纸坯35的范成运动：第一电机13带动第一小齿轮21转动，第一大齿轮22在啮合作用下开始转动，并带动插齿刀杆轴24转动，插齿刀杆轴24的转动带动插齿刀25进行旋转运动；同时，第三电机15带动第二小齿轮31转动，第二大齿轮32在啮合作用下开始转动，并带动纸坯轴34转动，纸坯轴34的转动带动纸坯35进行旋转运动。第一电机13和第三电机15均为步进电机，通过控制第一电机13和第三电机15的脉冲数和脉冲频率，可以保持插齿刀25和纸坯35的旋转线速度一致，第一电机13和第三电机15工作t1时间后暂停工作（暂停时间为t2）；

（3）印齿机构中插齿刀25的上下运动：在第一电机13和第三电机15暂停工作后，电磁铁51通电，吸引第一大齿轮22向下运动，第一大齿轮22通过插齿刀杆轴24带动插齿刀25向下运动，插齿刀25左侧齿轮压在印泥9上，右侧齿轮压在纸坯35上，并在纸坯35上形成齿轮轮廓；弹簧52被压缩；电磁铁51通电T1时间后，断电（断电时间为T2），弹簧52释放弹性势能，通过推动插齿刀杆轴24的轴肩下端面，使得插齿刀25向上运动，第一大齿轮22恢复到初始位置；。

（4）在第一电机13和第三电机15暂停工作t2时间后，不断重复步骤（2）~（3），完成印齿工作。

所述T1、T2、t1、t2的关系如图2所示，T1+T2=t1+t2。

Claims (2)

1.一种新型数控插齿机演示仪，包括机架、印齿机构、水平进给机构；其特征在于，所述机架包括盖板（10）、支撑板（11）、两根支撑柱（12）；支撑板（11）竖直安装，盖板（10）的一端安装在支撑板（11）的顶部，两根支撑柱（12）安装在支撑板（11）的底部；盖板（10）上方安装有印泥（9）和垫块（8）；

所述印齿机构包括机座（1）、电磁铁（51）、第一大齿轮（22）、第一小齿轮（21）、第一驱动电机（13）、插齿刀杆轴（24）、两个滑动轴承（23）、弹簧（52）、插齿刀（25）、螺栓下垫片（61）、螺栓（62）；电磁铁（51）安装在机座（1）底部，第一大齿轮（22）安装在电磁铁（51）上方，并与电磁铁（51）保持3~7mm的垂直距离，第一大齿轮（22）上方连接插齿刀杆轴（24）的底端，插齿刀杆轴（24）顶端通过插齿刀（25）顶部的螺栓下垫片（61）、螺栓（62）与插齿刀（25）固定，弹簧（52）安装在插齿刀杆轴（24）上，弹簧（52）顶端接触插齿刀杆轴（24）的轴肩下端面，弹簧（52）底端接触机座（1）的机座上端面（16）；第一大齿轮（22）与第一小齿轮（21）啮合，第一小齿轮（21）连接第一电机（13）；插齿刀杆轴（24）安装有两个滑动轴承（23）；

所述水平进给机构包括第二电机（14）、第三电机（15）、联轴器（41）、第一滚动轴承（42）、滚珠丝杠（43）、滚动螺母（44）、第二滚动轴承（33）、第二小齿轮（31）、第二大齿轮（32）、滑块（45）、纸坯轴（34）、纸坯（35）、端部压盖（7）、导轨（46）；滑块（45）安装在导轨（46）上，能够在导轨（46）上水平滑动；滑块（45）安装有滚动螺母（44），滚珠丝杠（43）一端通过联轴器（41）与第二电机（14）相连，另一端穿过滚动螺母（44）；第二小齿轮（31）与第二电机（14）相连，并与第二大齿轮（32）啮合；纸坯轴（34）底端与第二大齿轮（32）连接，中部穿过滑块（45），顶部与端部压盖（7）连接；纸坯轴（34）的轴肩上端面与端部压盖（7）之间安装有纸坯（35）；第二滚动轴承（33）安装在纸坯轴（34）上；

两根支撑柱（12）一端与支撑板（11）下端固定，另一端与机座（1）下端固定，盖板（10）安装在支撑板（11）和机座（1）的顶面上，盖板（10）开有孔和槽，孔内穿有弹簧（52）和插齿刀杆轴（24），槽内穿有纸坯轴（34）；盖板（10）上的印泥（9）和垫块（8）位于插齿刀（25）下方。

2. 一种权利要求1所述的新型数控插齿机演示仪的演示方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）水平进给机构上纸坯（35）的水平进给运动：第二电机（14）通过联轴器（41）驱动滚珠丝杠（43）转动，滚珠丝杠（43）通过滚动螺母（44）带动滑块（45）的水平运动，滑块（45）通过纸坯轴（34）带动纸坯（35）水平进给运动，使得纸坯（35）的边缘位于垫块（8）上方，第二电机（14）停止工作；

（2）插齿刀（25）与纸坯（35）的范成运动：第一电机（13）带动第一小齿轮（21）转动，第一大齿轮（22）在啮合作用下开始转动，并带动插齿刀杆轴（24）转动，插齿刀杆轴（24）的转动带动插齿刀（25）进行旋转运动；同时，第三电机（15）带动第二小齿轮（31）转动，第二大齿轮（32）在啮合作用下开始转动，并带动纸坯轴（34）转动，纸坯轴（34）的转动带动纸坯（35）进行旋转运动；第一电机（13）和第三电机（15）均为步进电机，通过控制第一电机（13）和第三电机（15）的脉冲数和脉冲频率，能够保持插齿刀（25）和纸坯（35）的旋转线速度一致，第一电机（13）和第三电机（15）工作t1时间后暂停工作，暂停时间为t2；

（3）印齿机构中插齿刀（25）的上下运动：在第一电机（13）和第三电机（15）暂停工作后，电磁铁（51）通电，吸引第一大齿轮（22）向下运动，第一大齿轮（22）通过插齿刀杆轴（24）带动插齿刀（25）向下运动，插齿刀（25）左侧齿轮压在印泥（9）上，右侧齿轮压在纸坯（35）上，并在纸坯（35）上形成齿轮轮廓；弹簧（52）被压缩；电磁铁（51）通电T1时间后，断电,，断电时间为T2，弹簧（52）释放弹性势能，通过推动插齿刀杆轴（24）的轴肩下端面，使得插齿刀（25）向上运动，第一大齿轮（22）恢复到初始位置；

（4）在第一电机（13）和第三电机（15）暂停工作t2时间后，不断重复步骤（2）~（3），完成印齿工作；

所述电磁铁（51）的工作周期T1+T2与第一电机（13）和第三电机（15）的工作周期t1+t2相同，即T1+T2=t1+t2。