CN104332098B - 一种凸轮综合实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮综合实验台，属于机械实验教学领域，它包括：机架、导轨、支撑板、齿轮、齿条、步进电机、蜗杆、涡轮、同步带轮A、同步带轮B、凸轮、工件、光杠Ⅱ；其连接关系如下：导轨、齿条相互平行的固定在机架的下表面上，支撑板与导轨滑动连接，步进电机A固定在支撑板上，步进电机转动带动蜗杆转动，蜗杆与涡轮啮合，涡轮定轴转动从而带动轴上的齿轮、同步带轮A、切屑承接盘、工件一起转动，齿轮与齿条啮合，进而带动支撑板和光杠Ⅱ上的所有部件沿导轨方向移动，同步带轮A的转动通过同步带传递给同步带轮B，同步带轮B带动凸轮发生同轴转动；本发明是一种凸轮教具，能够实现凸轮的设计到加工的全过程以及凸轮加工方法的演变。

Description

一种凸轮综合实验台

技术领域

本发明属于机械实验教学领域，具体涉及一种凸轮综合实验台。

背景技术

随着机械工业的发展，凸轮机构作为一种基本的机械机构，因其结构简单紧凑并可实现各种复杂的运动要求，而在很多机械装置上都得到了广泛的应用。如包装机械、印刷机械、自动机械等。

凸轮机构作为机械原理课程的教学重点和难点之一，因其知识点较为抽象，使其课堂教学变得十分困难。学生在学习的过程中很难理解抽象的凸轮相关概念，因此教师在教学过程中需要经常借助于教具。但是，目前的凸轮教具相对匮乏，已有凸轮教具功能单一，且多为陈列式，不能产生较好的教学效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种凸轮综合实验台，能够实现对凸轮机构的实际运动演示、凸轮从动件位移曲线的绘制、凸轮轮廓曲线的设计、靠模法加工凸轮、曲线循迹法加工凸轮以及数控法加工凸轮等多种加工方法，涵盖了凸轮从设计到实际加工生产的全过程以及凸轮加工方法的演变。

本发明的技术方案如下：

一种凸轮综合实验台，包括：机架、导轨、支撑板、齿轮、齿条、步进电机A、轴承座、蜗杆、涡轮、同步带轮A、同步带轮B、凸轮、工件、滑块B、光杠Ⅰ、光杠Ⅱ、滑块C、凸轮从动件、丝杠、步进电机B、滑块D、弹簧、直流电机、铣刀、绘图笔、绘图板及连接板；

所述机架包括两个长方形框架、两块平板，两个长方形框架处于并排相对位置，两块平板水平放置，两端均与长方形框架固定形成机架；

其连接关系如下：导轨、齿条相互平行的固定在机架的下表面上，支撑板与导轨滑动连接，步进电机A固定在支撑板上，其电机轴与蜗杆连接，蜗杆通过一对轴承与轴承座的配合连接在支撑板上，涡轮轴垂直穿过支撑板后，与支撑板活动连接，涡轮、同步带轮A、工件依次固定在涡轮轴位于支撑板的上表面一侧的涡轮轴上，且齿轮固定在涡轮轴位于支撑板的下表面一侧的涡轮轴上，同时，使齿轮和齿条啮合、蜗杆和涡轮啮合，同步带轮A通过同步带与同步带轮B连接，且凸轮固定在同步带轮B的转动轴上；

两条光杠Ⅰ固定在机架的上表面上，且方向与导轨方向一致，另两条光杠Ⅱ与光杠Ⅰ通过滑块B滑动连接，且光杠Ⅱ方向与导轨方向垂直，滑块C、滑块D均与光杠Ⅱ滑动连接，凸轮从动件固定在滑块C上，且与凸轮的侧面边缘接触，步进电机B固定在滑块D上，且电机轴与丝杠固定连接，丝杠与滑块C上的螺母活动连接，直流电机沿竖直方向固定在由滑块D组成的支架上，电机轴与铣刀固定连接，两个弹簧均套装在光杠Ⅱ上，且均位于光杠支座与步进电机B之间，绘图笔固定在由滑块D组成的支架的延长板上，绘图板固定在机架的平板上，连接板将支撑板与滑块B连接在一起。

进一步的，本发明还包括插板、插块；拆除凸轮从动件后，插板与滑块C组成的支架固定连接，插块插入到插板的相应孔中使滑块B与滑块C固定连接。

进一步的，本发明还包括激光传感器、单片机；激光传感器固定在由滑块D组成的支架的延长板上，单片机固定在机架的平板上。

进一步的，本发明还包括画线笔、小弹簧；拆除铣刀后，直流电机的电机轴通过自制联轴器与画线笔固定连接，其中小弹簧位于画线笔与电机轴中间，且画线笔的笔尖始终与圆形白纸接触。

进一步的，所述步进电机A通过联轴器与蜗杆固定连接，所述步进电机B通过联轴器与丝杠固定连接。

进一步的，所述支撑板通过滑块与导轨滑动配合。

工作原理：以沿导轨方向的运动为横向运动，以沿光杠Ⅱ方向的运动为纵向运动，拆除插板和插块，当步进电机A转动时，带动蜗杆转动，蜗杆与涡轮啮合，涡轮定轴转动从而带动轴上的齿轮、同步带轮A、切屑承接盘、工件一起转动，齿轮与齿条啮合，进而带动支撑板和光杠Ⅱ上的所有部件沿横向移动，同步带轮A的转动通过同步带传递给同步带轮B，同步带轮B带动凸轮发生同轴转动，即完成凸轮的实际运动演示；

凸轮的定轴转动，驱动凸轮从动件沿纵向发生位移，步进电机B此时不工作即丝杠与滑块B、滑块C均互相相对固定，凸轮从动件的纵向位移传递给与直流电机固定的铣刀上，即铣刀与凸轮从动件发生相同的纵向运动，同时利用光杠Ⅱ上的弹簧的压缩作用，能够使凸轮从动件和凸轮始终保持接触，构成凸轮从动件和凸轮的力封闭方式，当直流电机发生转动时，带动铣刀发生转动，同时工件在涡轮的作用下转动，铣刀则在工件上加工出与凸轮结构相同的凸轮；其中，通过步进电机B的转动，带动丝杠的旋转，可以调节滑块B与滑块C的距离，从而调节铣刀到凸轮从动件的距离，则可以改变待加工凸轮的基圆大小，工件的加工过程即为靠模法加工原理；

绘图笔与直流电机固连，即绘图笔与铣刀、凸轮从动件发生相同的纵向运动，同时绘图笔随整个光杠Ⅱ上的所有部件沿光杠Ⅰ发生横向运动，即可在绘图板上绘制一条凸轮从动件位移曲线，曲线的横坐标为凸轮的转动按线性关系的转化，即横坐标表示为凸轮转角纵坐标为凸轮从动件的平动S，即可绘制出凸轮从动件运动的位移曲线，即图像；其中，采用齿轮-齿条机构将凸轮的转动转化为横向平动，通过1：1同步带传动实现凸轮和涡轮的等转速转动，因此，绘图笔的横向移动距离和凸轮的转角成正比例线性关系，绘图的过程即为凸轮从动件的位移曲线的绘制；

将插板、插块固定在相应位置，实现滑块B和滑块C的固定连接，拆除凸轮从动件，以防产生运动干涉；步进电机A的转动带动上、下层滑动平台的横向运动，即带动激光传感器横向运动，激光传感器根据凸轮从动件运动的位移曲线图像将位移信号传递给单片机，单片机再将位移信号传递给步进电机B，步进电机B则带动铣刀发生相应的纵向运动，同时步进电机A的转动带动工件的转动，铣刀则在工件上加工出与凸轮结构相同的凸轮，即为曲线循迹法加工原理；若将铣刀换为画线笔，将工件换为圆形白纸，则可绘制凸轮轮廓曲线；

关闭激光传感器的功能，根据要加工的凸轮形状，进行数控编程，由单片机直接控制步进电机B的旋转规律，从而控制铣刀的纵向运动，同时步进电机A的转动带动工件的转动，铣刀则在工件上加工出所需凸轮，即为数控法加工原理；若将铣刀换为画线笔，将工件换为圆形白纸，则可绘制凸轮轮廓曲线。

有益效果：(1)本发明是一种凸轮教具，集凸轮机构的运动演示、凸轮轮廓曲线的设计描绘以及凸轮的加工制作于一身,实现了从凸轮的设计到加工的全过程以及凸轮加工方法的演变；

(2)本发明既可以作为教师在课堂上的教学用具，又可以作为学生对凸轮知识进行理论实践的实验平台；作为教师课堂演示教具，本发明具有良好的便携性，便于教师课堂演示，形式新颖、功能多样，利于提高学生的学习兴趣，并使学生对凸轮的理论知识有更加直观、深刻的了解；作为学生实验平台，本发明具有较好的操作性，具有多种实验过程供实验者选择，并且可以改变多种实验参数使实验者亲自动手操作进行选择，让学生可以更加自主的实验学习，实现从理论学习到实践的过渡；

(3)本发明提出了一种凸轮加工——凸轮演示转换机构，上平台的纵向移动分别处于活动与固定状态可实现凸轮运动演示和凸轮的曲线循迹加工功能的转换，实现了一件机构多种功能应用的效果，极大地简化了机械结构，提高了机械机构利用率；

(4)本发明以机械结构为主，并辅以光电技术手段，使整个作品机构完成相应的功能，主体机械结构和光电传感器、单片机的结合，实现了光机电一体化。

附图说明

图1为凸轮综合实验台的俯视三维图；

图2为凸轮综合实验台的仰视三维图；

图3为凸轮综合实验台的铣刀结构图；

图4为凸轮综合实验台的画线笔结构图；

图5为凸轮综合实验台的插板插块的安装位置图。

其中，1-直流电机，2-弹簧，3-工件，4-绘图板，5-激光传感器，6-绘图笔固定装置，7-绘图笔，8-涡轮，9-切屑承接盘，10-光杠支座，11-齿条，12-蜗杆，13-轴承座，14-导轨，15-联轴器A，16-步进电机A，17-同步带轮A，18-同步带，19-连接板，20-单片机，21-同步带轮B，22-凸轮，23-凸轮从动件，24-丝杠，25-光杠Ⅰ，26-滑块C，27-光杠Ⅱ，28-步进电机B，29-铣刀，30-长方形框架，31-平板，32-滑块A，33-支撑板，34-齿轮，35-轴承，36-滑块B，37-联轴器B，38-滑块D，39-插板，40-插块，41-自制联轴器，42-画线笔，43-小弹簧。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见附图1-5，本发明提供了一种凸轮综合实验台，它包括：机架、连接板19、导轨14、滑块A32、支撑板33、齿轮34、齿条11、步进电机A16、联轴器A15、轴承座13、轴承35、蜗杆12、涡轮8、同步带轮A17、同步带轮B21、同步带18、凸轮22、工件3、切屑承接盘9、光杠Ⅰ25、光杠Ⅱ27、光杠支座10、滑块B36、滑块C26、凸轮从动件23、丝杠24、联轴器B37、步进电机B28、滑块D38、弹簧2、直流电机1、铣刀29、激光传感器5、绘图笔7、绘图笔固定装置6、绘图板4、单片机20、插板39、插块40、自制联轴器41、画线笔42、小弹簧43；

所述机架包括两个长方形框架30、两块平板31，两个长方形框架30处于并排相对位置，两块平板31水平放置，两端均与长方形框架30固定形成机架；

其连接关系如下：两条导轨14、一条齿条11均由螺钉固定在机架的下表面，滑块A32与导轨14滑动连接，支撑板33由滑块A32与导轨14滑动配合连接，步进电机A16固定在支撑板33上，电机轴通过联轴器A15与蜗杆12连接，蜗杆12通过一对轴承35与轴承座13的配合活动连接在支撑板33上，涡轮轴垂直穿过支撑板33后，与支撑板33活动连接，涡轮8、同步带轮A17、工件3依次固定在涡轮轴位于支撑板33的上表面一侧的涡轮轴上，且齿轮34固定在涡轮轴位于支撑板33的下表面一侧的涡轮轴上，且涡轮轴的两侧末端均由螺母固定，同时，使齿轮34和齿条11啮合、蜗杆12和涡轮8啮合，同步带轮B21的转动轴通过轴承与支撑板33活动连接，且通过同步带18与同步带轮A17连接，凸轮22固定在同步带轮B21的转动轴上；

两条光杠Ⅰ25由光杠支座10固定在机架的上表面上，且方向与导轨14方向一致，滑块B36与光杠Ⅰ25滑动连接，另两条光杠Ⅱ27由固定在滑块B36上的光杠支座10与两条光杠Ⅰ25滑动连接，且光杠Ⅱ27方向与导轨14方向垂直，滑块C26、滑块D38均与光杠Ⅱ27滑动连接，凸轮从动件23固定在由滑块C26组成的支架上，且与凸轮22的侧面边缘接触，步进电机B28固定在滑块D38上，且电机轴通过联轴器B37与丝杠24连接，丝杠24通过由滑块C26组成的支架上螺母与滑块C26活动连接，直流电机1沿竖直方向固定在由滑块D38组成的支架上，电机轴通过自制联轴器41与铣刀29固定连接，且铣刀29与工件3接触，或者电机轴通过自制联轴器41与画线笔42固定连接，圆形白纸固定在切屑承接盘上9，其中小弹簧43位于画线笔42与电机轴中间，用于保证画线笔42始终与圆形白纸接触；两个弹簧2均套装在光杠Ⅱ27上，且均位于直流电机1侧的光杠支座10与步进电机B28之间，激光传感器5和绘图笔7均固定在由滑块D38组成的支架的延长板上，其中，绘图笔7由绘图笔固定装置6固定，绘图板44固定在绘图笔7侧的平板31上，另一侧的平板31上固定有单片机20，且插板39与滑块C26组成的支架固定连接，插块40插入到插板39的相应孔中使滑块B36与滑块C26固定连接；连接板19底面和支撑板33固定连接，上端和滑块B36固定连接。

工作原理：以沿导轨14方向的运动为横向运动，以沿光杠Ⅱ27方向的运动为纵向运动，拆除插板39和插块40，当步进电机A16转动时，带动蜗杆12转动，蜗杆12与涡轮8啮合，涡轮8定轴转动从而带动轴上的齿轮34、同步带轮A17、切屑承接盘9、工件3一起转动，齿轮34与齿条11啮合，进而带动支撑板33和光杠Ⅱ27上的所有部件沿横向移动，同步带轮A17的转动通过同步带18传递给同步带轮B21，同步带轮B21带动凸轮22发生同轴转动，即完成凸轮22的实际运动演示；

凸轮22的定轴转动，驱动凸轮从动件23沿纵向发生位移，步进电机B28此时不工作即丝杠24与滑块B36、滑块C26均互相相对固定，凸轮从动件23的纵向位移传递给与直流电机1固定的铣刀29上，即铣刀29与凸轮从动件23发生相同的纵向运动，同时利用光杠Ⅱ27上的弹簧2的压缩作用，能够使凸轮从动件23和凸轮22始终保持接触，构成凸轮从动件23和凸轮22的力封闭方式，当直流电机1发生转动时，带动铣刀29发生转动，同时工件3在涡轮8的作用下转动，铣刀29则在工件3上加工出与凸轮22结构相同的凸轮；其中，通过步进电机B28的转动，带动丝杠24的旋转，可以调节滑块B36与滑块C26的距离，从而调节铣刀29到凸轮从动件23的距离，则可以改变待加工凸轮的基圆大小，工件3的加工过程即为靠模法加工原理；

绘图笔7与直流电机1固连，即绘图笔7与铣刀29、凸轮从动件23发生相同的纵向运动，同时绘图笔7随整个光杠Ⅱ27上的所有部件沿光杠Ⅰ25发生横向运动，即可在绘图板44上绘制一条凸轮从动件23位移曲线，曲线的横坐标为凸轮22的转动按线性关系的转化，即横坐标表示为凸轮22转角纵坐标为凸轮从动件23的平动S，即可绘制出凸轮从动件23运动的位移曲线，即图像；其中，采用齿轮34-齿条11机构将凸轮22的转动转化为横向平动，通过1：1同步带传动实现凸轮22和涡轮8的等转速转动，因此，绘图笔7的横向移动距离和凸轮22的转角成正比例线性关系，绘图的过程即为凸轮从动件23的位移曲线的绘制；

将插板39、插块40固定在相应位置，实现滑块B36和滑块C26的固定连接，拆除凸轮从动件23，以防产生运动干涉；步进电机A16的转动带动上、下层滑动平台的横向运动，即带动激光传感器5横向运动，激光传感器5根据凸轮22从动件23运动的位移曲线图像将位移信号传递给单片机20，单片机20再将位移信号传递给步进电机B28，步进电机B28则带动铣刀29发生相应的纵向运动，同时步进电机A16的转动带动工件3的转动，铣刀29则在工件3上加工出与凸轮22结构相同的凸轮，即为曲线循迹法加工原理；若将铣刀29换为画线笔42，将工件3换为圆形白纸，则可绘制凸轮轮廓曲线；

关闭激光传感器5的功能，根据要加工的凸轮22形状，进行数控编程，由单片机20直接控制步进电机B28的旋转规律，从而控制铣刀29的纵向运动，同时步进电机A16的转动带动工件3的转动，铣刀29则在工件3上加工出所需凸轮，即为数控法加工原理；若将铣刀29换为画线笔42，将工件3换为圆形白纸，则可绘制凸轮轮廓曲线。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种凸轮综合实验台，其特征在于，包括：机架、导轨(14)、支撑板(33)、齿轮(34)、齿条(11)、步进电机A(16)、轴承座(13)、蜗杆(12)、涡轮(8)、同步带轮A(17)、同步带轮B(21)、凸轮(22)、工件(3)、滑块A(32)、滑块B(36)、光杠Ⅰ(25)、光杠Ⅱ(27)、滑块C(26)、凸轮从动件(23)、丝杠(24)、步进电机B(28)、滑块D(38)、弹簧(2)、直流电机(1)、铣刀(29)、绘图笔(7)、绘图板(4)及连接板(19)；

所述机架包括两个长方形框架(30)、两块平板(31)，两个长方形框架(30)处于并排相对位置，两块平板(31)水平放置，两端均与长方形框架(30)固定形成机架；

其连接关系如下：导轨(14)、齿条(11)相互平行的固定在机架的下表面上，滑块A(32)与导轨(14)滑动连接，支撑板(33)与导轨(14)滑动连接，步进电机A(16)固定在支撑板(33)上，步进电机A(16)的电机轴与蜗杆(12)连接，蜗杆(12)通过一对轴承与轴承座的配合连接在支撑板(33)上，涡轮轴垂直穿过支撑板(33)后，与支撑板(33)活动连接，涡轮(8)、同步带轮A(17)、工件(3)依次固定在涡轮轴位于支撑板(33)的上表面一侧的涡轮轴上，且齿轮(34)固定在涡轮轴位于支撑板(33)的下表面一侧的涡轮轴上，同时，使齿轮(34)和齿条(11)啮合、蜗杆(12)和涡轮(8)啮合，同步带轮B(21)的转动轴通过轴承与支撑板(33)活动连接，且通过同步带(18)与同步带轮A(17)连接，且凸轮(22)固定在同步带轮B(21)的转动轴上；

两条光杠Ⅰ(25)固定在机架的上表面上，且方向与导轨(14)方向一致，滑块B(36)与光杠Ⅰ(25)滑动连接，另两条光杠Ⅱ(27)由固定在滑块B(36)上的光杠支座(10)与两条光杠Ⅰ(25)滑动连接，且光杠Ⅱ(27)方向与导轨(14)方向垂直，滑块C(26)、滑块D(38)均与光杠Ⅱ(27)滑动连接，凸轮从动件(23)固定在由滑块C(26)组成的支架上，且与凸轮(22)的侧面边缘接触，步进电机B(28)固定在滑块D(38)上，且步进电机B(28)的电机轴与丝杠(24)固定连接，丝杠(24)通过由滑块C(26)组成的支架上螺母与滑块C(26)活动连接，直流电机(1)沿竖直方向固定在由滑块D(38)组成的支架上，直流电机(1)的电机轴与铣刀(29)固定连接，两个弹簧(2)均套装在光杠Ⅱ(27)上，且均位于光杠支座与步进电机B(28)之间，绘图笔(7)固定在由滑块D(38)组成的支架的延长板上，绘图板(44)固定在机架的平板(31)上，连接板(19)将支撑板(33)与滑块B(36)连接在一起。

2.如权利要求1所述的一种凸轮综合实验台，其特征在于，还包括插板(39)、插块(40)；拆除凸轮从动件(23)后，插板(39)与滑块C(26)组成的支架固定连接，插块(40)插入到插板(39)的相应孔中使滑块B(36)与滑块C(26)固定连接。

3.如权利要求1所述的一种凸轮综合实验台，其特征在于，还包括激光传感器(5)、单片机(20)；激光传感器(5)固定在由滑块D(38)组成的支架的延长板上，单片机(20)固定在机架的平板(31)上。

4.如权利要求1所述的一种凸轮综合实验台，其特征在于，还包括画线笔(42)、小弹簧(43)；拆除铣刀(29)后，直流电机(1)的电机轴通过自制联轴器与画线笔(42)固定连接，其中小弹簧(43)位于画线笔(42)与直流电机(1)的电机轴中间，且画线笔(42)的笔尖始终与圆形白纸接触。

5.如权利要求1所述的一种凸轮综合实验台，其特征在于，所述步进电机A(16)通过联轴器A与蜗杆(12)固定连接，所述步进电机B(28)通过联轴器B与丝杠(24)固定连接。

6.如权利要求1所述的一种凸轮综合实验台，其特征在于，所述支撑板(33)通过滑块A(32)与导轨(14)滑动配合。