CN208538399U - 一种教学演示用齿轮综合实验台 - Google Patents

Abstract

一种教学演示用齿轮综合实验台。其包括齿轮滚齿加工演示子系统、齿轮几何参数视觉测量子系统、齿轮啮合演示子系统、运动综合控制单元和安装台；其中齿轮滚齿加工演示子系统、齿轮几何参数视觉测量子系统和齿轮啮合演示子系统设置在安装台顶面；运动综合控制单元设置在安装台中部。本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台具有如下有益效果：结构设计合理、功能齐全，能够进行机械原理中齿轮教学的实验演示，如齿轮范成加工、根切、几何参数测量、齿轮正确啮合条件、齿轮标准中心距、重合度等，从而提高学生的学习兴趣，加深学生对齿轮教学内容的理解。

Description

一种教学演示用齿轮综合实验台

技术领域

本实用新型属于教学仪器技术领域，尤其是涉及一种教学演示用齿轮综合实验台。

背景技术

在学习机械类相关课程中，齿轮是其中的重点和难点，尤其是对范成切齿原理的讲解。现有齿轮教学教具所存在的问题有：功能单一，如齿轮范成仪只能演示齿轮的范成加工原理且只能演示廓线形成的过程，不能模拟实际加工过程，且加工速度慢，不便于随堂演示；齿轮啮合模型，只能演示齿轮的啮合过程，不能具体展示正确啮合条件、重合度等关键概念。因此有必要开发一种综合的齿轮教学演示综合实验台，使该实验台可以模拟真实的切齿加工，并将加工好的齿轮进行视觉测量，得到其几何参数，然后对不同模数、齿数的齿轮进行不同中心距的啮合，建立完整的齿轮教学演示模型，完成对范成法切齿、齿轮几何参数、齿轮正确啮合条件、重合度、变位齿轮等一系列知识点的演示，提高教学效率。但目前尚缺少相应的设备。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、操作简便、功能齐全、教学效率高、示范性强的教学演示用齿轮综合实验台。

为了达到上述目的，本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台包括：齿轮滚齿加工演示子系统、齿轮几何参数视觉测量子系统、齿轮啮合演示子系统、运动综合控制单元和安装台；其中齿轮滚齿加工演示子系统设置在安装台的顶面一侧，包括滚刀丝杠滑台控制电机、滚刀丝杠滑台、齿轮滚刀、齿轮滚刀转速控制电机、齿轮轮坯转速控制电机、齿坯丝杠滑台控制电机、齿坯丝杠滑台、滚齿机框架、齿轮轮坯、齿轮滚刀安装架和齿轮轮坯安装架；所述的滚齿机框架为由垂直板和水平板构成的L形板，水平板固定在安装台的顶面；滚刀丝杠滑台包括第一固定架、第一光杠和第一丝杠，其中第一固定架的背面安装在垂直板的内侧面中部，前端面两侧部位分别设有一根垂直设置的第一光杠，两根第一光杠之间平行设置一根第一丝杠；滚刀丝杠滑台控制电机安装在第一固定架上端，输出轴向下延伸且下端与第一丝杠上端连接；齿轮滚刀安装架的背面以能够上下移动的方式安装在滚刀丝杠滑台的第一光杠和第一丝杠上；齿轮滚刀转速控制电机安装在齿轮滚刀安装架的一端，其输出轴水平向内延伸并设置在齿轮滚刀安装架上的轴承中心孔内；齿轮滚刀安装在齿轮滚刀转速控制电机的输出轴上；齿坯丝杠滑台包括第二固定架、第二光杠和第二丝杠，其中第二固定架安装在水平板的表面中部，表面两侧部位分别设有一根沿前后方向水平设置的第二光杠，两根第二光杠之间平行设置一根第二丝杠；齿坯丝杠滑台控制电机安装在第二固定架的前端，输出轴向后延伸且外端与第二丝杠前端连接；齿轮轮坯安装架的底面以能够前后移动的方式安装在齿坯丝杠滑台的第二光杠和第二丝杠上；齿轮轮坯转速控制电机安装在齿轮轮坯安装架的前端，输出轴向后延伸；齿轮轮坯安装在齿轮轮坯转速控制电机的输出轴外端；

所述的齿轮几何参数视觉测量子系统设置在安装台的顶面中部，包括测量相机、相机高度调节装置和测量平台；其中测量平台水平设置在安装台的顶面中部；相机高度调节装置的下端固定在测量平台表面一侧；测量相机悬挂在相机高度调节装置上部且位于测量平台上方；

所述的齿轮啮合演示子系统设置在安装台的顶面另一侧，包括支撑板、主动轮、从动轮、从动轮滑块平台、主动轮滑块平台和滑块导轨；其中支撑板的下端固定在安装台的顶面上；滑块导轨水平固定在支撑板的前端面上，并且表面标有刻度；从动轮滑块平台和主动轮滑块平台以能够左右移动的方式安装在滑块导轨上，并且前端分别设有定位销；相互啮合的主动轮和从动轮的中心孔分别固定在主动轮滑块平台和从动轮滑块平台的定位销上；

所述的运动综合控制单元设置在安装台的中部，包括电机驱动电路、核心控制板、转换电路和上位机；其中上位机依次与转换电路、核心控制板和电机驱动电路电连接；上位机同时与测量相机电连接；而电机驱动电路则同时与滚刀丝杠滑台控制电机、齿轮滚刀转速控制电机、齿轮轮坯转速控制电机和齿坯丝杠滑台控制电机电连接。

所述的测量相机采用300万像素、带USB接口的工业视觉摄像头，配备8mm焦距镜头，像元尺寸为3.2μm×3.2μm，分辨率为2048x1536；测量相机的外侧还配备有环形照明灯，用于拍照时提供照明光源。

所述的主动轮滑块平台和从动轮滑块平台上均带有锁定装置。

所述的核心控制板采用STM32单片机；转换电路采用RS232转换电路。

本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台具有如下有益效果：

结构设计合理、功能齐全，能够进行机械原理中齿轮教学的实验演示，如齿轮范成加工、根切、几何参数测量、齿轮正确啮合条件、齿轮标准中心距、重合度等，从而提高学生的学习兴趣，加深学生对齿轮教学内容的理解。

附图说明

图1为本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台结构立体图。

图2为本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台中齿轮滚齿加工演示子系统结构示意图。

图3为本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台中齿轮几何参数视觉测量子系统结构示意图。

图4为本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台中齿轮啮合演示子系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台进行详细说明。

如图1—图4所示，本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台包括：齿轮滚齿加工演示子系统1、齿轮几何参数视觉测量子系统2、齿轮啮合演示子系统3、运动综合控制单元4和安装台25；其中齿轮滚齿加工演示子系统1设置在安装台25的顶面一侧，包括滚刀丝杠滑台控制电机5、滚刀丝杠滑台6、齿轮滚刀7、齿轮滚刀转速控制电机8、齿轮轮坯转速控制电机9、齿坯丝杠滑台控制电机10、齿坯丝杠滑台11、滚齿机框架12、齿轮轮坯13、齿轮滚刀安装架23和齿轮轮坯安装架24；所述的滚齿机框架12为由垂直板26和水平板27构成的L形板，水平板27固定在安装台25的顶面；滚刀丝杠滑台6包括第一固定架28、第一光杠29和第一丝杠30，其中第一固定架28的背面安装在垂直板26的内侧面中部，前端面两侧部位分别设有一根垂直设置的第一光杠29，两根第一光杠29之间平行设置一根第一丝杠30；滚刀丝杠滑台控制电机5安装在第一固定架28上端，输出轴向下延伸且下端与第一丝杠30上端连接；齿轮滚刀安装架23的背面以能够上下移动的方式安装在滚刀丝杠滑台6的第一光杠29和第一丝杠30上；齿轮滚刀转速控制电机8安装在齿轮滚刀安装架23的一端，其输出轴水平向内延伸并设置在齿轮滚刀安装架23上的轴承中心孔内；齿轮滚刀7安装在齿轮滚刀转速控制电机8的输出轴上；齿坯丝杠滑台11包括第二固定架31、第二光杠32和第二丝杠33，其中第二固定架31安装在水平板27的表面中部，表面两侧部位分别设有一根沿前后方向水平设置的第二光杠32，两根第二光杠32之间平行设置一根第二丝杠33；齿坯丝杠滑台控制电机10安装在第二固定架31的前端，输出轴向后延伸且外端与第二丝杠33前端连接；齿轮轮坯安装架24的底面以能够前后移动的方式安装在齿坯丝杠滑台11的第二光杠32和第二丝杠33上；齿轮轮坯转速控制电机9安装在齿轮轮坯安装架24的前端，输出轴向后延伸；齿轮轮坯13安装在齿轮轮坯转速控制电机9的输出轴外端；

所述的齿轮几何参数视觉测量子系统2设置在安装台25的顶面中部，包括测量相机14、相机高度调节装置15和测量平台16；其中测量平台16水平设置在安装台25的顶面中部；相机高度调节装置15的下端固定在测量平台16表面一侧；测量相机14悬挂在相机高度调节装置15上部且位于测量平台16上方；

所述的齿轮啮合演示子系统3设置在安装台25的顶面另一侧，包括支撑板34、主动轮18、从动轮19、从动轮滑块平台20、主动轮滑块平台21和滑块导轨22；其中支撑板34的下端固定在安装台25的顶面上；滑块导轨22水平固定在支撑板34的前端面上，并且表面标有刻度；从动轮滑块平台20和主动轮滑块平台21以能够左右移动的方式安装在滑块导轨22上，并且前端分别设有定位销；相互啮合的主动轮18和从动轮19的中心孔分别固定在主动轮滑块平台21和从动轮滑块平台20的定位销上；

所述的运动综合控制单元4设置在安装台25的中部，包括电机驱动电路、核心控制板、转换电路和上位机；其中上位机依次与转换电路、核心控制板和电机驱动电路电连接；上位机同时与测量相机14电连接；而电机驱动电路则同时与滚刀丝杠滑台控制电机5、齿轮滚刀转速控制电机8、齿轮轮坯转速控制电机9和齿坯丝杠滑台控制电机10电连接。

所述的测量相机14采用300万像素、带USB接口的工业视觉摄像头，配备8mm焦距镜头，像元尺寸为3.2μm×3.2μm，分辨率为2048x1536；测量相机14的外侧还配备有环形照明灯17，用于拍照时提供照明光源。

所述的主动轮滑块平台21和从动轮滑块平台20上均带有锁定装置。

所述的核心控制板采用STM32单片机；转换电路采用RS232转换电路。

现将本实用新型提供的教学演示用齿轮综合实验台使用方法阐述如下：

当需要利用齿轮滚齿加工演示子系统1进行齿轮的范成加工演示实验时，首先由实验人员在上位机的人机交互显示界面上输入待加工齿轮的齿数、模数，其控制指令通过转换电路传送给核心控制板，核心控制板接收到指令并按协议格式解析后，通过电机驱动电路控制齿轮滚刀转速控制电机8和齿轮轮坯转速控制电机9旋转，由此带动齿轮滚刀7和齿轮轮坯13转动，同时控制滚刀丝杠滑台控制电机5和齿坯丝杠滑台控制电机10旋转，由此带动滚刀丝杠滑台6上下移动和齿坯丝杠滑台11前后移动，以便精确调整齿轮滚刀7和齿轮轮坯13的相对位置，由此实现齿轮滚刀7和齿轮轮坯13的定位以及按一定的传动比进行转动，最终利用齿轮滚刀7将齿轮轮坯13加工成齿轮，实现对齿轮的范成加工演示。

当需要利用齿轮几何参数视觉测量子系统2测量加工后齿轮几何参数的视觉测量实验时，首先由实验人员将待测量齿轮放置在测量平台16的表面，然后通过调整相机高度调节装置15高度的方式来调节测量相机14的位置，以对相机成像物距进行精密调整，使待测量齿轮在测量相机14中清晰成像；之后利用测量相机14拍摄测量齿轮的图像并通过USB接口传送给运动综合控制单元4中的上位机，由上位机对上述图像进行处理并提取出齿轮参数，比如齿数的识别，齿顶圆、齿根圆大小的测量，并以此为基础解算出齿轮模数、分度圆、基圆、齿距、齿厚、齿槽宽等参数；在拍摄图像过程中可利用环形照明灯17对测量平台16进行照明，以增加待测量齿轮与背景的对比度，提高齿廓曲线的提取精度。

当需要利用齿轮啮合演示模块3进行加工后齿轮的啮合演示实验时,首先由实验人员将主动轮18、从动轮19的中心孔分别固定在主动轮滑块平台21和从动轮滑块平台20的定位销上,然后调节主动轮滑块平台21、从动轮滑块平台20至标定的位置,此时主动轮18和从动轮19处于啮合状态,之后利用锁定装置锁定主动轮滑块平台21和从动轮滑块平台20,即可演示相应的齿轮啮合情况。此实验可使学生增强齿轮正确啮合条件、标准中心距、重合度等概念。

Claims (4)

1.一种教学演示用齿轮综合实验台，其特征在于：所述的教学演示用齿轮综合实验台包括：齿轮滚齿加工演示子系统(1)、齿轮几何参数视觉测量子系统(2)、齿轮啮合演示子系统(3)、运动综合控制单元(4)和安装台(25)；其中齿轮滚齿加工演示子系统(1)设置在安装台(25)的顶面一侧，包括滚刀丝杠滑台控制电机(5)、滚刀丝杠滑台(6)、齿轮滚刀(7)、齿轮滚刀转速控制电机(8)、齿轮轮坯转速控制电机(9)、齿坯丝杠滑台控制电机(10)、齿坯丝杠滑台(11)、滚齿机框架(12)、齿轮轮坯(13)、齿轮滚刀安装架(23)和齿轮轮坯安装架(24)；所述的滚齿机框架(12)为由垂直板(26)和水平板(27)构成的L形板，水平板(27)固定在安装台(25)的顶面；滚刀丝杠滑台(6)包括第一固定架(28)、第一光杠(29)和第一丝杠(30)，其中第一固定架(28)的背面安装在垂直板(26)的内侧面中部，前端面两侧部位分别设有一根垂直设置的第一光杠(29)，两根第一光杠(29)之间平行设置一根第一丝杠(30)；滚刀丝杠滑台控制电机(5)安装在第一固定架(28)上端，输出轴向下延伸且下端与第一丝杠(30)上端连接；齿轮滚刀安装架(23)的背面以能够上下移动的方式安装在滚刀丝杠滑台(6)的第一光杠(29)和第一丝杠(30)上；齿轮滚刀转速控制电机(8)安装在齿轮滚刀安装架(23)的一端，其输出轴水平向内延伸并设置在齿轮滚刀安装架(23)上的轴承中心孔内；齿轮滚刀(7)安装在齿轮滚刀转速控制电机(8)的输出轴上；齿坯丝杠滑台(11)包括第二固定架(31)、第二光杠(32)和第二丝杠(33)，其中第二固定架(31)安装在水平板(27)的表面中部，表面两侧部位分别设有一根沿前后方向水平设置的第二光杠(32)，两根第二光杠(32)之间平行设置一根第二丝杠(33)；齿坯丝杠滑台控制电机(10)安装在第二固定架(31)的前端，输出轴向后延伸且外端与第二丝杠(33)前端连接；齿轮轮坯安装架(24)的底面以能够前后移动的方式安装在齿坯丝杠滑台(11)的第二光杠(32)和第二丝杠(33)上；齿轮轮坯转速控制电机(9)安装在齿轮轮坯安装架(24)的前端，输出轴向后延伸；齿轮轮坯(13)安装在齿轮轮坯转速控制电机(9)的输出轴外端；

所述的齿轮几何参数视觉测量子系统(2)设置在安装台(25)的顶面中部，包括测量相机(14)、相机高度调节装置(15)和测量平台(16)；其中测量平台(16)水平设置在安装台(25)的顶面中部；相机高度调节装置(15)的下端固定在测量平台(16)表面一侧；测量相机(14)悬挂在相机高度调节装置(15)上部且位于测量平台(16)上方；

所述的齿轮啮合演示子系统(3)设置在安装台(25)的顶面另一侧，包括支撑板(34)、主动轮(18)、从动轮(19)、从动轮滑块平台(20)、主动轮滑块平台(21)和滑块导轨(22)；其中支撑板(34)的下端固定在安装台(25)的顶面上；滑块导轨(22)水平固定在支撑板(34)的前端面上，并且表面标有刻度；从动轮滑块平台(20)和主动轮滑块平台(21)以能够左右移动的方式安装在滑块导轨(22)上，并且前端分别设有定位销；相互啮合的主动轮(18)和从动轮(19)的中心孔分别固定在主动轮滑块平台(21)和从动轮滑块平台(20)的定位销上；

所述的运动综合控制单元(4)设置在安装台(25)的中部，包括电机驱动电路、核心控制板、转换电路和上位机；其中上位机依次与转换电路、核心控制板和电机驱动电路电连接；上位机同时与测量相机(14)电连接；而电机驱动电路则同时与滚刀丝杠滑台控制电机(5)、齿轮滚刀转速控制电机(8)、齿轮轮坯转速控制电机(9)和齿坯丝杠滑台控制电机(10)电连接。

2.根据权利要求1所述的教学演示用齿轮综合实验台，其特征在于：所述的测量相机(14)采用300万像素、带USB接口的工业视觉摄像头，配备8mm焦距镜头，像元尺寸为3.2μm×3.2μm，分辨率为2048x1536；测量相机(14)的外侧还配备有环形照明灯(17)，用于拍照时提供照明光源。

3.根据权利要求1所述的教学演示用齿轮综合实验台，其特征在于：所述的主动轮滑块平台(21)和从动轮滑块平台(20)上均带有锁定装置。

4.根据权利要求1所述的教学演示用齿轮综合实验台，其特征在于：所述的核心控制板采用STM32单片机；转换电路采用RS232转换电路。