嚴(yán)天祥, 陳　靜, 黃燦華, 黃華東

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院, 廣西 桂林　541004)

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基于電氣控制的齒輪范成儀設(shè)計(jì)

嚴(yán)天祥, 陳靜, 黃燦華, 黃華東

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院, 廣西 桂林541004)

針對(duì)傳統(tǒng)漸開(kāi)線齒輪范成儀采用手動(dòng)推動(dòng)滑板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不便于教學(xué)講解和實(shí)驗(yàn)操作，設(shè)計(jì)制作了一種電氣控制的齒輪范成儀,通過(guò)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)傳動(dòng),通過(guò)電氣電路實(shí)現(xiàn)范成儀的自動(dòng)化操作。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的范成儀不僅可以精確控制滑板移動(dòng)的距離使齒廓包絡(luò)線間隔均勻,而且節(jié)省了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間,更有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

范成儀； 漸開(kāi)線齒廓； 電氣控制

在機(jī)械工程中,用范成法加工齒輪最為普遍,為了看清楚齒廓形成的過(guò)程,通常采用齒輪范成儀來(lái)模擬用范成法加工漸開(kāi)線齒輪的過(guò)程[1]。齒輪范成實(shí)驗(yàn)為機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程的主要實(shí)驗(yàn)之一,學(xué)生可以通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的操作,更好地理解范成法加工齒輪的基本原理,直接接觸到生產(chǎn)一線的技術(shù)問(wèn)題和操作問(wèn)題[2-3]。傳統(tǒng)的漸開(kāi)線齒輪范成儀采用手動(dòng)推進(jìn)滑板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),無(wú)法精確地改變其進(jìn)給行程,繪出的漸開(kāi)線齒廓粗糙且用時(shí)較長(zhǎng),不便于教學(xué)講解和實(shí)驗(yàn)操作[4-8]。基于此,羅衛(wèi)平等[7]通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了滑板的均勻移動(dòng)；孫東等[8]通過(guò)單片機(jī)編程控制實(shí)現(xiàn)了范成儀的電子控制自動(dòng)操作。本文在傳統(tǒng)漸開(kāi)線齒輪范成儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于電氣控制的改進(jìn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)表明所改進(jìn)設(shè)計(jì)的范成儀不僅可以使滑板每次移動(dòng)固定的距離使齒廓包絡(luò)線間隔均勻,而且節(jié)省了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的調(diào)整時(shí)間,更有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1　范成法實(shí)驗(yàn)概述

一對(duì)漸開(kāi)線齒輪(或齒條)嚙合傳動(dòng)時(shí),兩輪的齒廓曲線互為包絡(luò)線,由于齒輪實(shí)際加工時(shí)看不到刀刃在各個(gè)位置形成包絡(luò)線的過(guò)程,故通過(guò)齒輪范成儀來(lái)實(shí)現(xiàn)輪坯和齒條刀具間傳動(dòng)過(guò)程的模擬。目前齒輪范成實(shí)驗(yàn)使用的齒輪范成儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,由托盤、底座、齒條刀具、滑板等部件組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)將待加工齒輪的輪坯(圓紙)放置于范成儀的托盤上,旋緊螺母用壓板壓緊圓紙；將齒條刀具模型放置于范成儀的滑板上,并將齒條刀具中線調(diào)整為中心對(duì)零,使其中線與輪坯分度圓相切(標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒廓)或遠(yuǎn)離靠近輪坯分度圓一定的距離(正變位或負(fù)變位齒輪輪廓),并將齒條刀具與滑板固緊；最后移動(dòng)滑板將齒條刀具移至范成儀的一端,然后逐漸向另一端移動(dòng) 2～3 mm的距離,再用鉛筆進(jìn)行繪圖,如此不斷移動(dòng)下去,形成稠密的齒形,即為被切齒輪的齒廓曲線[9-10]。

圖1　傳統(tǒng)齒輪范成儀結(jié)構(gòu)示意圖

2　方案設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)漸開(kāi)線齒輪范成儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制的設(shè)計(jì)。

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為改進(jìn)后范成儀的結(jié)構(gòu)示意圖,主要包括底座、托盤、齒條刀具、滑板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、減速齒輪、齒條和滑板等。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪和減速齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),齒條隨著減速齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而作直線運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)滑板沿導(dǎo)軌方向作直線運(yùn)動(dòng)。按設(shè)計(jì)要求,電機(jī)型號(hào)選擇為60KTYZ[11]的低速電機(jī),圓柱直齒輪模數(shù)為1,其中小齒輪齒數(shù)為12,大齒輪齒數(shù)為41。

圖2　改進(jìn)范成儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2電氣控制設(shè)計(jì)

圖3所示為范成儀的電器控制電路圖,主要由第一常開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)SB1、第二常開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)SB2、閉按鈕開(kāi)關(guān)SB3、第一行程開(kāi)關(guān)SQ1、第二行程開(kāi)關(guān)SQ2、延時(shí)繼電器KT和保險(xiǎn)絲FU等組成。SB1用于控制范成儀滑板每次的移動(dòng),KT用于控制調(diào)節(jié)滑板每次移動(dòng)的距離,SB3用于范成儀工作與復(fù)位控制之間的轉(zhuǎn)換,SB3用于控制滑板的復(fù)位,SQ1、SQ2用于限定滑板在一定的范圍內(nèi)工作。由于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n1=10r/min,小齒輪半徑R1=6 mm,則移動(dòng)距離S= 6.3t(t為移動(dòng)時(shí)間)。要實(shí)現(xiàn)最小移動(dòng)距離為2 mm,延時(shí)時(shí)間約為0.32 s。按設(shè)計(jì)要求,選擇H3Y-2型時(shí)間繼電器[12]。

圖3　電氣控制電路圖

2.3改進(jìn)后范成儀工作原理

圖4所示為改進(jìn)后的范成儀樣機(jī)。當(dāng)使用改進(jìn)后的范成儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),按照實(shí)驗(yàn)要求將圓紙安裝在范成儀上,按下SB1電機(jī)正轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)齒條作直線運(yùn)動(dòng),在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)KT斷電,齒條移動(dòng)到了設(shè)定的距離,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),用鉛筆繪制出刀具齒廓線,如此往復(fù)向前移動(dòng)多次,用鉛筆繪出刀具各瞬時(shí)的位置直到齒形輪廓包絡(luò)線繪制完成。當(dāng)齒形輪廓包絡(luò)線繪制完成后需要滑板復(fù)位時(shí),先按下SB3,使其轉(zhuǎn)換為常開(kāi)狀態(tài),然后按下SB2,使其處于閉合狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電并使其反向轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)齒輪通過(guò)減速齒輪帶動(dòng)齒條反向移動(dòng)直到接觸SQ2時(shí)停止完成滑板復(fù)位,完成復(fù)位后,需按下SB3進(jìn)行工作狀態(tài)的切換。

圖4　改進(jìn)后的范成儀樣機(jī)

3　實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

圖5中(a)和(b)分別為使用改進(jìn)后的范成儀和傳統(tǒng)范成儀做實(shí)驗(yàn)所描繪的齒廓包絡(luò)線,實(shí)驗(yàn)要求移動(dòng)的距離為2 mm。從圖中可以看出,改進(jìn)后的齒輪范成儀所描繪的齒廓包絡(luò)線很均勻；由于人工控制移動(dòng)固定的距離比較難,傳統(tǒng)齒輪范成儀所描繪的齒廓包絡(luò)線極不均勻,而且由于在實(shí)驗(yàn)中需要反復(fù)調(diào)整滑板使得距離為2 mm,整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間比改進(jìn)齒輪范成儀多5～10 min。

圖5　實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

4　總結(jié)

在傳統(tǒng)范成儀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了一種電氣控制的齒輪范成儀,通過(guò)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)傳動(dòng)；通過(guò)電氣電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)滑板移動(dòng)距離及方向的控制。該范成儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便,繪出的包絡(luò)線間隔均勻,而且減少了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,更有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

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Design of gear generating instrument based on electrical control

Yan Tianxiang, Chen Jing, Huang Canhua, Huang Huadong

(College of Mechanical and Control Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

The slider is pushed manually during experiments, which is not convenient to teaching explanation and experimental manipulation. A kind of electrical controlled gear generating instruments was designed, and it achieved smooth mechanism drive and automatic operation. Experimental results show that the designed gear generating instrument is useful for experimental teaching,which could not only precisely control moving distance of slider to draw evenly spaced gear outline,but also save adjustment time, which is beneficial to experimental teaching.

gear generating instrument; involute gear profile; electrical control

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.027

2016-03-18修改日期：2016-05-09

2015年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)目(2015JGZ130)；2015年桂林理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201510596086)

嚴(yán)天祥(1987—)，男，湖北天門，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究.E-mail：yangtxboy@163.com

TH132.41；G484

A

1002-4956(2016)10-0107-03