基于電氣控制的齒輪范成儀設(shè)計

嚴天祥, 陳　靜, 黃燦華, 黃華東

(桂林理工大學 機械與控制工程學院, 廣西 桂林　541004)

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基于電氣控制的齒輪范成儀設(shè)計

嚴天祥, 陳靜, 黃燦華, 黃華東

(桂林理工大學 機械與控制工程學院, 廣西 桂林541004)

針對傳統(tǒng)漸開線齒輪范成儀采用手動推動滑板進行實驗不便于教學講解和實驗操作，設(shè)計制作了一種電氣控制的齒輪范成儀,通過齒輪齒條實現(xiàn)機構(gòu)的平穩(wěn)傳動,通過電氣電路實現(xiàn)范成儀的自動化操作。實驗表明所設(shè)計的范成儀不僅可以精確控制滑板移動的距離使齒廓包絡(luò)線間隔均勻,而且節(jié)省了實驗過程中的調(diào)整時間,更有利于實驗教學。

范成儀； 漸開線齒廓； 電氣控制

在機械工程中,用范成法加工齒輪最為普遍,為了看清楚齒廓形成的過程,通常采用齒輪范成儀來模擬用范成法加工漸開線齒輪的過程[1]。齒輪范成實驗為機械原理、機械設(shè)計基礎(chǔ)等課程的主要實驗之一,學生可以通過該實驗的操作,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)問題和操作問題[2-3]。傳統(tǒng)的漸開線齒輪范成儀采用手動推進滑板進行實驗,無法精確地改變其進給行程,繪出的漸開線齒廓粗糙且用時較長,不便于教學講解和實驗操作[4-8]。基于此,羅衛(wèi)平等[7]通過結(jié)構(gòu)改進設(shè)計實現(xiàn)了滑板的均勻移動；孫東等[8]通過單片機編程控制實現(xiàn)了范成儀的電子控制自動操作。本文在傳統(tǒng)漸開線齒輪范成儀的基礎(chǔ)上進行了基于電氣控制的改進設(shè)計,實驗表明所改進設(shè)計的范成儀不僅可以使滑板每次移動固定的距離使齒廓包絡(luò)線間隔均勻,而且節(jié)省了實驗過程中的調(diào)整時間,更有利于實驗教學。

1　范成法實驗概述

一對漸開線齒輪(或齒條)嚙合傳動時,兩輪的齒廓曲線互為包絡(luò)線,由于齒輪實際加工時看不到刀刃在各個位置形成包絡(luò)線的過程,故通過齒輪范成儀來實現(xiàn)輪坯和齒條刀具間傳動過程的模擬。目前齒輪范成實驗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。實驗時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)整為中心對零,使其中線與輪坯分度圓相切(標準齒輪齒廓)或遠離靠近輪坯分度圓一定的距離(正變位或負變位齒輪輪廓),并將齒條刀具與滑板固緊；最后移動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 2～3 mm的距離,再用鉛筆進行繪圖,如此不斷移動下去,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

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

2.1機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2為改進后范成儀的結(jié)構(gòu)示意圖,主要包括底座、托盤、齒條刀具、滑板、驅(qū)動電機、傳動齒輪、減速齒輪、齒條和滑板等。通過驅(qū)動電機帶動傳動齒輪和減速齒輪轉(zhuǎn)動,齒條隨著減速齒輪的轉(zhuǎn)動而作直線運動,進而帶動滑板沿導軌方向作直線運動。按設(shè)計要求,電機型號選擇為60KTYZ[11]的低速電機,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　改進范成儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.2電氣控制設(shè)計

圖3所示為范成儀的電器控制電路圖,主要由第一常開按鈕開關(guān)SB1、第二常開按鈕開關(guān)SB2、閉按鈕開關(guān)SB3、第一行程開關(guān)SQ1、第二行程開關(guān)SQ2、延時繼電器KT和保險絲FU等組成。SB1用于控制范成儀滑板每次的移動,KT用于控制調(diào)節(jié)滑板每次移動的距離,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。由于電機輸出轉(zhuǎn)速n1=10r/min,小齒輪半徑R1=6 mm,則移動距離S= 6.3t(t為移動時間)。要實現(xiàn)最小移動距離為2 mm,延時時間約為0.32 s。按設(shè)計要求,選擇H3Y-2型時間繼電器[12]。

圖3　電氣控制電路圖

2.3改進后范成儀工作原理

圖4所示為改進后的范成儀樣機。當使用改進后的范成儀進行實驗時,按照實驗要求將圓紙安裝在范成儀上,按下SB1電機正轉(zhuǎn),驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,并帶動齒條作直線運動,在設(shè)定的延時時間內(nèi)KT斷電,齒條移動到了設(shè)定的距離,電機停止轉(zhuǎn)動,用鉛筆繪制出刀具齒廓線,如此往復(fù)向前移動多次,用鉛筆繪出刀具各瞬時的位置直到齒形輪廓包絡(luò)線繪制完成。當齒形輪廓包絡(luò)線繪制完成后需要滑板復(fù)位時,先按下SB3,使其轉(zhuǎn)換為常開狀態(tài),然后按下SB2,使其處于閉合狀態(tài),從而實現(xiàn)對驅(qū)動電機供電并使其反向轉(zhuǎn)動,傳動齒輪通過減速齒輪帶動齒條反向移動直到接觸SQ2時停止完成滑板復(fù)位,完成復(fù)位后,需按下SB3進行工作狀態(tài)的切換。

圖4　改進后的范成儀樣機

3　實驗效果對比

圖5中(a)和(b)分別為使用改進后的范成儀和傳統(tǒng)范成儀做實驗所描繪的齒廓包絡(luò)線,實驗要求移動的距離為2 mm。從圖中可以看出,改進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,而且由于在實驗中需要反復(fù)調(diào)整滑板使得距離為2 mm,整個實驗時間比改進齒輪范成儀多5～10 min。

圖5　實驗效果對比

4　總結(jié)

在傳統(tǒng)范成儀的基礎(chǔ)上設(shè)計制作了一種電氣控制的齒輪范成儀,通過齒輪齒條實現(xiàn)機構(gòu)的平穩(wěn)傳動；通過電氣電路對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時間和轉(zhuǎn)向進行控制，實現(xiàn)滑板移動距離及方向的控制。該范成儀結(jié)構(gòu)簡單操作方便,繪出的包絡(luò)線間隔均勻,而且減少了實驗時間,更有利于實驗教學。

References)

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[7] 羅衛(wèi)平,姜小菁,王珺，等. 齒輪展成儀的改進[J]. 機電技術(shù),2011(6):49-50.

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[9] 孫桓,陳作模,葛文杰. 機械原理[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

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[12] 陳建明,電氣控制與PLC應(yīng)用[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社,2014.

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改革工程重點項目(2015JGZ130)；2015年桂林理工大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201510596086)

嚴天祥(1987—)，男，湖北天門，碩士，實驗師，主要從事機電工程實驗教學與實驗技術(shù)的研究.E-mail：yangtxboy@163.com

TH132.41；G484

A

1002-4956(2016)10-0107-03