一种齿轮范成仪的制作方法

本发明涉及教学仪器技术领域，尤其是一种齿轮范成仪。

背景技术：

渐开线齿轮的齿廓是一条渐开线，其形成的过程是一直线在圆周上滚动而无任何滑动时，直线上的点所画出的曲线(包括线)就是渐开线。根据这个原理，设计出用直线齿条刀具加工渐开线齿轮机床，齿轮范成法是利用一对齿轮或齿轮与齿条互相啮合时，齿轮的共轭齿廓互为包络线的原理来加工齿轮，在教学的时候通常采用齿轮范成仪模拟齿轮制作的过程。齿轮范成实验为重要实验之一，需要了解齿轮的结构，尺寸关系，制造过程等等。

目前分为自动化式齿轮范成仪和手动式齿轮范成仪，对于自动化式齿轮范成仪结构单一，实验操作单一，上手难度偏低，部分齿轮范成仪自动化程度过高，使得学生实验兴趣不大，严重影像了实验的学生的兴趣，实验结果展示的数据没有对比，实验结果不够直观。对于手动式齿轮范成仪，做实验的过程中，需要往复多次移动滑块，在移动过程中容易造成移动距离过大或过小而需要多次调整才能达到需要的移动距离，因而效率低，需要花费大量时间，而且手动操作的误差大，稳定性不高，而致使绘制而成的齿形轮廓不分明，影响到学员对齿轮范成法加工过程的观察。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种齿轮范成仪，能够让学生充分了解齿轮范成仪的原理构造，而且能够绘制出精确的齿形轮廓。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种齿轮范成仪，包括传动机构、托盘、升降机构、支托架及仿真刀具，

所述传动机构包括导轨、齿条、滚珠丝杠、第一电机、第一支座、固定座及齿盘，所述齿条位于所述导轨内并通过滑动块与所述导轨滑动连接，所述滑动块一端通过所述滚珠丝杠与所述第一电机传动连接，所述第一电机通过所述第一支座与所述导轨固定连接，所述固定座与所述导轨的一侧固定连接并与所述齿盘转动连接，所述齿盘与所述齿条相互啮合，所述托盘与所述托盘螺纹连接；

所述升降机构包括固定框、蜗轮、蜗杆、第二电机及第二支座，所述蜗轮位于所述固定框内并与所述固定框转动连接，所述蜗杆与所述蜗轮相互啮合，所述蜗杆一端与所述第二支座转动连接，另一端与所述第二电机传动连接；

所述支托架位于所述传动机构与所述升降机构之间，并通过连接件与分别与所述传动机构及所述升降机构连接；所述仿真刀具位于所述托盘与所述支托架之间，所述螺纹杆串在所述支托架内并通过螺母丝杠与所述支托架滑动连接，所述螺纹杆一端与所述仿真刀具固定连接，另一端与所述蜗轮螺纹连接。

进一步地，所述连接件为几字形结构，所述连接件的两端分别通过螺栓与所述齿条及所述支托架连接，所述连接件靠近所述传动机构的一侧设有双头螺杆，所述双头螺杆两端分别通过固定螺帽与所述固定框及所述连接件连接。

进一步地，所述固定座包括座体、转动轴及弹性卡件，所述座体与所述导轨固定连接，所述座体两侧分别设有若干相对的调节孔，所述转动轴与所述齿盘转动连接并两侧分别与所述弹性卡件固定连接，所述弹性卡件与所述调节孔相互契合，将所述弹性卡件卡入不同的所述调节孔，使得不同规格的所述齿盘与所述齿条啮合。

进一步地，所述转动轴包括外轴及内轴，所述外轴与所述内轴转动连接，所述内轴设有两个卡件；所述齿盘通过固定杆与所述内轴连接，所述固定杆穿入所述内轴并设有与所述卡件配合的卡槽，所述转动轴两端分别设有锁定螺帽，所述锁定螺帽与所述固定杆螺纹连接并与所述内轴抵接。

进一步地，所述托盘包括托架、盘体、固定轴及锁定圆环，所述托架一面与所述齿盘螺纹连接，所述固定轴的一端与所述托架远离所述齿盘一面的圆心处固定连接，另一端穿出所述盘体，所述锁定圆环与所述固定轴螺纹连接并用于将所述盘体固定在所述托架上；所述托架与所述盘体相连接的一面设有相互配合的凸起和凹口。

进一步地，所述盘体为白板材料。

进一步地，所述仿真刀具包括刀体、刀架及固定螺钉，所述刀架与所述螺纹杆固定连接，所述刀架为中空结构并两侧分别设有贯穿的第一固定孔，所述刀体两侧分别设有第二固定孔，所述刀体位于所述刀架内，所述固定螺钉分别与所述第一固定孔及所述第二固定孔螺纹连接。

进一步地，还包括绘线架，所述绘线架与所述刀体的刀齿相互契合，并通过波纹滑动槽与所述刀体的刀齿滑动连接；所述绘线架底部设有绘制边，所述绘制边为尼龙材料。

本发明的有益效果是，

1.齿条位于导轨内并通过滑动块与导轨滑动连接，滑动块一端通过滚珠丝杠与第一电机传动连接，固定座与导轨的一侧固定连接并与齿盘转动连接，齿盘与齿条相互啮合。在滚珠丝杠的作用下，第一电机的周向转动改变为轴向移动，使得齿条能够随着滑动块在滑轨上滑动，在齿条的驱动下，齿盘进行转动，齿盘驱动托盘转动；在连接件的作用下，支托架与齿条固定连接，而仿真刀具通过螺纹杆与支托架螺纹连接，从而使得托盘与刀具以相同的线速度进行运动，从而为渐开线的绘制提供必要条件。

2.螺纹杆串在支托架内并通过螺母丝杠与支托架滑动连接，螺纹杆一端与仿真刀具固定连接，另一端与蜗轮螺纹连接。在第二电机的驱动下，蜗杆带动蜗轮转动，由于螺纹杆在螺母丝杠的作用下与支托架滑动，从而蜗轮带动螺纹杆上下移动，仿真刀具随之上下运动，实现仿真齿轮切割的效果。

3.仿真刀具为可拆卸的结构，便于对刀体进行更换，以绘制出不同规格的齿廓曲线，便于学生进行对比。绘线架与刀体的刀齿相互契合，并通过波纹滑动槽与刀体的刀齿滑动连接；绘线架底部设有绘制边，绘制边为尼龙材料。绘线架用与刀体的结构相同，当仿真刀具下降时，绘线架底部的绘制边能够将刀体的形状印在托盘上，实现齿廓曲线的绘制。

4.通过将弹性卡件卡入不同的调节孔，使得不同规格的齿盘与齿条啮合，使得学生能够动手对齿盘进行安装，便于学生认识齿轮转动的原理及齿轮范成仪驱动齿盘的结构，增加学生的学习热情。固定杆穿入内轴并设有与卡件配合的卡槽，转动轴两端分别设有锁定螺帽，锁定螺帽与固定杆螺纹连接并与内轴抵接，在卡槽的作用下，避免固定杆与内轴之间出现晃动，而导致齿廓曲线绘制失败；固定杆通过锁定螺帽固定在转动轴中，能够便于齿盘拆卸，而且能够保证齿盘的稳固性。

5.托架与盘体为可拆卸的结构，便于学生将绘制完毕的盘体从托架中拆卸出来，以观察齿廓曲线的结构，而且能够通过更换不同半径的盘体，进行不同盘体的齿廓曲线绘制，使得实验结果展示的数据具有对比性。托架与盘体相连接的一面设有相互配合的凸起和凹口，能够防止托架与盘体在绘制齿廓曲线时产生打滑，从而导致实验数据出现偏差。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的结构示意图。

图2是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的侧视图。

图3是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的导轨结构示意图。

图4是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的固定座结构示意图。

图5是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的固定杆结构示意图。

图6是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的托盘结构示意图。

图7是本发明一较佳实施方式的齿轮范成仪的仿真刀具结构示意图。

图中，1-导轨，11-齿条，111-滑动块，12-第一电机，13-滚珠丝杠，14-第一支座，15-齿盘，151-固定杆，2-托盘，21-托架，211-凸起，22-盘体，221-凹口，23-固定轴，24-锁定圆环，3-固定框，31-蜗轮，32-蜗杆，33-第二电机，34-第二支座，4-支托架，41-螺纹杆，42-螺母丝杠，5-连接件，51-螺栓，52-双头螺杆，521-固定螺帽，6-仿真刀具，61-刀体，611-第二固定孔，62-刀架，621-第一固定孔，63-固定螺钉，7-固定座，71-座体，711-调节孔，72-转动轴，721-外轴，722-内轴，723-卡件，724-锁定螺帽，73-弹性卡件，8-绘线架，81-波纹滑动槽，82-绘制边。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参见图1至图7，本发明的一种齿轮范成仪，包括传动机构、托盘2、升降机构、支托架4、螺纹杆41及仿真刀具6。

传动机构包括导轨1、齿条11、第一电机12、滚珠丝杠13、第一支座14、齿盘15及固定座7。齿条11位于导轨1内并通过滑动块111与导轨1滑动连接，滑动块111一端通过滚珠丝杠13与第一电机12传动连接，第一电机12通过第一支座14与导轨1固定连接，固定座7与导轨1的一侧固定连接并与齿盘15转动连接，齿盘15与齿条11相互啮合，托盘2与齿盘15螺纹连接。

在滚珠丝杠13的作用下，第一电机12的周向转动改变为轴向移动，使得齿条11能够随着滑动块111在滑轨上滑动，在齿条11的驱动下，齿盘15进行转动，齿盘15驱动托盘2转动。

升降机构包括固定框3、蜗轮31、蜗杆32、第二电机33及第二支座34，蜗轮31位于固定框3内并与固定框31转动连接，蜗杆32与蜗轮31相互啮合，蜗杆32一端与第二支座34转动连接，另一端与第二电机33传动连接。

支托架4位于传动机构与升降机构之间，并通过连接件5与分别与传动机构及升降机构连接。仿真刀具6位于托盘2与支托架4之间，螺纹杆41串在支托架4内并通过螺母丝杠42与支托架4滑动连接，螺纹杆41一端与仿真刀具6固定连接，另一端与蜗轮31螺纹连接。

在本实施例中，连接件5为几字形结构，连接件5的两端分别通过螺栓51与齿条11及支托架4连接，连接件5靠近传动机构的一侧设有双头螺杆52，双头螺杆52两端分别通过固定螺帽521与固定框3及连接件5连接。通过过连接件5使固定框3、支托架4及齿条11之间固定连接，从而使得仿真刀具6与托盘2具有相同的线速度。

在第二电机33的驱动下，蜗杆32带动蜗轮31转动，由于螺纹杆41在螺母丝杠42的作用下与支托架滑动，从而蜗轮31带动螺纹杆41上下移动，仿真刀具6随之上下运动，实现仿真齿轮切割的效果。

仿真刀具6包括刀体61、刀架62及固定螺钉63，刀架62与螺纹杆41固定连接，刀架62为中空结构并两侧分别设有贯穿的第一固定孔621，刀体61两侧分别设有第二固定孔611，刀体61位于刀架62内，固定螺钉63分别与第一固定孔621及第二固定孔611螺纹连接。仿真刀具6为可拆卸的结构，便于对刀体61进行更换，以绘制出不同规格的齿廓曲线，便于学生进行对比。

还包括绘线架8，绘线架8与刀体61的刀齿相互契合，并通过波纹滑动槽81与刀体61的刀齿滑动连接；绘线架8底部设有绘制边82，绘制边82为尼龙材料。通过在绘制边82浸上墨水，并且绘线架8与刀体61的结构相同，当仿真刀具6下降时，绘制边82的墨水能够将刀体61的形状印在托盘2上，实现齿廓曲线的绘制。

波纹滑动槽81便于绘线架8与刀体61的刀齿的拆卸和安装，并且能够保证在绘制齿廓曲线时，绘线架8不会与与刀体61的刀齿脱离。绘制边82为尼龙材料，因此具有较为结实的结构，当绘制边82压在托盘2上时不易变形，从而能够准确印出刀体61的轮廓。

托盘2包括托架21、盘体22、固定轴23及锁定圆环24，托架21一面与齿盘15螺纹连接，固定轴23的一端与托架21远离齿盘15一面的圆心处固定连接，另一端穿出盘体22，锁定圆环24与固定轴23螺纹连接并用于将盘体22固定在托架21上；托架21与盘体22相连接的一面设有相互配合的凸起211和凹口221。由于托架21随着齿盘15转动的，通过托架21与盘体22相互配合的凸起211和凹口221，能够有效防止托架21与盘体22出现打滑，保证绘制齿廓曲线的准确性。

托架21与盘体22为可拆卸的结构，便于学生将绘制完毕的盘体22从托架21中拆卸出来，以观察齿廓曲线的结构，而且能够通过更换不同半径的盘体22，进行不同盘体的齿廓曲线绘制，使得实验结果展示的数据具有对比性。

盘体22为白板材料，能够便于将齿廓曲线擦出，便于下次的使用，相对于采用张纸绘制齿廓曲线来说能够减少资源的浪费。

固定座7包括座体71、转动轴72及弹性卡件73，座体71与导轨1固定连接，座体71两侧分别设有若干相对的调节孔711，转动轴72与齿盘15转动连接并72两侧分别与弹性卡件73固定连接，弹性卡件73与调节孔711相互契合，将弹性卡件73卡入不同的调节孔711，使得不同规格的齿盘15与齿条11啮合。通过将弹性卡件73卡入不同的调节孔711，使得不同规格的齿盘15与齿条11啮合，使得学生能够动手对齿盘15进行安装，便于学生认识齿轮转动的原理及齿轮范成仪驱动齿盘的结构，增加学生的学习热情。

转动轴72包括外轴721及内轴722，外轴721与内轴722转动连接，内轴722设有两个卡件723。齿盘15通过固定杆151与内轴722连接，固定杆151穿入内轴722并设有与卡件723配合的卡槽152，转动轴72两端分别设有锁定螺帽724，锁定螺帽724与固定杆151螺纹连接并与内轴722抵接。由于仿真刀具6会对托盘2产生一定的压力，在卡槽152和卡件723的作用下，避免固定杆151与内轴722之间出现晃动，而导致齿廓曲线绘制失败。固定杆151通过锁定螺帽724固定在转动轴72中，能够便于齿盘15拆卸，而且能够保证齿盘15的稳固性。

在本实施例中，设有用于控制第一电机12及第二电机33启动、停止的控制按钮。

在本实施例中，

滚珠丝杠13在传动过程中不会损耗大量的精度，能迅速做出反应，运动时相对振动较少，适合小距离传动。这里选用滚珠丝杠，可以将使齿轮仿真结构平稳运行，完成对齿条的进给运动。设计的丝杠副对刚度及定位精度都有所要求，可以选择cbt(外循环插管、变为导程预紧、导珠管凸出式)滚珠丝杠，从定位精度得出精度且精度不得小于p3级丝杠，所以丝杠型号为：cbt4012-4-p5335×290。通过滚珠丝杠13选型表，选择滚珠丝杠副特征代号cbt4012-4-p5335×290，采用外循环插管式、导程预紧、导珠管凸出式的滚珠丝杠。

为了实现齿条的有规律的来回运动，使得模拟出的齿廓曲线精确有效。而且也要考虑电机对环境的适用性和成本的降低。步进电机以满足齿轮仿真机构所需电机的要求，并且相对其他电机来说，它具有更低的成本以及对环境更高的适用性，故本实施例的第一电机12采用步进电机更为合适。

第一支座14具有支撑第一电机12的作用。同时，由于第一电机12和滚珠丝杠13连接还需要联轴器的连接，所以另一端用螺丝让第一支座14和导轨1面固定。而中间的一端用螺丝来连接第一支座14和第一电机12，保证传动机构结构的稳定性。

导轨1主要采用双燕尾式，导轨行程全长290mm，它的特点是闭式导轨接触面最小的一种结构，使用一根镶条来调节各接触面的间隙。比较导轨1所需的力学性能以及使用寿命，综合考虑使用淬火铸铁。

升降机构的工作条件是受力不大，且转速较慢的往复上升下降。螺纹杆41选用45钢，螺母丝杠45选用zcual9fe4ni4mn2。当螺纹杆41受到压力且大于所承受的范围，螺纹杆41会产生弯曲而失效，进而影响齿轮范成仪的运行，所以要校核螺纹杆41杆稳定性。受压的螺纹杆41的稳定性条件式为

式中fe为螺杆稳定的临界负荷。

(为螺杆最大工作长度，对于螺杆升降机构来说，l＝23mm

对于45钢，当λ≤90时，临界载荷

则有因此螺杆稳定性合格。

由于需要升降机构在一定的高度范围内停在任意位置，第二电机33选用步进电机和伺服电机都能精确控制顶杆的位置。但从价格来说，伺服电机和步进电机在相同的工作情况下，步进电机的价格要比伺服电机便宜10倍左右，因此优先选用价格相对便宜的步进电机，工作电压24v。步进电机的转矩和功率都是随着速度的变化而变化，不能根据功率来选择步进电机，根据经验，输出扭矩为以下，可以选用86步进电机；输出扭矩为，则可以选择57步进电机。根据设计要求，为了控制方便，本实施例第二电机33选用86ygh001步进电机。

设计螺母丝杠45导程为p＝3mm，要使螺纹杆41的运动精度控制在0.02mm内，则第二电机33每收到一个脉冲信号，螺纹杆41上升或者下降的高度要小于0.02mm，才能满足运动精度要求。

当螺纹杆41收到a个脉冲时，蜗轮转过的角度为b，设传动比为i，顶杆上升的高度为h，则有

当a取极限值1时，取i＝62，

则只要脉冲数a≤25i×0.02＝25×62×0.02＝31次时，都满足运动精度的要求。

本发明的控制原理为：

根据所选用齿盘15的规格，将转动轴72通过弹性卡件73卡入合适的调节孔711内，并将固定杆151通过锁定螺帽724固定在转动轴72的内轴722上，使得齿盘15与齿条11相互啮合。将盘体22通过锁定圆环24固定在托架21上，选用合适的刀具61，并通过固定螺钉63将刀具61固定在刀架62内。把绘制边82浸上墨水，并将绘线架8通过波纹滑动槽8卡入刀具61的刀齿上。

控制第一电机13及第二电机33启动，在滚珠丝杠13的作用下，第一电机12的周向转动改变为轴向移动，使得齿条11能够随着滑动块111在滑轨上滑动，在齿条11的驱动下，齿盘15进行转动，齿盘15驱动托盘2转动。同时，在第二电机33的驱动下，蜗杆32带动蜗轮31转动，由于螺纹杆41在螺母丝杠42的作用下与支托架滑动，从而蜗轮31带动螺纹杆41上下移动，仿真刀具6随之上下运动，使得绘制边82将齿轮的轮廓印在盘体22上，实现齿廓曲线的绘制。