摘要：针对传统渐开线齿轮范成仪采用手动推动滑板进行实验不便于教学讲解和实验操作，设计制作了一种电气控制的齿轮范成仪，通过齿轮齿条实现机构的平稳传动，通过电气电路实现范成仪的自动化操作。实验表明所设计的范成仪不仅可以精确控制滑板移动的距离使齿廓包络线间隔均匀，而且节省了实验过程中的调整时间，更有利于实验教学。
关键词：范成仪；渐开线齿廓；电气控制
在机械工程中，用范成法加工齿轮最为普遍，为了看清楚齿廓形成的过程，通常采用齿轮范成仪来模拟用范成法加工渐开线齿轮的过程［１］。齿轮范成实验为机械原理、机械设计基础等课程的主要实验之一，学生可以通过该实验的操作，更好地理解范成法加工齿轮的基本原理，直接接触到生产一线的技术问题和操作问题［２－３］。传统的渐开线齿轮范成仪采用手动推进滑板进行实验，无法精确地改变其进给行程，绘出的渐开线齿廓粗糙且用时较长，不便于教学讲解和实验操作［４－８］。基于此，罗卫平等［７］通过结构改进设计实现了滑板的均匀移动；孙东等［８］通过单片机编程控制实现了范成仪的电子控制自动操作。本文在传统渐开线齿轮范成仪的基础上进行了基于电气控制的改进设计，实验表明所改进设计的范成仪不仅可以使滑板每次移动固定的距离使齿廓包络线间隔均匀，而且节省了实验过程中的调整时间，更有利于实验教学。
１范成法实验概述
一对渐开线齿轮（或齿条）啮合传动时，两轮的齿廓曲线互为包络线，由于齿轮实际加工时看不到刀刃在各个位置形成包络线的过程，故通过齿轮范成仪来实现轮坯和齿条刀具间传动过程的模拟。目前齿轮范成实验使用的齿轮范成仪的结构示意图如图１所示，由托盘、底座、齿条刀具、滑板等部件组成。实验时将待加工齿轮的轮坯（圆纸）放置于范成仪的托盘上，旋紧螺母用压板压紧圆纸；将齿条刀具模型放置于范成仪的滑板上，并将齿条刀具中线调整为中心对零，使其中线与轮坯分度圆相切（标准齿轮齿廓）或远离靠近轮坯分度圆一定的距离（正变位或负变位齿轮轮廓），并将齿条刀具与滑板固紧；最后移动滑板将齿条刀具移至范成仪的一端，然后逐渐向另一端移动２～３ｍｍ的距离，再用铅笔进行绘图，如此不断移动下去，形成稠密的齿形，即为被切齿轮的齿廓曲线［９－１０］。图２为改进后范成仪的结构示意图，主要包括底座、托盘、齿条刀具、滑板、驱动电机、传动齿轮、减速齿轮、齿条和滑板等。通过驱动电机带动传动齿轮和减速齿轮转动，齿条随着减速齿轮的转动而作直线运动，进而带动滑板沿导轨方向作直线运动。按设计要求，电机型号选择为６０ＫＴＹＺ［１１］的低速电机，圆柱直齿轮模数为１，其中小齿轮齿数为１２，大齿轮齿数为４１。电气控制设计图３所示为范成仪的电器控制电路图，主要由第一常开按钮开关ＳＢ１、第二常开按钮开关ＳＢ２、闭按钮开关ＳＢ３、第一行程开关ＳＱ１、第二行程开关ＳＱ２、延时继电器ＫＴ和保险丝ＦＵ等组成。ＳＢ１用于控制范成仪滑板每次的移动，ＫＴ用于控制调节滑板每次移动的距离，ＳＢ３用于范成仪工作与复位控制之间的转换，ＳＢ３用于控制滑板的复位，ＳＱ１、ＳＱ２用于限定滑板在一定的范围内工作。由于电机输出转速ｎ１＝１０ｒ／ｍｉｎ，小齿轮半径Ｒ１＝６ｍｍ，则移动距离Ｓ＝６．３ｔ（ｔ为移动时间）。要实现最小移动距离为２ｍｍ，延时时间约为０．３２ｓ。按设计要求，选择Ｈ３Ｙ－２型时间继电器［１２］。改进后范成仪工作原理图４所示为改进后的范成仪样机。当使用改进后的范成仪进行实验时，按照实验要求将圆纸安装在范成仪上，按下ＳＢ１电机正转，驱动电机转动，并带动齿条作直线运动，在设定的延时时间内ＫＴ断电，齿条移动到了设定的距离，电机停止转动，用铅笔绘制出刀具齿廓线，如此往复向前移动多次，用铅笔绘出刀具各瞬时的位置直到齿形轮廓包络线绘制完成。当齿形轮廓包络线绘制完成后需要滑板复位时，先按下ＳＢ３，使其转换为常开状态，然后按下ＳＢ２，使其处于闭合状态，从而实现对驱动电机供电并使其反向转动，传动齿轮通过减速齿轮带动齿条反向移动直到接触ＳＱ２时停止完成滑板复位，完成复位后，需按下ＳＢ３进行工作状态的切换。
２实验效果对比
图５中（ａ）和（ｂ）分别为使用改进后的范成仪和传统范成仪做实验所描绘的齿廓包络线，实验要求移动的距离为２ｍｍ。从图中可以看出，改进后的齿轮范成仪所描绘的齿廓包络线很均匀；由于人工控制移动固定的距离比较难，传统齿轮范成仪所描绘的齿廓包络线极不均匀，而且由于在实验中需要反复调整滑板使得距离为２ｍｍ，整个实验时间比改进齿轮范成仪多５～１０ｍｉｎ。
３总结
在传统范成仪的基础上设计制作了一种电气控制的齿轮范成仪，通过齿轮齿条实现机构的平稳传动；通过电气电路对驱动电机转动时间和转向进行控制，实现滑板移动距离及方向的控制。该范成仪结构简单操作方便，绘出的包络线间隔均匀，而且减少了实验时间，更艺术类论文有利于实验教学。
作者：严天祥 陈静 黄灿华 黄华东 单位：桂林理工大学 机械与控制工程学院
