教学用滚齿插齿机设计说明书 - 图文

教学用插齿滚齿机设计说明书

设计者：曹秀伟，陈黎阳，李俊杰，李盛阳，李冰

指导教师：葛宰林 （大连交通大学软件学院）

联系人：曹秀伟 联系电话：15140301120 EMAIL:245889590@qq.com 1 研制背景及意义

齿轮是机械的灵魂部件，大多的机械设备都离不开齿轮的传动。如：渐开线齿轮行星传动一般用于大中功率的增减速传动，而各种少齿差式的行星传动主要使用在中小功率的大减速比传动上。在航空航天与车辆方面，较多采用弧齿锥齿轮。在要求单级大减速比并传动大力矩的齿轮传动中，多用蜗杆传动。

齿轮产品的质量与性能，除了依赖先进的设计方法，更取决于齿轮制造水平的高低。对于以上不同类型的齿轮，可选择不同的加工工艺，常用的有滚齿、插齿、剃齿、铣齿、磨齿。而常用的切削加工方法分为仿形法与展成法。这些制造技术的发展，在计算机技术的应用下，产生了更加稳定可靠的工艺控制。而要深刻了解这些加工工艺，除了参观专业的工厂外，只能通过视频等非接触方法。工厂的设备有着良好的封装，很难了解到内部结构，测量仪器等方面的资料更是商业机密，无从查起。

我认为学习的意义不在于老师讲了多少，而在于学生接受了多少。在传统的课堂中有很多东西是无法用语言来形容的，比如工厂中的大型机械设备，它精妙的传动方式不是老师说一两句话就能完美体现的，还有许多令人着迷的加工工艺等等。在课堂中我们往往会想要是有个实物可以供我们学习，这样我就会使我们的学习效率更高，也会对学习更加有兴趣。

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因为我们是机械专业的学生，所以每当老师在课堂中提起齿轮加工，想用语言来给我们形容它的加工过程时，即使我们会把凸轮想成鸡蛋，也很难想象我们根本没见过的事物会是什么样，更别提对它产生兴趣了。如果老师上课带着一件我们没见过的事物，这就会激起我们的好奇心，而且有了这个事物老师也就更加轻松的描述它的运动过程。同时也加深了我们对这种事物了解，方便我对知识的灵活运用。

因此，我们选用了最具代表性的滚齿与插齿，设计了机电一体化的加工齿轮教具，让学生能直接的了解加工过程，近距离的接触，观看内部结构，为以后的工作发展积累实用的经验。老师也可以解决没有实物可讲解的困扰，结合教具更生动完美的授课。

2 设计方案

2.1 电器控制

我们要加工的齿轮精度高不仅需要良好的硬件设备，更需要很好的控制来提高最后加工出来齿轮的精度。比如齿胚的进给速度、滚齿刀的旋转速度、插齿刀的旋转速度等等，这些都需要我们用电器来控制。而电器部分主要在于电机的控制。我们使用了最本质，最低层的单片机核心，使用PWM调速，加上电机速度的反馈调节，以电机驱动电路完成控制。

加入了按键的调节，可通过键盘实现电机的启停与调速，并可实时的显示两个主要电机的速度。

2.2 机械部分

在设计整体结构和布局时，我们先参观了工厂，了解了机床加工齿轮的过程。并运用在课堂上所学过的结构，比如曲柄滑块机构、凸轮机构、锥

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齿轮的传动、涡轮蜗杆等，最重要的是我们使用范成法来加工齿轮。初期机械部分设计如图 插齿结构图

滚齿结构图

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齿胚结构图

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2.3设计时考虑的主要问题

2.3.1在插齿方面

为了传动的准确，以及工件进给和转速的稳定配合，使用了锥齿轮转化传动方向，蜗轮蜗杆实现扭矩的增大和旋转方向的改变，凸轮来实现竖直方向的往返运动。在插齿时我们用一个可以水平移动的机架固定刀具，并用凸轮机构来带动它，完成了退刀运动。为了巧妙地实现它的多维运动，我们还加入了球形关节。虽说我们在一些细微的环节做了很多改进，但是还有很多东西需要我们完善。比如在插齿时刀具是否会发生颤动、插齿刀的安装与定位、活动机架在移动时会不会左右摆动、插刀上下运动时是否是垂直运动等。 2.3.2在滚齿方面

由于我们的滚齿刀是网上订购的，在使用时得考虑它的固定和安装，而且用电机传动时同轴度要好，才能加工好的齿形。刀具在移动时是借助滑块的运动实现的，所以刀具上下移动时也要考虑它是否能平稳运动，滑块所在的轴垂直度是否满足要求。我们选的轴用蜗杆加螺母实现电机的升降，以确保电机效率的稳定转化，用滑块来实现滚刀设备的滑移。 2.3.3齿胚方面

由于齿胚的底座市场中并没有出售的，完全是我们自己设计与加工的，因此它的加工方式，材料等都需要我们慎重考虑。而且我们用两级锥齿轮来传动，而这两个轴的同轴度很重要。为减小竖直轴所受到的弯矩，我们还应用了牛眼轮，并采用锥齿轮传动，使传动更平稳。齿胚选用蜡作为原料，因为其容易浇注成型、硬度较软切削齿时受到的切削力较小，易于齿

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轮的加工。 2.3.4整体上

我们需要自己设计一部分特殊结构，而这部分结构在制作过程中并不能完全像我们想象中的那么准确。如孔的同轴度、铝板的垂直度、机架的固定等，很可能发生误差，而导致最终齿轮加工发生偏差，所以我们在制作过程中要尽可能的保持各个工件的准确安装及所要加工件的精度。同时，这个教学用插齿滚齿机要能应用在现在的课堂中，所以它的占地空间要尽可能小，便于教师的携带或者存放。因此也就要求我们将其紧凑的放到一起，但还不能互相干涉，其定位尺寸要求比较严格。而且要插齿滚齿这两部分结合在一起，要考虑如何将它们的共同之处放到一起，尽量较少没必要的结构，来节省空间和材料。

3 理论设计计算

3.1插齿刀

首先选定主电机为maxon电机，转数为300r/min，额定电压为24V。 1）插齿刀先通过两级20齿的锥齿轮进行两次换向，之后用一头1m的蜗杆与1m 60齿的涡轮进行减速，使插齿刀的最终转数为：300*1/1*1/1*1/60=5r/min

2）插齿刀的主运动即刀的上下运动，先通过6头30齿减速比为1/5的涡轮蜗杆，然后用一对20齿的锥齿轮换向，最后用一个偏心轮来实现道具的上下往复运动，其最终的速度为：300*1/5*1/1=60r/min

3)退刀运动规律和插齿刀的主运动相同，都是通过减速比为1/5的涡轮蜗杆进行传动，其速度为：300*1/5=60r/min

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3.2滚齿刀

由于切齿过程中需要的扭矩很大，所以我们选用24V的大扭矩电机，并控制其转数为200r/min 3.3齿胚

因齿胚给进速度慢，承重大，所以选用5V 5r/min的大扭矩电机 在现实中加工一个齿轮要考虑的问题很多，比如扭矩。而我们所设计的教学模具中选用的是蜡来作为加工对象，所以需要的扭矩并不大，我们选用的都是金属材料，采用的大部分属于大扭矩电机，所以满足扭矩的要求。

4 工作原理及性能分析

4.1插齿运动

先用两级锥齿轮进行两次换向，同时也将电机的运动分为两个方向，然后用涡轮与蜗杆的配合进行减速，同时也使运动方向发生改变，最终使插齿刀进行竖直方向的转动;然后将另一个方向的运动用1组涡轮蜗杆进行减速并转向，然而这并不能实现我们需要的运动。所以在这之间我们先用锥齿轮转向，之后用取柄滑块机构来实现刀具的上下运动;为刀具具有退刀运动，我们将刀具固定在一个可水平活动的平台上，并用凸轮来实现其水平运动。这时我们要制作的蜡胚需要很小转速的转动与加工时所需要的进给运动。

4.2滚齿运动

首先我们要把滚齿刀用一个大扭矩电机来带动它水平方向的转动， 同时通过涡轮蜗杆改变旋转方向，通过锥齿轮传动到同步轮上，带动齿胚

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的旋转，通过一个电机的控制保证了滚刀与齿胚旋转的正确配合。然后用步进电机带动滚齿刀这部分的竖直方向的运动,为使电机的受力达到最小，我们用了丝杠滑块机构；滚齿过程中齿胚的运动与插齿基本相同。

4.3齿胚运动

首先我们自制一个机架来支撑托盘，为使运动方向发生改变我们在机架中加入了两级锥齿轮传动，采用两级锥齿轮的同时也分担了竖直方向的重力。为使托盘平稳转动我们在托盘的底部加入了四个牛眼轮，减小了竖直轴的弯矩。为使蜡胚具有进给运动，我们在机架的下部加入了滚珠丝杠，并用电机带动丝杠的转动来实现水平方向的移动。之所以选用滚珠丝杠结构，因其传动平稳，并且没有回程差，最终使我们所加工出来的齿轮精度较高。完成制作后，作品实物外形图片如下

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5 创新点及应用

1）加工过程直观可见，拆卸更换方便。 2）结构紧凑合理，滚齿插齿一体结合。

3）使用单片机的控制，同学可自行修改设置参数，学习与实践结合，进一步了解运动的配合。通过按键实现控制，运行方便，并且实现参数的显示，体现了机电一体的思想。

4）巧妙的将插齿与滚齿都做在同一个平台上，这样既节省了空间，也解决了材料的浪费问题，更特别的是，这种结构便于教师同时讲解。

5)设计的传动结构虽然简单，例如曲柄滑块、凸轮机构、滚珠丝杠等。但我们灵活的将它们穿插在我们设计的作品中，且起到了不同凡响的作用。

6）本作品中最大的亮点，即运用齿刀与齿胚的范成运动来加工齿轮。我们模拟了工厂中加工齿轮的方法，运用多种机械结构运动的配合来实现齿轮的成型。

在目前的市场上，还没有出现这种滚齿插齿教学用具，因此市场空间很大。受限于材料资金，在部件方面也有升级空间。各个高校在教学用具方面投入不菲，而作为最接近于教学的此类用具有很大的吸引力。

6应用前景

随着科技的发展，人们对未知事物的好奇，现在的课堂正趋向于多媒体化、趣味化。可以说将有更多的实体化的教具出现在课堂上，而不是现在的口述式教学。传统的国内教学总是老师一人在教室前通过语言来实现知识的传授，但是国外早就采取了别具一格的教学方式——实物式教学，

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让学生自己亲身体验各种不同事物的特性，并通过观察、触摸来实现完美的教学。

我们设计的教学用插齿滚齿机，不仅将工厂大型的插齿滚齿机微小化，同时用我们所学的知识，活用知识，巧妙布置结构，完美的实现了插齿与滚齿的全过程。现阶段不存在插齿滚齿一体化的教具。可以说这样的教学用具不仅具有教学意义，更具有创新意义。同时这样的教学用具将代表着新一代教育方式的变革，也将在将来的“幻 梦课堂”中起着非同凡响的作用。

7 困难与合作

为了更好的做好这个教学用插齿滚齿机，我们先是构思了它的基本结构，然后又将基本结构划分为了三部分即插齿、滚齿、齿胚部分，并进行详细的结构设计。这之间多次的讨论是必不可少的，而且一些加工过程常出现的问题也在我们的考虑范围之内，如齿胚的制作，多个传动结构所带来的精度误差，我们所选的材料是否符合强度校核等。然而结构的设计也只是一部分，重要的是如何分布各个部件的位置，使它们之间既能相互配合，又不互相干涉，完美的达到我们所要的效果。经过我们多次激烈的讨论后，最终确定了初步的制作方案即当前文档中所写的方案。当方案确定后我们先列出我们所需要的零件与材料如电机、编码器、丝杠、光杠、等一些必要的零件与铝材。并根据列单置购零件与材料如下图所示

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接着我们制作出了齿胚的制作模具，并运用车床、铣床制作了齿胚的托盘、齿胚传动装置的机架等。下一步我们了制作滚齿刀的结构，由于插齿的结构比较复杂，要求的精度比较高，所以我们选在最后一阶段用更多的精力来制作插齿结构。为了保证插刀上下运动时竖直准确，对机架进行了多次的改进。通过手头的工具与材料尽可能的完善结构，使其传动平滑。制作期间为了保证传动精度，我们通过数控铣床车床加工了许多自己设计的零部件。如凸轮，偏心轮，可滑动的联轴器，棘轮机构等。为了使用的方便，加入了按键显示功能。实现实时的电机调速与控制。 8 改进的地方

在制作的过程中，我们发现了许多问题，首先我们自制机架，在结构稳定性上还有待改进，在设计的时候，我们过多的使用了齿轮传动，尤其是锥齿轮传动，这样就使得整个作品噪音较大，而且传动不稳定，手工制作精度差，如果还有机会，我们会更多地选择其他传动方式，比如同步带传动等，我们还可以在后续的优化中，加上用千分尺对齿轮进行检测的功能，使得整个作品更加优秀。

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运动简图如下：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rzm8.html