【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動源，把切削主動力源和振源合為一體，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動精度高且便于控制 .但是其切削功率因受到步進(jìn)電機(jī)最大功率的限制，一般只用作小孔加工 . 切削主動力源和振源分離 此方案必須使用 2 個電機(jī)，通常 1個為普通電機(jī)，另 1個為步進(jìn)電機(jī) .二者分別做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和振動，然后通過一定的機(jī)械機(jī)構(gòu)（行星輪機(jī)構(gòu)）進(jìn)行合成，再經(jīng)靠模作用，就得到振動攻絲所需的運(yùn)動 (尹韶輝， 1992；伍世虔，1989).這一方案將切削主動力源和振源分開 ,綜合利用了普通電機(jī)具有較大的功率和南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 12 步進(jìn)電機(jī)易于控制的特點 .因此它可用于較大螺孔的振動攻絲場合 ,但因其使用了中間合成機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，運(yùn)動精度降低 . 方案特點 上述 2 種方案中都有一個共同的特點：為了將圓周方向的振動轉(zhuǎn)換為螺旋方 向的振動，使用靠模機(jī)構(gòu) .這就給系統(tǒng)帶來了以下 3個不良的影響：（ 1）在攻制不同螺距的螺紋時，必需同時更換絲錐和靠模；（ 2）由于靠模內(nèi)螺紋副的相互摩擦，不但消耗系統(tǒng)一部分能量，而且因摩檫發(fā)熱還會影響系統(tǒng)的工作精度；（ 3）因增加了這一高精度的靠模機(jī)構(gòu)，使得整個系統(tǒng)的制造成本增加 . 本實驗方案的確立 由分析可知在上述兩方案中使用靠模，其作用有：（ 1）轉(zhuǎn)換振動 方向；（ 2）在攻絲開始時給絲錐施加一定的預(yù)壓力以便導(dǎo)入 .而實際上，當(dāng)絲錐的切削部分切入工件后，工件內(nèi)就有部分螺紋形成 .那么這一剛形成的具有未成型牙或 成型牙的內(nèi)螺紋與絲錐的后半部分相互作用，就相當(dāng)于上述兩方案中靠模內(nèi)的絲桿與螺母 .因而可得到這樣的結(jié)論：省掉攻絲靠模，讓絲錐自導(dǎo)，同樣也可以滿足轉(zhuǎn)換振動方向的要求 .但是這一系統(tǒng)在絲錐切入的初期，外界必須施加以一定的預(yù)壓力，以便絲錐導(dǎo)入（本 設(shè)計 采用手工預(yù)壓的方法） . 基于上面分析，考慮到本 設(shè)計 的實際情況 (攻制 M16螺紋 ),我們研制出了一種新型的振動攻絲實驗系統(tǒng) ,其特征是振動源和主切削運(yùn)動均有一個步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床主軸完成 ,主軸系統(tǒng)由扭轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)、周向間隙消除機(jī)構(gòu)和主軸的支撐機(jī)構(gòu)等組成 .采用一種內(nèi)凸輪齒輪式 主軸激振器 該主軸激振驅(qū)動器不僅能夠使機(jī)床主軸實現(xiàn) 0? 與)sin( taA ??? 合成運(yùn)動規(guī)律輸出，且由于凸輪副壓力角較小而增強(qiáng)了驅(qū)動器的動力傳遞能力，有效地解決了周向振動鉆床主軸激振驅(qū)動器設(shè)計的技術(shù)難點，為周向振動鉆床的產(chǎn)業(yè)化推廣提供了技術(shù)保障。 4 振動攻絲運(yùn)動分析 為了滿足振動攻絲要求，步進(jìn)電機(jī)必須做進(jìn)多退少的運(yùn)動，現(xiàn)將運(yùn)動沿圓周方向展開，就可得如圖 3 的運(yùn)動模型 . 假設(shè)以 O點為零點開始啟動電機(jī)，電機(jī)從 O點正轉(zhuǎn)前進(jìn) mq步 (時間為 T1)到達(dá) A點，然后反轉(zhuǎn)后退 mn步 (時間為 T2) 到達(dá) B 點；又由 B 點再正轉(zhuǎn) mq步到達(dá) C點，如此循環(huán)下去，直到加工完畢 . 圖 3 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動模型 Movement model of stepping motor 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 13 現(xiàn)以絲錐中徑上的某一點進(jìn)行運(yùn)動分析，假設(shè)振動攻絲周期為 T（ T=T1+T2），則在一個周期內(nèi)該點的位移 x(t)為： 式中： k=θ ； θ b— 步進(jìn)電機(jī)步距角； mp— 步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率； do— 絲錐中徑 . 其波形圖如圖 4. 將上述周期性振 動，利用傅立葉級數(shù)展開可得 x(t)的頻譜為： x(t)=(k/2T)(2T21T2)+2k/w ［ 2cos(nwT1/2arctg1/nπ) .sin nw(tT1/2)tc/ nw(tcT1)］ 由 x(t)的頻譜可知，施加給絲錐的外激勵 x(t)，它具有直流分量和交流分量兩部分 .其直流分量相當(dāng)于給絲錐提供勻速運(yùn)動的量，顯然它直接影響振動攻絲生產(chǎn)率 .而其交流分量則是由一系列簡諧振動的合成 .根據(jù)簡諧振動合成的周期性條件（屈維德 ,1992） 其結(jié)果仍然保持周期性 .通過上面的頻譜分析，可知絲錐進(jìn)多退少的運(yùn)動是由勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和有規(guī)律振動的疊加 .這就從理論上證明了 “ 進(jìn)多退少 ”這一種運(yùn)動方式，能夠滿足振動攻絲的要求 .因此，只要通過合理地選擇振動攻絲的工藝參數(shù)，就可以獲得最佳振動攻絲效果 . 由上述分析可知 x(t)的直流分量，直接影響振動攻絲的生產(chǎn)率，所以為了使振動攻絲具有一定的生產(chǎn)實際意義，則就要求其直流分量(k/2T)(2T21T2)≥0 即可得： (2(T1/T)21)≥0 ∵k .T/2＞ 0 ∴2(T 1/T)21≥0 即可得： T1/T≥ 又因為振動攻絲有效切削時間 tc=T1(TT1) ∴ 就有 tc/T＞ 由上面分析可知，當(dāng)且僅當(dāng) tc/T＞ 時，其直流分量才大于零 .因此振動攻絲實驗在選取工藝參數(shù)時，必須要使相對凈切削時間比大于 才具有實際生產(chǎn)意義 . 圖 4 步進(jìn)電機(jī)波形圖 Wave shape of stepping motor 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 15 第二章 內(nèi)凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)的原理與尺度綜合 圖 1所示為內(nèi)凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)簡圖 ,該機(jī)構(gòu)主要由內(nèi)凸輪 1,凸輪擺桿 3,系桿 4 和太陽輪 5 等組成。其內(nèi)凸輪的廓形具有多峰谷和中心對稱的特點；兩個對稱布置的凸輪擺桿 3 能夠使機(jī)構(gòu)實現(xiàn)功率分流傳遞；同一凸輪擺桿 3 上的兩個凸輪滾子 2 同時與內(nèi)凸輪 1 接觸形成幾何封閉，以滿足凸輪擺桿 3 正反向驅(qū)動的要求。當(dāng)分別給內(nèi)凸輪 1和系桿 4 輸入勻速運(yùn)動 1? 、 H? 時，組合機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動規(guī)律為勻速轉(zhuǎn)動與周向擺振的復(fù)合運(yùn)動 。 1 傳動原理分析 自由度 圖 2 為內(nèi)凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)的傳動原理圖。該機(jī)構(gòu)屬平面機(jī)構(gòu)，其活動構(gòu)件數(shù) n＝ 4，低副數(shù) Lp ＝ 4 ，高副數(shù) Hp ＝ 2，故其自由度： F＝ 3n－ 2 Lp － Hp ＝ 3 x 4 2 x 4 2= 2 (1) 可見該內(nèi)凸輪齒輪組合機(jī)構(gòu)為兩自由度機(jī)構(gòu) 主從動構(gòu)件分析 由圖 2 分析可知，由于內(nèi)凸輪副的存在，運(yùn)動和動力的合理傳動路線有兩南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 16 條，如圖 3 所示。那么，主從動件的配置方案亦有兩個：一個是以內(nèi) 凸輪 1 和系桿 4 為主動構(gòu)件， 以太陽輪 5 為從動構(gòu)件；另一個是以內(nèi)凸輪 1 和太陽輪 5為主動構(gòu)件，以系桿 4為從動構(gòu)件。本文以第一個方案為例分析。 傳動原理 設(shè)內(nèi)凸輪 1和系桿 4 為主動件，并分別輸入一個勻速轉(zhuǎn)動 1? 、 H? ，此時凸輪擺桿 3 在繞 G 點擺振的同時還繞 O 點作公轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，該內(nèi)凸輪 — 齒輪組合機(jī)構(gòu)具有 NGW 周轉(zhuǎn)輪系的特性。為了便于分析，給機(jī)構(gòu)附加一個“ H? ”勻速轉(zhuǎn)動，則機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為滾子擺 桿從動件內(nèi)凸輪機(jī)構(gòu)與齒輪機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)。 設(shè)串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)中內(nèi)凸輪 1 的轉(zhuǎn)速為 H1? ，則 H1? 可以表示為： H1? H?? ?? 1 （ 2） 約定內(nèi)凸輪廓線上一個升降周期為凸輪的一個峰谷，并設(shè)內(nèi)凸輪的峰谷數(shù)為 N ，則 凸輪 擺桿 3的擺動頻率（每秒往復(fù)次 數(shù)） f 為： f = ????? 2/)(2/ 11 NN HH ???? （ 3） 設(shè)凸輪副的傳動比為 Htii )(13（ it 為凸輪副的結(jié)構(gòu)參數(shù)），齒輪副的傳動比為 Hzii )(35（ iz 為齒輪的齒數(shù)），則串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件太陽輪 5的角速度 H5? 可表示為： H5? = HH tacH zH tHiii izzii 1)(13)(35)(131 ?? ?????? （ 4） 當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)的傳動比 Htii )(13所決定的擺桿 3的運(yùn)動規(guī)律為簡諧振動，且角速度的振幅為 A? ，則原組合機(jī)構(gòu)輸出構(gòu)件太陽輪 5的絕對角速度 5? 即就是機(jī)構(gòu)的輸出角速度就可以表示為： 5? = H? ??? Aaczz ? )( taSin ? （ 5） 式中： A? 是凸輪副的結(jié)構(gòu)參數(shù) it 和運(yùn)動參數(shù) 1? 、 H? 的函數(shù)； a 是凸輪擺桿 3的振動圓頻率。 ?????? )(2 1 Hfa ??? N （ 6） 綜上，該內(nèi)凸輪 — 齒輪組合機(jī)構(gòu)屬兩自由度平面機(jī)構(gòu)，具有 NGW 周轉(zhuǎn)輪系的運(yùn)動特性。當(dāng)給主動構(gòu)件內(nèi)凸輪 1和系桿 4分別輸入一個勻速轉(zhuǎn)動，則機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動規(guī)律為勻速轉(zhuǎn)動與周向擺振的復(fù)合運(yùn)動。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 17 圖 3 傳 動 路 線 圖 2 凸輪機(jī)構(gòu)綜合 凸輪平衡圓半徑與構(gòu)件長度的關(guān)系 如圖（ 4）所示 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 18 定義：以凸輪轉(zhuǎn)動中心 O 為圓心，以 hrr ba ?? 為半徑的圓為凸輪的平衡圓。 設(shè)凸輪擺桿 3 的半臂長度為 BGL 、 GBL? （ BGL ＝ GBL? ），構(gòu)件角 ?2G ??? BB 機(jī)架長度 為 OGL ，凸輪擺桿 3 的角位移振幅為 A? 。凸輪擺桿 3上的兩個凸輪滾子2 分布在平衡圓周上時 ，所形成的圓心角 ?2O 00 ??? BB ，那么構(gòu)件長度與凸輪南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 19 平衡圓的關(guān)系可描述為： ??? s in/s ins in/0 aGBBG rCBLL ??? ? )ta n/s i n( c o sta n/0 ???? ?????? aOG rCBOCCGOCL （ 7） 由圖（ b）易得凸輪的極半徑差 ： )c o s (2) 222 ABGOGBGOGa llllhr ?? ???????（ ○ 1 )c o s (2)( 222 ABGOGBGOGa llllhr ?? ??????? ○ 2 由 ○ 1 － ○ 2 得 2h=AaAa BGOG rr ll ?? ???? s i n]t a ns i n2)2[ s i n(s i ns i n22 ?????? 凸輪峰谷數(shù) N的確定 由于內(nèi)凸輪廓線 具有軸對稱和中心對稱的要求 ，故峰（谷）數(shù) N必為偶數(shù)。又由于內(nèi)凸輪廓線與擺桿 4 及其上安裝的兩個凸輪滾子具有幾何封閉的要求，所以在凸輪理論廓線上 B? 之間的峰（谷）數(shù)只能為 ?n （ ?n 0、 3 ? ）?？紤]到機(jī)構(gòu)的整體布局，設(shè)平衡 圓 上 B? 曲線弧所對的圓心角為四分之一圓周角即 ?90 ，則內(nèi)凸輪廓線的峰（谷）數(shù) N可表示為： 24 ?? nN ?n 0、 3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 8） 凸輪廓線設(shè)計 由圖 4知， B 點和 B′點的坐標(biāo)可分別表示為： ??????????? ???????? )s i n ()s i n ( )c o s ()c o s (00 ???? ????BCOCBBCOCB LLEBODy LLECDCx ? ? ? ? （ 9a） ?????????????????????)s i n()s i n()c os ()c os (39。039。39。039。39。39。39。????????CBOCBCBOCB LLFBODy LLCFDCx ? ? ? ? ?（ 10a） 將式（ 1）分別代入 上 式，并令 LLLL CBBCOC ???39。，則有： ? ?? ??????? ??? )c o s ()s in ( )s in ()c