CN101629621A - 一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的旋转与步进式扭转振动复合运动机构，包括轴A、转筒、主轴、摆杆、与转筒中轴线平行的轴B；轴A和主轴分别位于转筒的上下侧且同时位于转筒的中轴线上；轴A一端与第一带轮固定连接，另一端与转筒固定连接；第一带轮和转筒之间的轴A上还空套有第二带轮和齿轮A；齿轮A外啮合有齿轮B；轴B的一端与齿轮B固定连接，另一端固定连接有双偏心凸轮。本发明的复合运动机构，传动简单，结构紧凑，构件数量少，易于实现大速比、速度与扭转振动频率可调，且扭振的振幅调整方便。

Description

一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构

技术领域

本发明属于机构学传动技术领域，涉及一种旋转与步进式扭转振动复合的运动机构。

背景技术

目前，在机械传动领域中，实现旋转和扭转振动复合的方法大致可分为以下三种：

(1)基于偏心槽轮机构的单动力源机械式运动合成方法：这种方法采用单一动力源，通过两条运动链将一个旋转运动分成两条支路，分别实现复合运动所需的低速旋转和高速旋转运动，然后通过一个运动合成机构，将这两个运动合成为低速公转和高速自转复合的运动形式，最后通过一个偏心槽轮输出机构，将复合运动转化成低速旋转和高频扭转振动复合的运动形式输出。如《振转主轴箱》专利(专利号ZL85104259，公开号CN85104259、公开日1986年12月3日)公开的一种三角凸轮振转主轴箱。再如《钻与振铰主轴箱》专利(专利号ZL86106470、公开号为CN86106470、公开日为1987年5月6日)公开的一种采用两套转轴轮系传动路线的钻与振铰主轴箱，即采用这种传动方案。

(2)行星式传动运动合成机构：这种机构采用行星式传动原理，直接将单一的旋转运动转化为行星轮的低速公转和高速自转复合运动，然后通过一个偏心槽轮输出机构，将复合运动转化成低速旋转和高频扭转振动复合的运动形式输出。如在本发明以前的现有技术中，印度学者公布的振动攻丝附件即采用这种机构[International Journal of Machine toolsand Manufacture(国际机床与制造杂志)1987.27.(3)：343-340]。

(3)基于少齿差传动机构的运动合成方法：这种方式采用一个动力源，通过偏心轴带动少齿差传动机构中的小齿轮做公转和自转运动，再通过该小齿轮上偏心拨叉销带动拨叉槽做变速回转运动，从而将少齿差传动中的小齿轮的低速公转运动与高速自转运动合成。如《一种基于少齿差传动的旋转与扭振复合运动机构》专利(专利号ZL200410073523.5、公开号为CN1632347、公开日为2005年6月29日)公开的一种基于少齿差传动的旋转与扭振复合运动机构。

上述三种旋转和扭转振动复合运动实现方法各自特点与不足之处分别为：

(1)单动力传动原理是由一个动力源通过两条传动链分别实现所需的低速旋转和高速旋转运动，然后再将两个运动进行合成，最后由偏心槽轮输出机构实现旋转和扭转振动复合运动的输出，这种方法的特点是可实现低速回转与高频扭振的合成，缺点是传动链长，结构复杂，体积大，合成机构装配和制造结构工艺性差，而且低速旋转与产生扭转振动的高速传动链之间速比由齿轮齿数确定，难以调整。

(2)行星式运动合成机构省略了两条传动链和合成机构，直接通过行星传动将自转和公转合成到行星轮上，结构复杂性得到大大简化，但低速回转与高频扭振的速比受到很大限制，因此这种机构在生产中应用较少。

(3)基于少齿差传动的运动合成机构采用一个动力源，机构简单，但小齿轮的公转与自转速度关系是由结构确定的，难以改变；拨叉销与拨叉槽之间的磨损较大；拨叉销的偏心距离调整困难；另外该机构采用了内齿轮传动，制造成本高。故在实际应用中还存在一定困难。

可以看出，现有的旋转和扭转振动复合运动在机构实现方面还存在许多问题，从而使得需要该运动的振动攻丝、铰孔、钻削及磨削等先进的振动切削工艺在生产中难以得到有效的推广应用。另外，现有的旋转和扭转振动复合运动机构主要实现的是往复式扭转振动。

发明内容

针对上述旋转和扭振复合运动实现过程中存在的问题，本发明的目的在于提供一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构，其传动简单，结构紧凑，构件数量少，易于实现大速比、速度与扭转振动频率可调，且扭振的振幅调整方便。

本发明采用的技术方案为：一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构，包括轴A、转筒、主轴、与主轴呈垂直固定连接的摆杆、和穿过转筒且与转筒中轴线呈平行设置的轴B；轴A和主轴分别位于转筒的上下侧且同时位于转筒的中轴线上；轴A一端与第一带轮固定连接，另一端与转筒固定连接；第一带轮和转筒之间的轴A上还空套有第二带轮和齿轮A，第二带轮和齿轮A同轴固定连接；齿轮A外啮合有齿轮B；轴B的一端与齿轮B固定连接，另一端固定连接有双偏心凸轮；摆杆的一端与主轴垂直固定连接，另一端与双偏心凸轮相连接。

其中的双偏心凸轮由外偏心轮和内偏心轮组成。

本发明的复合运动机构与现有技术相比的优点为：

(1)传动关系简单、明了，低速转动与扭转振动频率可任意调整，且控制简单，不受结构限制。

(2)扭转振动频率可以实时调整，容易实现大速比的低速回转与高频扭转振动，很好满足了振动切削技术的要求。

(3)整个机构结构紧凑，没有内齿轮传动，装配和制造工艺性较好。

(4)现有扭振机构角振幅的调整多数需要通过更换不同偏心量的偏心拨叉来实现，而本发明的扭振机构通过改变双偏心轮的相对位置，很容易实现扭转振动角振幅的调整。

(5)与以往的往复扭转振动不同，本发明实现的是单向扭转振动，即步进式扭转振动，这是一种新型的振动切削方式，可广泛用于振动攻丝，铰孔、振动钻削及其他工程领域。

附图说明

图1是本发明复合运动机构的结构示意图；

图2是本发明复合运动机构中双偏心凸轮驱动机构放大图；

图3本发明复合运动机构中双偏心凸轮的偏心调整原理图，其中，a是内外偏心轮的偏心方向一致时的偏心调整图，b是内外偏心轮的偏心距为0＜δ＜2e的偏心调整图，c是内外偏心轮的偏心方向相反时的偏心调整图；

图4是普通切削和往复式振动切削方式下的主轴上任一点随时间变化的角位移曲线；

图5是步进式扭转振动切削方式下的主轴上任一点随时间变化的角位移曲线；

图6是本发明机构在台式钻床上应用于振动攻丝和铰孔的方案示意图。

图中，1.第一带轮，2.第二带轮，3.齿轮B，4.转筒，5.主轴，6.轴B，7.双偏心凸轮，8.摆杆，9.轴A，10.齿轮A，71.外偏心轮，72.内偏心轮，11.机床低速动力源，12.机床高速动力源，13.主轴箱，14.机床立柱，15.机床工作台。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明提供一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构，包括轴A9、转筒4、主轴5、与主轴5呈垂直固定连接的摆杆8、和穿过转筒4且与转筒4中轴线呈平行设置的轴B6。轴A9和主轴5分别位于转筒4的上下侧且同时位于转筒4的中轴线上；轴A9一端与第一带轮1固定连接，另一端与转筒4固定连接；第一带轮1和转筒4之间的轴A9上还空套有第二带轮2和齿轮A10，第二带轮2和齿轮A10同轴固定连接；齿轮A10外啮合有齿轮B3；轴B6的一端与齿轮B3固定连接，另一端固定连接有双偏心凸轮7；摆杆8的一端与主轴5呈垂直固定连接，另一端与双偏心凸轮7相连接。第一带轮1和第二带轮2分别由第一电机和第二电机独立控制，实现大速比的高低速运动复合。

本发明采用的旋转与步进式扭转振动复合运动工作原理为：本机构采用两条传动路线：其一是，第一电机带动第一带轮1以n₁的转速转动，第一带轮1的转动通过轴A9带动转筒4的转动，转筒4的转动带动轴B6围绕主轴5转动，轴B6的公转带动摆杆8围绕着主轴5转动，摆杆8再带动主轴5旋转，实现主轴5的低速回转运动；其二是，第二电机带动第二带轮2以n₂的转速转动，第二带轮2直接带动齿轮A10的转动，齿轮A10再通过齿轮B3带动轴B6自转，轴B6的自转带动双偏心凸轮7实现高速转动，双偏心凸轮7再通过摆杆8带动主轴5实现高频步进式扭转振动运动。这样，主轴5上既有低速回转运动，也有高频步进式扭转振动运动，从而实现了低速回转与高频步进式扭转振动运动的合成。

扭转振动频率可以通过下式计算：

$f=\frac{|n_1\±n_2|}{60}$

式中，带轮1的转速为n₁；带轮2的转速为n₂；当带轮2与带轮1转向相同时，取“-”号；当带轮2与带轮1转向相反时，取“+”号。当带轮1与带轮2以相同速度n₁做同向旋转时，将不产生扭转振动。

如图2所示，双偏心凸轮7机构实现步进式扭转振动，其扭振幅值可通过该双偏心凸轮机构来调整。轴B6的一端设置在双偏心凸轮7上，另一端与齿轮B3连接，第二带轮2的运动传到轴B6，使轴B6自转，然后带动双偏心凸轮7旋转，从而带动摆杆8围绕主轴5产生步进式扭转振动，摆杆8与主轴5呈垂直固定连接。

如图3所示，双偏心凸轮7由外偏心轮71和内偏心轮72两部分组成，通过调整这两个偏心轮的相互位置来改变偏心距的大小，从而调整摆杆8的扭转振动幅值大小。其中外偏心轮71的回转中心为O₁，外偏心轮71的几何中心为O，其偏心为OO₁＝e；内偏心轮72的回转中心为O₂，内偏心轮72的几何中心为O₁，其偏心为O₁O₂＝e；双偏心凸轮7的偏心δ＝OO₂。如图3a，当这两个偏心轮的偏心方向一致时，双偏心凸轮7的最大偏心δ为2e。如图3c，当这两个偏心方向相反时，双偏心凸轮7的偏心δ最小为0。如图3b，双偏心凸轮7的偏心为0＜δ＜2e。因此双偏心凸轮7的偏心δ调整范围为0～2e，主轴5的扭转振动角幅值的调整范围为0～2e/L，其中L为主轴5中心与轴B6中心之间的水平距离，如图2。当双偏心凸轮7旋转一周，通过偏心推动杆8摆动一次，实现主轴5的步进式扭转振动一次。

图4为普通切削和往复式振动切方式下的主轴5上一点随时间变化的角位移曲线：普通切削时，为一条斜直线；往复式振动切削时，为围绕直线上下波动的曲线。图5为步进式扭转振动切削时主轴5上一点随时间变化的角位移曲线，呈周期性的“进给-停止-进给-停止-…”曲线，这就是步进式扭转振动位移曲线。

普通的攻丝和铰孔工艺为安装在主轴上的丝锥或绞刀只进行低速回转运动，切削速度低，加工过程中切削扭矩大，刀具寿命短，切削液润滑效果差，攻制螺纹和铰孔精度较低。振动攻丝和铰孔是在传统攻丝和铰孔方法的基础上，人为地给丝锥或铰刀施加有规律的扭转振动，形成脉冲式间断切削，从而提高丝锥或铰刀瞬时切削速度，达到降低切削力、提高切削液润滑效果、改善加工表面质量。

将本发明机构应用于振动攻丝和铰孔台式钻床的主轴箱13结构中，参见图6，本发明在普通台式钻床的基础上，采用两个动力：机床低速动力源11和机床高速动力源12，机床低速动力源11和机床高速动力源12分别与第一带轮1和第二带轮2相连接，驱动其转动，通过机床主轴箱13内设置的本发明的运动机构，将旋转与步进式扭转振动运动复合，其他部分如台式钻床的机床立柱14和台式钻床的机床工作台15不做任何变动，即可使主轴获得旋转和步进式扭转振动复合运动，从而实现振动攻丝、铰孔、钻孔等功能。

Claims (2)

1.一种旋转与步进式扭转振动复合运动机构，其特征在于：包括轴A(9)、转筒(4)、主轴(5)、与主轴(5)呈垂直固定连接的摆杆(8)、和穿过转筒(4)且与转筒(4)中轴线呈平行设置的轴B(6)；所述的轴A(9)和主轴(5)分别位于转筒(4)的上下侧且同时位于转筒(4)的中轴线上；

所述的轴A(9)一端与第一带轮(1)固定连接，另一端与转筒(4)固定连接；第一带轮(1)和转筒(4)之间的轴A(9)上还空套有第二带轮(2)和齿轮A(10)，所述的第二带轮(2)和齿轮A(10)同轴固定连接；齿轮A(10)与齿轮B(3)相啮合；所述轴B(6)的一端与齿轮B(3)固定连接，另一端固定连接有双偏心凸轮(7)；所述摆杆(8)的一端与主轴(5)垂直固定连接，另一端与双偏心凸轮(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的复合运动机构，其特征在于：所述的双偏心凸轮(7)由外偏心轮(71)和内偏心轮(72)组成。

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