南京工程学院毕业设计说明书（论文）
第一章 螺孔振动攻丝的方案及其运动分析
1.概述
随着市场竞争日趋激烈，机械产品对质量的要求越来越高，相应地对螺纹也提出更高的要求.同时新材料不断涌现，也使传统的螺纹加工方法很难满足要求.这就产生了新型的螺纹加工方法即振动攻丝.
2.振动攻丝的原理及特点
振动攻丝是在普通攻丝的基础上，叠加上一个沿螺旋方向振动的切削方法.它把连续的切削运动变成断续的切削运动，将有限的能量集中为脉冲形式释放出
a.工件不动，丝锥既回转又振动；b.工件回转，丝锥振动； 来，从而改善了攻丝的切削性能.c.工件振动，丝锥回转；d.工件既回转又振动，丝锥不动 按照振动与切削主运动的相对运图1 振动攻丝的4种形式 Fig.1 Four kinds of form of vibration tapping 动形式的不同，振动攻丝可分为
4种形式(图1).
上述4种形式中，a和d只有丝锥或工件运动，因此不存在所谓的振动攻丝临界切削速度（振动攻丝临界切削速度v=2πaf，a—振幅，f—振动频率）问题（隈部淳－郎，1979）.而b和c因丝锥和工件二者均有运动，故存在临界切削速度. 3.方案分析
在上述4种形式中，b、c和d工件都有运动，这就使得整个系统结构庞大，故不宜采用.而对于a只有丝锥运动，因而可通过简单机构予以实现. 3.1 方案的类型
3.1.1 切削主动力源和振源合一 本方案只以1个步进电机为动力源,通过控制微机输出有规律的脉冲序列，经功率驱动后输入电机，使其做进多退少的运动,再通过丝杆—螺母副（下文简称靠模）的作用，将旋转运动变成螺旋运动，并把沿圆周方向振动转化为沿螺旋方向振动，从而实现振动攻丝（姜大志，1998）.此方案以功率步进电机为驱动源，把切削主动力源和振源合为一体，从而使系统结构简单、运动精度高且便于控制.但是其切削功率因受到步进电机最大功率的限制，一般只用作小孔加工. 3.1.2 切削主动力源和振源分离 此方案必须使用2个电机，通常1个为普通电机，另1个为步进电机.二者分别做旋转运动和振动，然后通过一定的机械机构（行星轮机构）进行合成，再经靠模作用，就得到振动攻丝所需的运动(尹韶辉，1992；伍世虔，1989).这一方案将切削主动力源和振源分开,综合利用了普通电机具有较大的功率和
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步进电机易于控制的特点.因此它可用于较大螺孔的振动攻丝场合,但因其使用了中间合成机构，使得系统结构庞大，运动精度降低. 3.2 方案特点
上述2种方案中都有一个共同的特点：为了将圆周方向的振动转换为螺旋方向的振动，使用靠模机构.这就给系统带来了以下3个不良的影响：（1）在攻制不同螺距的螺纹时，必需同时更换丝锥和靠模；（2）由于靠模内螺纹副的相互摩擦，不但消耗系统一部分能量，而且因摩檫发热还会影响系统的工作精度；（3）因增加了这一高精度的靠模机构，使得整个系统的制造成本增加. 3.3 本实验方案的确立
由分析可知在上述两方案中使用靠模，其作用有：（1）转换振动方向；（2）在攻丝开始时给丝锥施加一定的预压力以便导入.而实际上，当丝锥的切削部分切入工件后，工件内就有部分螺纹形成.那么这一刚形成的具有未成型牙或成型牙的内螺纹与丝锥的后半部分相互作用，就相当于上述两方案中靠模内的丝杆与螺母.因而可得到这样的结论：省掉攻丝靠模，让丝锥自导，同样也可以满足转换振动方向的要求.但是这一系统在丝锥切入的初期，外界必须施加以一定的预压力，以便丝锥导入（本设计采用手工预压的方法）.
基于上面分析，考虑到本设计的实际情况(攻制M16螺纹),我们研制出了一种新型的振动攻丝实验系统,其特征是振动源和主切削运动均有一个步进电机直接驱动机床主轴完成,主轴系统由扭转传动机构、周向间隙消除机构和主轴的支撑机构等组成.采用一种内凸轮齿轮式主轴激振器该主轴激振驱动器不仅能够使机床主轴实现?0与
?A?sin(a?t)合成运动规律输出，且由
于凸轮副压力角较小而增强了驱动器的动力传递能力，有效地解决了周向振动钻床主轴激振驱动器设计的技术难点，为周向振动钻床的产业化推广提供
了技术保障。
图3 步进电机的运动模型
Fig.3 Movement model of stepping motor 4 振动攻丝运动分析
为了满足振动攻丝要求，步进电机必须做进多退少的运动，现将运动沿圆周方向展开，就可得如图3的运动模型.
假设以O点为零点开始启动电机，电机从O点正转前进mq步(时间为T1)到达A点，然后反转后退mn步(时间为T2) 到达B点；又由B点再正转mq步到达C点，如此循环下去，直到加工完毕.
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现以丝锥中径上的某一点进行运动分析，假设振动攻丝周期为T（T=T1+T2），则在一个周期内该点的位移x(t)为：
..
式中：k=θbmpdo/2；θb—步进电机步距角；mp—步进电机脉冲频率；do—丝锥中径.
其波形图如图4.
将上述周期性振动，利用傅立叶级数展开可得x(t)的频谱为： x(t)=(k/2T)(2T21-T2)+2k/w ［2cos(nwT1/2-arctg1/nπ).sin nw(t-T1/2)-tc/T.sin nw(tc-T1)］
由x(t)的频谱可知，施加给丝锥的外激励x(t)，它具有直流分量和交流分量两部分.其直流分量相当于给丝锥提供匀速运动的量，显然它直接影响振动攻丝生产率.而其交流分量则是由一系列简谐振动的合成.根据简谐振动合成的周期性条件（屈维德,1992） 其结果仍然保持周期性.通过上面的频谱分析，可知丝锥进多退少的运动是由匀速旋转运动和有规律振动的叠加.这就从理论上证明了“进多退少”这一种运动方式，能够满足振动攻丝的要求.因此，只要通过合理地选择振动攻丝的工艺参数，就可以获得最佳振动攻丝效果.
由上述分析可知x(t)的直流分量，直接影响振动攻丝的生产率，所以为了使振动攻丝具有一定的生产实际意义，则就要求其直流分量(k/2T)(2T21-T2)≥0
图4 步进电机波形图 即可得： Fig.4 Wave shape of stepping motor ..2
kT/2(2(T1/T)-1)≥0 ∵k.T/2＞0
∴2(T1/T)2-1≥0 即可得：T1/T≥0.71
又因为振动攻丝有效切削时间tc=T1-(T-T1) ∴ 就有tc/T＞0.42 由上面分析可知，当且仅当tc/T＞0.42时，其直流分量才大于零.因此振动攻丝实验在选取工艺参数时，必须要使相对净切削时间比大于0.42才具有实际生产意义.
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第二章 内凸轮齿轮组合机构的原理与尺度综合
图1所示为内凸轮齿轮组合机构简图,该机构主要由内凸轮1,凸轮摆杆3,系杆4和太阳轮5等组成。其内凸轮的廓形具有多峰谷和中心对称的特点；两个对称布置的凸轮摆杆3能够使机构实现功率分流传递；同一凸轮摆杆3上的两个凸轮滚子2同时与内凸轮1接触形成几何封闭，以满足凸轮摆杆3正反向驱
动的要求。当分别给内凸轮1和系杆4输入匀速运动?1、?H时，组合机构的输出运动规律为匀速转动与周向摆振的复合运动。
1 传动原理分析
1.1 自由度
图2为内凸轮齿轮组合机构的传动原理图。该机构属平面机构，其活动构件数n＝4，低副数pL＝ 4 ，高副数pH＝2，故其自由度：
F＝3n－2pL－pH＝3 x 4- 2 x 4- 2= 2 (1) 可见该内凸轮齿轮组合机构为两自由度机构 1.2主从动构件分析
由图2分析可知，由于内凸轮副的存在，运动和动力的合理传动路线有两
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