本發(fā)明涉及一種高速插齒機(jī)主運動慣性力自動全平衡設(shè)計方法，特別涉及高速插齒機(jī)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)不同曲柄偏心長度時實現(xiàn)全自動慣性力平衡的方法，屬于插齒機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電動工具行業(yè)以及汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，小齒寬的齒輪零件需求迅猛增長，這類零件特別適合在插齒機(jī)床上大批量生產(chǎn)，為了降低成本和提高生產(chǎn)效率，高速插齒機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。目前國內(nèi)插齒機(jī)實際高速運用中零件精度達(dá)不到要求且機(jī)床極不穩(wěn)定，與國外機(jī)床還有一定的差距，以致國內(nèi)插齒機(jī)滑塊每分鐘的行程次速不高，效率低下，滿足不了廠家對插齒機(jī)高效、高穩(wěn)定、高精度的要求，長期依靠進(jìn)口國外高速插齒機(jī)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種高速插齒機(jī)主運動慣性力自動全平衡設(shè)計方法，在分析高速插齒機(jī)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，獲得曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力計算公式，進(jìn)而建立曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)全平衡設(shè)計方法，按此方法來設(shè)計高速插齒機(jī)主運動平衡裝置，以實現(xiàn)高速插齒機(jī)慣性力的自動平衡。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：高速插齒機(jī)主運動慣性力自動全平衡設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：通過對對心正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，建立該機(jī)構(gòu)滑塊的位移S、速度V和加速度α₃的數(shù)學(xué)模型，分別為：

α₃＝Rω²(cosα+λcos2α) (3)

式中：λ＝R/L；R為曲柄長度；ω為曲柄等速旋轉(zhuǎn)角速度；α為轉(zhuǎn)角；L為連桿長度；

步驟二：根據(jù)使慣性力保持不變的質(zhì)量靜代換法將曲柄的質(zhì)量M₁用集中于曲柄中心的O點和連桿的末端A點的兩個集中質(zhì)量M_o1、M_A1代替；連桿的質(zhì)量M₂用集中于連桿的末端A點和連桿的另一末端B點的兩個集中質(zhì)量M_A2、M_B2代替；

步驟三：建立曲柄、連桿、滑塊構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力表達(dá)式，曲柄定軸旋轉(zhuǎn)只存在沿徑向的向心慣性力F_A，滑塊作平面運動，故其慣性力為F_B，即：

F_A＝m_ARω² (4)

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α) (5)

由于往復(fù)質(zhì)量的二階慣性力是無法平衡的，同時插齒機(jī)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的主運動中λ值小于0.1，為計算方便暫不考慮，將其忽略，則：

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α)≈m_BRω²cosα (6)

步驟四：通過在曲柄的反方向增加質(zhì)量塊以及增加兩個平衡軸實現(xiàn)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力的全平衡；

步驟五：通過平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加偏心軸以及平衡質(zhì)量塊調(diào)整機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)曲柄不同偏心時均實現(xiàn)自動平衡。

所述步驟二中質(zhì)量靜代換方法具體為：

M_o1＝M₁(R-R_c)/R (7)

M_A1＝M₁R_c/R (8)

M_A2＝M₂L_c/L (9)

M_B2＝M₂(L-L_c)/L (10)

式中：R_c為曲柄質(zhì)心距離中心O的距離；L_c為連桿質(zhì)量中心到連桿的另一末端B點長度；

此機(jī)構(gòu)經(jīng)過質(zhì)量替換后只存在O點、A點和B點三個集中質(zhì)量m_o、m_A和m_B，即：

m_o＝M_o1＝M₁(R-R_c)/R (11)

m_A＝M_A1+M_A2＝M₁R_c/R+M₂L_c/L (12)

m_B＝M₃+M_B2＝M₃+M₂(L-L_c)/L (13)

式中：M₃為滑塊的質(zhì)量；

所述步驟四中具體步驟為：

(1)在曲柄反方向距離曲柄中心為R的位置增加一個質(zhì)量為m_AA的質(zhì)量塊，使m_AA＝m_A，則：

F_AA＝-m_AARω² (14)

由于F_AA和F_A大小相等，方向相反，所以F_A被完全平衡；

(2)在曲柄的同一平面內(nèi)增加兩個平衡軸，兩個平衡軸與曲柄旋轉(zhuǎn)速度相等，旋轉(zhuǎn)方向相反，在兩個平衡軸上且在曲柄的中心平面內(nèi)增加兩個質(zhì)量塊m_BB，質(zhì)量塊相對軸中心的距離為R，則兩個質(zhì)量塊在F_B方向上產(chǎn)生的慣性力為：

F_BB＝-m_BBRω²cosα (15)

為了平衡F_B方向上的慣性力，F(xiàn)_B＝-2F_BB，則：

m_BRω²cosα＝2m_BBRω²cosα (16)

由于兩個平衡軸上增加的兩個質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)方向相反，兩個質(zhì)量塊在A方向上的慣性力相互抵消，所以只需在平衡軸上增加兩個m_BB＝0.5m_B的質(zhì)量塊就可以完全平衡掉F_B，由此，曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在F_A、F_B兩個方向的慣性力均被平衡掉，實現(xiàn)了慣性力全平衡。

所述步驟五中調(diào)整機(jī)構(gòu)包括曲柄偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)、平衡軸一偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)和平衡軸二偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)；所述曲柄偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)包括曲柄，曲柄軸上安裝有第一齒輪和第二齒輪，所述曲柄上安裝有第二傳動絲桿，所述第二傳動絲桿與偏心調(diào)整塊構(gòu)成絲桿傳動配合，偏心調(diào)整塊的兩端面加工有齒條結(jié)構(gòu)，所述齒條結(jié)構(gòu)分別與第一傳動齒輪和第二傳動齒輪構(gòu)成齒輪齒條傳動，所述第一傳動齒輪和第一平衡質(zhì)量塊上的齒條構(gòu)成齒輪傳動，所述第二傳動齒輪和第二平衡質(zhì)量塊上的齒條構(gòu)成齒輪傳動；所述平衡軸一偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)和平衡軸二偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)上分別安裝有第一傳動絲桿和第三傳動絲桿，所述第一傳動絲桿和第三傳動絲桿上都分別通過絲桿傳動配合安裝有平衡質(zhì)量塊。

本發(fā)明與常規(guī)管式泵相比具備了以下有益效果：

提供一種高速插齒機(jī)主運動慣性力自動全平衡設(shè)計方法，在分析高速插齒機(jī)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，獲得曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力計算公式，進(jìn)而建立曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)全平衡設(shè)計方法，按此方法來設(shè)計高速插齒機(jī)主運動平衡裝置，以實現(xiàn)高速插齒機(jī)慣性力的自動平衡，滿足了廠家對插齒機(jī)高效、高穩(wěn)定、高精度的要求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為曲柄連桿滑塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為曲柄連桿滑塊全平衡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為曲柄連桿滑塊全平衡自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：第一齒輪1、第一平衡軸齒輪2、第二齒輪3、過渡軸齒輪4、第二平衡軸齒輪5、第一傳動絲桿6、第二傳動絲桿7、第三傳動絲桿8、曲柄偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)9、平衡軸一偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)10、平衡軸二偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)11、第一傳動齒輪12、第二傳動齒輪13、第一平衡質(zhì)量塊14、第二平衡質(zhì)量塊15、偏心調(diào)整塊16、平衡質(zhì)量塊17。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做進(jìn)一步的說明。

如圖1-3，高速插齒機(jī)主運動慣性力自動全平衡設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一：通過對對心正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，建立該機(jī)構(gòu)滑塊的位移S、速度V和加速度α₃的數(shù)學(xué)模型，分別為：

α₃＝Rω²(cosα+λcos2α) (3)

式中：λ＝R/L；R為曲柄長度；ω為曲柄等速旋轉(zhuǎn)角速度；α為轉(zhuǎn)角；L為連桿長度。

步驟二：根據(jù)使慣性力保持不變的質(zhì)量靜代換法將曲柄的質(zhì)量M₁用集中于曲柄中心的O點和連桿的末端A點的兩個集中質(zhì)量M_o1、M_A1代替；連桿的質(zhì)量M₂用集中于連桿的末端A點和連桿的另一末端B點的兩個集中質(zhì)量M_A2、M_B2代替，如圖1；

質(zhì)量靜代換方法具體為：

M_o1＝M₁(R-R_c)/R (4)

M_A1＝M₁R_c/R (5)

M_A2＝M₂L_c/L (6)

M_B2＝M₂(L-L_c)/L (7)

式中：R_c為曲柄質(zhì)心距離中心O的距離；L_c為連桿質(zhì)量中心到連桿的另一末端B點長度；

此機(jī)構(gòu)經(jīng)過質(zhì)量替換后只存在O點、A點和B點三個集中質(zhì)量m_o、m_A和m_B，即：

m_o＝M_o1＝M₁(R-R_c)/R (8)

m_A＝M_A1+M_A2＝M₁R_c/R+M₂L_c/L (9)

m_B＝M₃+M_B2＝M₃+M₂(L-L_c)/L (10)

式中：M₃為滑塊的質(zhì)量；

步驟三：建立曲柄、連桿、滑塊構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力表達(dá)式，曲柄定軸旋轉(zhuǎn)只存在沿徑向的向心慣性力F_A，滑塊作平面運動，故其慣性力為F_B，如圖2，即：

F_A＝m_ARω² (11)

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α) (12)

由于往復(fù)質(zhì)量的二階慣性力是無法平衡的，同時插齒機(jī)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的主運動中λ值小于0.1，為計算方便暫不考慮，將其忽略，則：

F_B＝m_BRω²(cosα+λcos2α)≈m_BRω²cosα (13)

步驟四：通過在曲柄的反方向增加質(zhì)量塊以及增加兩個平衡軸實現(xiàn)曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力的全平衡；

(1)在曲柄反方向距離曲柄中心為R的位置增加一個質(zhì)量為m_AA的質(zhì)量塊，使m_AA＝m_A，則：

F_AA＝-m_AARω² (14)

由于F_AA和F_A大小相等，方向相反，所以F_A被完全平衡；

(2)在曲柄的同一平面內(nèi)增加兩個平衡軸，兩個平衡軸與曲柄旋轉(zhuǎn)速度相等，旋轉(zhuǎn)方向相反，在兩個平衡軸上且在曲柄的中心平面內(nèi)增加兩個質(zhì)量塊m_BB，質(zhì)量塊相對軸中心的距離為R，則兩個質(zhì)量塊在F_B方向上產(chǎn)生的慣性力為：

F_BB＝-m_BBRω²cosα (15)

為了平衡F_B方向上的慣性力，F(xiàn)_B＝-2F_BB，則：

m_BRω²cosα＝2m_BBRω²cosα (16)

由于兩個平衡軸上增加的兩個質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)方向相反，兩個質(zhì)量塊在A方向上的慣性力相互抵消，所以只需在平衡軸上增加兩個m_BB＝0.5m_B的質(zhì)量塊就可以完全平衡掉F_B，由此，曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在F_A、F_B兩個方向的慣性力均被平衡掉，實現(xiàn)了慣性力全平衡。

以上可以看出，曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)在F_A、F_B兩個方向的慣性力均被平衡掉，實現(xiàn)了慣性力全平衡。

步驟五：通過平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加偏心軸以及平衡質(zhì)量塊調(diào)整機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)曲柄不同偏心時均實現(xiàn)自動平衡，如圖3。

調(diào)整機(jī)構(gòu)包括曲柄偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)9、平衡軸一偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)10和平衡軸二偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)11；

所述曲柄偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)9包括曲柄，曲柄軸上安裝有第一齒輪1和第二齒輪3，所述曲柄上安裝有第二傳動絲桿7，所述第二傳動絲桿7與偏心調(diào)整塊16構(gòu)成絲桿傳動配合，使偏心調(diào)整塊16可以在第二傳動絲桿7帶動下上下移動實現(xiàn)機(jī)構(gòu)質(zhì)心A點偏心距R可調(diào)，A點的等效質(zhì)量為m_A，偏心調(diào)整塊16的兩端面加工有齒條結(jié)構(gòu)，所述齒條結(jié)構(gòu)分別與第一傳動齒輪12和第二傳動齒輪13構(gòu)成齒輪齒條傳動，所述第一傳動齒輪12和第一平衡質(zhì)量塊14上的齒條構(gòu)成齒輪傳動，所述第二傳動齒輪13和第二平衡質(zhì)量塊15上的齒條構(gòu)成齒輪傳動；第一傳動齒輪12和第二傳動齒輪13帶動第一平衡質(zhì)量塊14和第二平衡質(zhì)量塊15上的齒條沿著與偏心調(diào)整塊16相反的方向同步移動R，第一平衡質(zhì)量塊14和第二平衡質(zhì)量塊15等效到AA點的質(zhì)量為m_AA，這樣實現(xiàn)了A方向上慣性力自動平衡。

所述平衡軸一偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)10和平衡軸二偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)11上分別安裝有第一傳動絲桿6和第三傳動絲桿8，所述第一傳動絲桿6和第三傳動絲桿8上都分別通過絲桿傳動配合安裝有平衡質(zhì)量塊17。分別通過第一傳動絲桿6和第三傳動絲桿8帶動兩個平衡質(zhì)量塊m_BB與第二傳動絲桿7相反的方向移動，使其m_BB的質(zhì)心移動距離R，其中一傳動絲桿6、第二傳動絲桿7和第三傳動絲桿8均由伺服電機(jī)驅(qū)動，可以保證兩個平衡質(zhì)量塊m_BB與偏心調(diào)整塊16移動相同距離R。這樣實現(xiàn)了B方向上慣性力的平衡，達(dá)到曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)慣性力自動全平衡的目的。

曲柄連桿滑塊慣性力自動全平衡設(shè)計要點：

1、增加的平衡塊質(zhì)心與曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)等效質(zhì)心的運動必需在同一個平面內(nèi)，避免引起額外的旋轉(zhuǎn)力矩。

2、平衡軸一、平衡軸二必需與曲柄同步旋轉(zhuǎn)，且平衡軸一、平衡軸二旋轉(zhuǎn)方向相反。

3、平衡軸一與平衡軸二軸心平行，且軸心連接平面必需與滑塊移動方向垂直，并相對FB成中心對稱，避免引起額外的旋轉(zhuǎn)力矩。

4、平衡質(zhì)量塊m_AA一定布置在質(zhì)點A移動的反方向上，且距離中心與A點距離中心O的距離一致，兩個平衡質(zhì)量塊m_BB分別布置在兩個平衡軸上且方向與平衡質(zhì)量塊m_AA移動方向一致，距離與各自旋轉(zhuǎn)中心距離與平衡質(zhì)量塊m_AA偏心的距離相等，保證兩個平衡質(zhì)量塊m_BB在A方向上慣性力相互抵消，在B方向上的合力與F_B抵消。

5、為方便實現(xiàn)自動平衡，平衡質(zhì)量塊m_AA分解為兩個質(zhì)量相等、形狀一樣的第一平衡質(zhì)量塊14和第二平衡質(zhì)量塊15，并保持剛性連接且兩質(zhì)量塊質(zhì)心一定在質(zhì)點A移動的反方向上并保護(hù)與中心的距離和質(zhì)點A到中心距離R一致。

通過上述的說明內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的未盡事宜，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。