CN101480782A

CN101480782A - 一种基于万向工作头的多功能数控机床

Info

Publication number: CN101480782A
Application number: CNA2009100101995A
Authority: CN
Inventors: 邹平
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: CN101480782B

Abstract

一种基于万向工作头的多功能数控机床，属于数控机床技术领域，包括有床身、十字滑台、电机、立柱、砂轮头和刀具夹头装置，十字滑台上安装一个万向工作头，万向工作头包括刀具夹头、万向节外环、万向节内环、钢球、位姿环、主轴、基座、球铰、驱动轴I和驱动轴II，刀具夹头固定在万向节外环输出端，万向节外环与万向节内环连接，万向节内环与主轴连接，主轴与主轴电机连接，两个驱动轴分别通过球铰与位姿环相连，位姿环与万向节外环相连；万向工作头用于数控钻床或铣床时，将钻床或铣床的立柱及其上的电机和砂轮卸去，在万向工作头刀具夹头上装上钻头或铣刀，机械结构简单，构思新颖，控制方便，并且可实现带角度的钻削或铣削。

Description

一种基于万向工作头的多功能数控机床

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，特别涉及一种可对麻花钻和铣刀进行修磨、可进行钻削和铣削的一种基于特殊万向工作头的多功能数控机床。

背景技术

近些年来，由于材料科学的发展使许多高强度金属材料和复合材料等不断地应用于制造业中，同时由于高速加工技术的发展和数控加工中心的广泛应用，对钻削和铣削加工提出了更高的技术要求。以钻削为例，如由于普通麻花钻横刃前角为负值(—60°～—54°)，钻削时横刃处发生严重的挤压而造成很大的轴向力。通常，横刃的轴向力约占全部轴向力的1/2以上。另外，普通麻花钻的定心性很差，这对自动定心要求很高的数控钻床和加工中心来说是及其不利的。因此普通麻花钻和磨损后的麻花钻经常需要进行钻头尖的修磨。目前在我国生产部门中，钻头尖的修磨主要由人工来完成，很难保证钻头的修磨质量。对于数控机床和加工中心所需的自动定位和钻孔精度要求很高的钻头尖的修磨只能采用数控的刀具磨床。但是，数控刀具磨床(包括数控钻尖刃磨机)的价格昂贵，一般都要30万美元以上，国内的一般生产部门难以承受。另外，传统数控刀具磨床机床上刀具的摆动运动通常靠蜗轮蜗杆机构来完成，但是高精度的蜗轮蜗杆的加工成本很高且装配精度不易保证。

其次，普通数控钻床或数控铣床只能对工件完成水平或垂直的钻削或铣削，要想对工件实现带有倾斜角的加工必须靠夹具的配合，增加了生产成本、延长了生产周期。

最后，要想对工件实现曲面的铣削加工必须在数控加工中心上靠多轴联动来完成，而数控加工中心价格昂贵，生产成本很高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的加工成本高、难于达到高精度要求的问题，本发明提出一种结构简单、实时控制容易、性能价格比高，可对钻头和铣刀等刀具进行修磨，可做为多轴数控钻床或铣床使用，并且可实现对工件带有倾斜角的加工，可对工件完成曲面铣削的一种基于特殊万向工作头的多功能数控机床

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于万向工作头的多功能数控机床，包括有床身、十字滑台、电机、立柱、砂轮头和刀具夹头装置，十字滑台上安装一个万向工作头，万向工作头包括刀具夹头、万向节外环、万向节内环、钢球、位姿环、主轴、基座、球铰、驱动轴I和驱动轴II，刀具夹头固定在万向节外环输出端，万向节外环与万向节内环靠二个转动副形成转动连接，万向节内环与主轴通过一个转动销形成转动连接，这样刀具夹头、万向节外环、内环和主轴就组成一个十字万向节，主轴与主轴电机连接，两个驱动轴分别通过球铰与位姿环相连，驱动轴与驱动轴电机连接，位姿环通过钢球与万向节外环相连，一方面通过驱动轴I和驱动轴II可带动位姿环，从而可使与万向节外环相连的刀具夹头实现空间的各种位姿；另一方面，主轴通过万向节带动刀具夹头实现转动，并且起到支撑和限制刀具夹头轴向运动的作用。所述的位姿环上的限位块放在限位槽中起限位作用，防止位姿环进行偏摆时沿自身轴向转动。

一种基于万向工作头的数控钻床，将数控钻床的立柱及其上的电机和砂轮卸去，十字滑台上安装一个万向工作头，在万向工作头刀具夹头上装上钻头。

一种基于万向工作头的数控铣床，将数控铣床的立柱及其上的电机和砂轮卸去，十字滑台上安装一个万向工作头，在万向工作头的刀具夹头上装上铣刀。

本发明的有益效果是：由于其万向工作头的摆动机构由万向节和并联杆机构组成，所以使机床既可靠主轴传递扭矩又可靠两个并联的驱动轴的驱动使刀具获得精确的空间位姿；另外机械结构简单，构思新颖，控制方便，并且可实现带角度的钻削或铣削，刚度增大，数控编程容易，生产成本降低，具有极大的产业化发展前景。

附图说明

图1为基于万向工作头的多功能数控机床的结构示意图；

图2为万向工作头的结构示意图；

图中：1工作台，2立柱，3砂轮电机，4砂轮，5刀具夹头，6万向节外环，7万向节内环，8钢球，9位姿环，10主轴，11基座，12驱动轴I，13驱动轴II，14虎克铰，15球铰，16限位块，17限位槽，18万向工作头，19驱动轴I电机，20主轴电机，21驱动轴II电机，22Y向导轨，23Y向电机，24X向电机，25X向导轨。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、2所示，为万向工作头的结构示意图，一种基于万向工作头的多功能数控机床，包括有床身、十字滑台、电机、立柱2、砂轮头和刀具夹头装置，十字滑台上安装一个万向工作头，万向工作头包括刀具夹头5、万向节外环6、万向节内环7、钢球8、位姿环9、主轴10、基座11、球铰15、驱动轴I12和驱动轴II13，刀具夹头5固定在万向节外环6输出端，万向节外环6与万向节内环7靠二个转动副形成转动连接，万向节内环7与主轴10通过一个转动销形成转动连接，主轴10与主轴电机20连接，驱动轴I12和驱动轴II13分别通过球铰15与位姿环9相连，驱动轴I12和驱动轴II13分别与驱动轴电机连接，位姿环9通过钢球8与万向节外环6相连。

实施例1：

数控钻头刃磨机床要实现钻头尖的刃磨，要同时实现刃磨钻头尖所需的运动。以螺旋面钻头尖的刃磨为例，要同时实现刃磨螺旋面钻头尖所需的三个运动。刃磨之前通过刀具夹头5将钻头夹紧在万向工作头18上，X向电机24和Y向电机23带动滚珠丝杠旋转，再通过丝母座分别带动X向导轨25和Y向导轨22移动，从而实现钻头与砂轮4X向和Y向位置的调整。机床工作平台1上装有立柱2，通过该立柱2可以调整砂轮4的高度以及砂轮轴线与钻头轴线之间的角度，即确定所刃磨钻头的顶尖角。在钻尖刃磨时，万向工作头18上的主轴电机20通过主轴10带动特殊万向节旋转，从而带动刀具夹头5上的钻头自转；同时驱动轴I电机19和驱动轴II电机21分别实现驱动轴I12和驱动轴II13的伸缩，使刀具夹头5上的钻头实现刃磨螺旋面钻头尖的摆动；另外，再通过Y向电机23带动Y向导轨22实现刃磨螺旋面钻头尖所需的进给运动。在这个过程中主轴电机20驱动主轴10从0°转动到180°实现钻头一个后刀面的刃磨，然后驱动轴I电机19、驱动轴II电机21和Y向电机23均返回初始位置，接着主轴电机20驱动主轴10从180°转动到360°，同时驱动轴I电机19、驱动轴II电机21和Y向电机23工作实现钻头另一个刃磨螺旋面后刀面的刃磨，经过如此循环，最终实现螺旋面钻尖的刃磨。

实施例2：

数控刀具磨床要实现铣刀的修磨，只要实现铣刀初始位置的摆动和修磨时的进给即可。以修磨3刃铣刀为例，修磨之前通过夹头装置5将铣刀夹紧在特殊万向工作头18上，X向电机24和Y向电机23带动滚珠丝杠旋转，再通过丝母座分别带动X向导轨25和Y向导轨22移动，从而实现铣刀与砂轮4X向和Y向位置的调整。机床工作平台1上装有立柱2，通过该立柱2可以调整砂轮4的高度以及砂轮4轴线与铣刀轴线之间的角度。在修磨铣刀时，首先通过特殊万向工作头18上驱动轴电机I19和驱动轴II电机21实现驱动轴I12和驱动轴II13的伸缩，调整好铣刀需要修磨的一个切削刃与砂轮4的相对位置，然后通过Y向电机23带动Y向导轨22实现修磨铣刀后刀面所需的进给运动。修磨完这个铣刀后刀面后驱动轴I电机19、驱动轴II电机21和Y向电机23均返回初始位置；接着主轴电机20驱动主轴10转动120°，然后重复上述过程实现铣刀第二个切削刃的修磨；最后主轴电机20驱动主轴10转动120°，重复上述过程实现铣刀第三个切削刃的修磨，最终实现3刃铣刀的修磨。

实施例3：

将立柱2及其上的电机3和砂轮4卸去，本发明就成为一台基于特殊万向工作头18的数控钻床。钻削之前将需要进行钻削的工件装夹在工作平台1上，通过特殊万向工作头18上的刀具夹头5将钻头夹紧，X向电机24和Y向电机23带动滚珠丝杠旋转，再通过丝母座分别带动X向导轨25和Y向导轨22移动，从而实现钻头与工件X向和Y向位置的初步调整，在所要钻削的工件表面是个倾斜表面时，通过特殊万向工作头18上的驱动轴I电机19和驱动轴II电机21实现驱动轴I12和驱动轴II13的伸缩来调整刀具夹头5上钻头的角度，使其垂直于工件的倾斜表面。在钻削时，特殊万向工作头18上的主轴电机20通过主轴10带动特殊万向节旋转，从而带动刀具夹头5上的钻头自转，同时通过Y向电机23带动Y向导轨22实现钻削工件所需的进给运动。

实施例4：

将立柱2及其上的电机3和砂轮4卸去，本发明就成为一台基于特殊万向工作头18的数控铣床。铣削之前将需要进行铣削的工件装夹在工作平台1上，通过特殊万向工作头18上的刀具夹头5将铣刀夹紧，X向电机24和Y向电机23带动滚珠丝杠旋转，再通过丝母座分别带动X向导轨25和Y向导轨22移动，从而实现铣刀与工件X向和Y向位置的初步调整，在所要铣削的工件表面是个倾斜表面时，通过特殊万向工作头18上的驱动轴I电机19和驱动轴II电机21实现驱动轴I12和驱动轴II13的伸缩来调整刀具夹头5上铣刀的角度，使其垂直于工件的倾斜表面。在铣削时，特殊万向工作头18上的主轴电机20通过主轴10带动特殊万向节旋转，从而带动刀具夹头5上的铣刀自转，同时通过X向电机24带动X向导轨25实现铣削工件所需的进给运动。另外，铣削时在主轴10自转带动铣刀转动的同时，可通过驱动轴I12和驱动轴II13的伸缩或通过驱动X向导轨25和Y向导轨22移动即可实现工件的曲面铣削。

Claims

1、一种基于万向工作头的多功能数控机床，包括有床身、十字滑台、电机、立柱、砂轮头和刀具夹头装置，其特征在于十字滑台上安装一个万向工作头，万向工作头包括刀具夹头、万向节外环、万向节内环、钢球、位姿环、主轴、基座、球铰、驱动轴I和驱动轴II，刀具夹头固定在万向节外环输出端，万向节外环与万向节内环靠二个转动副形成转动连接，万向节内环与主轴通过一个转动销形成转动连接，主轴与主轴电机连接，两个驱动轴分别通过球铰与位姿环相连，驱动轴与驱动轴电机连接，位姿环通过钢球与万向节外环相连。

2、根据权利要求1所述的一种基于万向工作头的多功能数控机床，其特征在于所述的位姿环上的限位块放在限位槽中。

3、一种如权利要求1所述的基于万向工作头的数控钻床，其特征在于将数控钻床的立柱及其上的电机和砂轮卸去，十字滑台上安装一个万向工作头，在万向工作头刀具夹头上装上钻头。

4、一种如权利要求1所述的基于万向工作头的数控铣床，其特征在于将数控铣床的立柱及其上的电机和砂轮卸去，十字滑台上安装一个万向工作头，在万向工作头的刀具夹头上装上铣刀。