CN101513719B - 加工单元和机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加工单元，该加工单元由机床支撑，并通过旋转工具来加工工件，所述旋转工具具有被驱动并旋转的主轴部件；其特征在于，所述加工单元包括：偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变工具的旋转半径；切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄绕其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述轴线与主轴部件的旋转中心平行。

Description

加工单元和机床

技术领域

本发明涉及用旋转工具加工工件的加工单元和机床，所述旋转工具具有被驱动旋转的主轴部件。

背景技术

通常，用适于某一种加工类型的机床来进行该类型的工件加工。例如，当要在圆柱管的外周面上形成螺纹，那就用车床来加工。用车床车出螺纹的过程如下：使所述管与车床的主轴部件一起绕所述管的轴线旋转，此时所述管被卡盘固定在所述主轴部件上，与此同时，使工具在所述管的轴线方向上移动，且所述工具的切削刃紧靠着所述管的外周面。

不过，当管的直径或长度很大时，需要更大的力来旋转所述管，因而需要更大的车床，这会使成本上升。此外，若管的尺寸很大，在管旋转时可能会产生自激振动，这会使加工精度难以保持。

现有技术中用涉及U轴加工的方法来解决上述问题，所述方法中用到加工中心。所述U轴加工是一种不同于车床加工的方法，加工时，工件固定不动，通过使工具旋转并同时调整工具的旋转半径来加工工件。

也即，如侧视图图1A和1B所示，管101在某一特定位置被不可动地固定住。加工中心包括主轴部件121，该主轴部件121被驱动并旋转，且具有工具143；该工具143相对于旋转中心C121的位置径向可调。首先调节工具143的旋转半径，使工具143位于与管101的直径相对应的位置，如图1B所示；然后旋转主轴部件121，旋转时，使该主轴部件121的旋转中心C121与管101的轴线C101对齐，如图1A所示。从而使工具143的切削刃沿管101的外周面旋转，与此同时，主轴部件121在管101的轴线方向上移动，从而在管101的外周面上形成螺纹。

日本专利文献62-42726公开了这种类型的U轴加工装置。即如图2A和2B所示(该图2A和2B为沿图1B中箭头II所指方向看过去的视图)，所述装置的主轴部件121上设有可绕偏心轴C131转动的偏心旋转部件131，所述偏心轴C131偏心地坐落在旋转中心C121的径向上；工具143固定至所述偏心旋转部件131。因此，通过将偏心旋转部件131从图2A所示的位置转动到图2B所示的位置，可是工具143在主轴部件121的径向上移动；从而可将工具143的旋转半径设置为与所述管的直径相对应的半径。

至于加工时的切削性能，可通过将工具143的切削刃143E向着主轴部件121的旋转中心C121转动来调节。但在上述的装置中，由于工具143以不能转动的方式固定在偏心旋转部件131上，不能调节工具143的切削刃143E的取向；因此即使如图2A所示，当工具143的旋转半径为特定值时，将切削刃143E转动到正对着主轴部件121的旋转中心C121，但在改变旋转半径时，切削刃143E却不再与旋转中心C121相对，如图2B所示。因此所述装置难以保持适于不同管径的优良切削性能。

螺纹形成过程进行到快结束时，一边形成螺纹，一边连续地改变工具143的旋转半径，使螺纹逐渐变浅。此时，由于与上文所述的相同的原因，存在切削性能的降低导致加工精度降低的危险，而切削性能的降低的原因是：当螺纹形成过程进行到快结束时，工具143的切削刃143E的取向离开了主轴部件121的旋转中心C121的引导。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供加工单元和机床，该加工单元和机床可在改变工具的旋转半径的同时保持工具的优良切削性能。

为实现上述目的，本发明的主要方面是提供一种由机床支撑的加工单元，该加工单元通过具有被驱动转动的主轴的旋转工具来加工工件，所述加工单元包括：

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕一偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄绕其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述工具柄的轴线与主轴部件的旋转中心平行。

此外，本发明还提供一种机床，该机床用具有被驱动转动的主轴部件的旋转工具来加工工件，所述机床包括：

用于使所述主轴部件沿该主轴部件的旋转中心的轴线方向直线移动的机构；

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕一偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述工具柄的轴线与主轴部件的旋转中心平行。

下面将结合附图和具体实施例来对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1A和1B为用于U轴加工的机床的侧视图；

图2A和2B是从图1B中箭头II所示方向看过去的视图，其展示了用于U轴加工的传统机床；

图3为根据本发明第一种实施方式的、包括加工单元11的机床1的透视图；

图4A和4B为加工单元11的外部视图，其中，图4A为侧视图，而图4B为从图4A中箭头B所示方向看过去的视图；

图5A为沿主轴部件21的旋转轴C21剖开的加工单元11的剖视图，图5B为沿图5A中B-B线剖开的剖视图；

图6A～6D为沿图5A中VI-VI线剖开的剖视图，这四幅图展示了切削刃取向纠正机构怎样使切削刃43E根据工具43的旋转半径而向着主轴部件21的旋转轴C21转动的过程；

图7展示了根据本发明第一种实施方式的加工单元11，该加工单元11可进行钻孔、铣削等加工；

图8展示了根据本发明第二种实施方式的加工单元11a，该图为沿主轴部件21的旋转轴C21剖开的加工单元11a的纵向剖视图；

图9A～9C展示了用于转动偏心旋转部件31的差动齿轮机构61；

图10为根据上述第二种实施方式作修改后的实施例的加工单元11b的纵向剖视图；

图11展示了用加工单元11、11a和11b在管101的内周面上形成螺纹的过程。

具体实施方式

由机床支撑的加工单元，该加工单元通过旋转工具来加工工件，所述旋转工具具有被驱动并旋转的主轴部件；所述加工单元包括：

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕一偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄绕其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述轴线与主轴部件的旋转中心平行。

在上述加工单元中，由于可通过工具柄的自转来纠正工具切削刃的取向，因此，不管工具的旋转半径如何改变，所述切削刃均可转动到适当的方向。因此，可以在改变工具旋转半径的同时保持工具的优良切削性能。

在该加工单元中，可以设置为：切削刃取向纠正机构纠正切削刃的取向，使所述切削刃的取向以主轴部件的旋转中心为基准保持在一定范围内。

有了上述加工单元，切削刃的取向可被纠正，从而使所述取向以主轴部件的旋转中心为基准保持在一定范围内。因此，不管工具的旋转半径如何改变，工具的切削刃均可转动到适当的方向。因此，可以在改变工具旋转半径的同时保持工具的优良切削性能。

在该加工单元中，可以设置为：工具切削刃的取向可被纠正，以在加工过程中使所述切削刃指向主轴部件的旋转中心，或者指向相反方向。

有了上述加工单元，工具切削刃的取向可被纠正，以在加工过程中使所述切削刃转向或者转离主轴部件的旋转中心。这样，无论工具的旋转半径是多少，都可以保持工具的优良切削性能。

在该加工单元中，可以设置为：所述切削刃取向纠正机构根据工具的旋转半径来改变工具切削刃的取向。

有了上述加工单元，就可根据工具的旋转半径来改变和纠正工具切削刃的取向。因此，当加工过程中工具的旋转半径发生改变时，切削刃可根据所述旋转半径自动转动到最合适的方向；因此可在旋转半径于加工过程中改变时防止切削性能降低。

在该加工单元中，可以设置为：由所述偏心旋转部件的旋转而发生移动的所述工具柄的轴线穿过所述主轴部件的旋转中心。

有了上述加工单元，如果所述工具柄在偏心旋转部件的旋转作用下移动于主轴部件的径向上，且工具柄的轴线与主轴部件的旋转中心对齐，那么当所述工具柄支持着工具如钻咀或铣刀时，也可以进行钻铣操作。

此外，由于可将工具的旋转半径设定为零，因此能够降低可加工直径的下限。

在该加工单元中，可以设置为：所述切削刃取向纠正机构为凸轮机构，该凸轮机构将旋转运动转化为自转运动并传递给工具柄，所述旋转运动被传输至所述工具旋转半径改变机构，以使所述偏心旋转部件绕所述偏心轴旋转。

有了上述加工单元，由于所述切削刃取向纠正机构为凸轮机构，因此所述偏心旋转部件的旋转运动和所述工具柄的自转运动可以高度精确地关联起来。

此外，由于上述自转运动由凸轮机构产生，因此可以任意决定所述偏心轴距主轴部件的旋转中心的偏心距与所述工具柄的轴线距所述偏心轴的偏心距之间的关系(比率)。根据所述关系设定凸轮曲线，可使工具柄自转，从而将切削刃的取向以主轴部件的旋转中心为基准保持在的一定范围内，换句话说，不管工具的旋转半径是多少，总使切削刃指向主轴部件的旋转中心。因此，所述加工单元可满足各种不同的需求，具有极大的灵活性。

在该加工单元中，可以设置为：所述机床具有使主轴部件沿该主轴部件的旋转中心的轴线方向直线移动的机构；所述工件为圆柱管，并被固定不动地保持在特定位置；通过使工具的切削刃紧靠着所述管的表面，旋转并直线移动主轴部件，同时使主轴部件旋转中心的轴线与所述管的轴线对齐，从而在所述管的外周面和内周面的任一个上形成螺纹。

有了上述加工单元，就可以在圆柱管的外周面或内周面上形成螺纹。

此外，本发明提供一种机床，该机床用带有被驱动并旋转的主轴部件的旋转工具来加工工件，所述机床包括：

用于使主轴部件沿该主轴部件的旋转中心的轴线方向直线移动的机构；

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕一偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述工具柄的轴线与主轴部件的旋转中心平行。

有了上述机床，由于可通过工具柄的自转来纠正工具切削刃的取向，因此不管工具的旋转半径是多少，总可将所述切削刃转动到合适的方向；因此可在保持工具的良好切削性能的同时，改变工具的旋转半径。

根据本发明第一种实施方式的机床1

图3为根据本发明第一种实施方式的、包括加工单元11的机床1的透视图。在下文的叙述中，对于彼此垂直的三根轴即X轴Y轴和Z轴的方向，X轴方向也称“左-右”方向，Y轴方向也称竖直方向(即“上-下”方向)，Z轴方向也称“前-后”方向，如图3所示。

例如，当待加工工件为圆柱管101时，所述机床1用于在所述管的外周面或者内周面上加工螺纹。因此，所述机床1包括：支座3，管101被置于该支座3上，支座3固定不动地夹持着管101；头部外壳15，该头部外壳15由柱5支持，并可在Y轴方向上直线移动，柱5可在X轴和Z轴方向上分别独立地直线移动；加工单元11由头部外壳15支撑，并使工具43沿所述管101的外周面或内周面旋转。

位于支座3上的管101的轴线方向与机床1的Z轴方向平行。所述加工单元11包括主轴部件21，该主轴部件21被驱动、并绕平行于Z轴的旋转轴C21旋转；该主轴部件21具有工具43。柱5的头部外壳15分别在X和Y方向、即左-右和竖直方向上移动，从而使主轴部件21的旋转轴C21与管101的轴线对齐。然后，在这种对齐条件下，通过旋转主轴部件21，使工具43以特定的旋转半径旋转，并在旋转工具43的切削刃紧靠着管101的外周面或内周面的前提下，使柱5在Z轴方向上直线移动。

图4A和4B是加工单元11的外视图，其中，图4A为侧视图，图4B为沿图4A中箭头B所示方向看过去的视图，即前视图。

所述加工单元11包括：由头部外壳15可旋转地支撑的主轴部件21；偏心旋转部件31，该偏心旋转部件31设置在所述主轴部件21上，并可绕偏心轴C31旋转，该偏心轴C31位于所述主轴部件的径向上相对于旋转轴C21为偏心的位置；用于夹持工具43的工具柄41，该工具柄41设置在所述偏心旋转部件31上，其设置方式使得工具柄41可绕平行于旋转轴C21的轴线C41作自身旋转(下文中称为“自转”)。

在所述加工单元11中，偏心旋转部件31的旋转使得工具43在径向上移至与待处理管的直径如Da、Db和Dc相对应的位置，从而使工具43的旋转半径可被设定为与管径如Da、Db和Dc相对应的半径，所述管径如图4B中的双点划线所示。此外，通过工具柄41绕轴线C41(下文也称为自转轴C41)的旋转，可使工具43的切削刃43E向着主轴部件21的旋转轴C21旋转。这使得不管管径是Da、Db还是Dc，均能在螺纹形成过程中保持良好的切削性能。

下面逐一详述所述加工单元11的各组成部件。

图5A是沿主轴部件21的旋转轴C21剖开的加工单元11的剖视图。图5B是沿图5A中B-B线的剖视图。注意为了便于理解，剖视图中有些部分没有打上阴影线。

主轴部件21

如图5A所示，主轴部件21的主体由径向大圆柱部件22和中空圆柱部件24组成，所述圆柱部件22位于前方，所述中空圆柱部件24的直径小于圆柱部件22的直径，并从圆柱部件22的后端面处向后同轴伸出。当中空圆柱部件24被容纳在加工单元11的头部外壳15内时，主轴部件21由头部外壳15支撑，该头部外壳15可通过轴承26的作用绕旋转轴C21旋转，所述轴承26设在头部外壳15的内周面上。

用电动马达或类似的动力源使所述主轴部件21旋转；在本实施方式中，主轴部件21的中空圆柱部件24和头部外壳15被用作所述电动马达的构成部件。也就是说，所述中空圆柱部件24起电动马达的转子的作用，而头部外壳15起电动马达的定子的作用。因此，例如，在中空圆柱部件24的外周面上，永磁体27a的北极和南极关于旋转轴C21对称设置。另一方面，在头部外壳15的内周面上，沿圆周方向设有多个线圈27b，这些线圈产生交变磁场。在旋转方向上具有相位差的交流电流通过电缆流动于这些线圈27b内。因此，转子的永磁体27a被定子的每个线圈27b的磁吸力和磁斥力连续地吸引和排斥，使转子按一个方向旋转，以驱动主轴部件21，并使该主轴部件21绕旋转轴C21旋转。

偏心旋转部件31

如图5A和5B所示，偏心旋转部件31的主体是一个圆柱体，其与轴线垂直的横截面是个正圆，且该圆柱体被容纳在圆形凹陷22c内，该圆形凹陷22c形成在主轴部件21的圆柱部件22的前端面22a上。偏心旋转部件31被支撑得可通过轴承32绕中心C31转动，所述轴承32设在圆形凹陷22c的内周面上。

所述中心C31相当于上述的偏心轴C31；也就是说，该中心C31偏心地坐落在主轴部件21的旋转轴C21的径向上。工具柄41偏心地坐落在偏心轴C31的径向上。因此，当偏心旋转部件31绕偏心轴C31旋转时，工具柄就在主轴部件21的径向上移动；这样就改变了工具43的旋转半径。

用于旋转所述偏心旋转部件31的驱动机构(相当于所述工具旋转半径改变机构)被容纳在腔部22d内，该腔部22d形成在主轴部件21的圆柱部件22内，并与圆形凹陷22c相通。所述驱动机构包括作为电源的伺服马达33，和凸轮机构35，该凸轮机构35将伺服马达33的驱动和旋转轴的旋转传递给偏心旋转部件31。

所述凸轮机构35为采用弧面凸轮的凸轮机构，以减小后坐力。更特别地，所述凸轮机构35包括：按一定倾斜度沿圆周方向设置在偏心旋转部件31的外周面上的多个凸轮从动件36；和轴类弧面凸轮37，该弧面凸轮37面向偏心旋转部件31的外周面，并由轴承38可旋转地支撑，所述轴承38位于腔部22d的内周面上。在弧面凸轮37的外周面上形成有大致为螺旋状的锥形肋条，构成凸轮表面的这些肋条根据圆周方向上的位置、在一个方向上沿轴线C37持续不断地螺旋前进。沿轴线C37的所述方向即偏心旋转部件31的旋转方向，也即其圆周方向。这样，旋转运动就从与弧形凸轮37的轴端直接相连的伺服马达33传递到了弧面凸轮37，从而使弧形凸轮37转动。此时，相邻的凸轮从动件36紧靠着锥形肋条37a的两个侧面37b、37b，并使该锥形肋条37a夹在所述凸轮从动件之间，沿弧面凸轮37的轴线C37方向连续地进给所述凸轮从动件36；从而使偏心旋转部件31绕偏心轴C31旋转。

伺服马达33的驱动和旋转轴33a，弧面凸轮37，以及偏心旋转部件31，三者之中的任意一个设有旋转量检测传感器(未图示)，比如用于检测偏心旋转部件31的旋转量(旋转角)的编码器。可根据主轴部件21的旋转轴C21、偏心旋转部件31的偏心轴C31、以及工具柄41排列布置的几何关系，预先获得偏心旋转部件31的旋转量与工具柄41在主轴部件21的径向上的行进之间的关系。因此，在本实施例中，设有作为控制器的计算机，从旋转量检测传感器输出的旋转量信息被输入到所述计算机中。所述计算机通过在所述旋转量信息的基础上控制伺服马达33的旋转，使工具柄移动到所述径向上的目标位置，并将工具43的旋转半径调节到目标半径。

工具柄41

如图5A和5B所示，工具柄41的主体是个圆柱体，其与轴线垂直的横截面是个正圆；工具43与该圆柱体的前端相连。圆柱体的后端被容纳在通孔31a内，该通孔31a穿过偏心旋转部件31、位于前-后方向上；圆柱体的后端被支撑着，其支撑方式使得该圆柱体的后端可通过轴承44绕中心C41旋转，所述轴承44设在通孔31a的内周面上。所述中心C41相当于前述的自转轴C41，该自转轴C41平行于主轴部件21的旋转轴C21。因此，当使工具柄41绕中心C41自转时，可调整工具43的切削刃43E的取向，使该取向保持在以旋转轴C21为基准的一定范围内。

在第一种实施方式中，工具柄41以被偏心旋转部件31的旋转运动改变的工具43的旋转半径自转。因此，工具43的切削刃43E被纠正和调节，使得在加工过程中不管工具43的旋转半径是多少，切削刃43E总是指向旋转轴C21。

作为根据旋转半径来改变切削刃43E的取向的机构(相当于前文述及的切削刃取向纠正机构)，其包含例如凸轮机构，该凸轮机构将偏心旋转部件31的旋转运动转化为工具柄41的自转运动；在本实施例中，凸轮机构采用槽凸轮。更特别地，凸轮槽45大致为弧形，开在圆形凹陷22c的底面22e上，所述圆形凹陷22c形成在主轴部件21的前端面22a上。凸轮槽45的形成使得位于臂42的末端的凸轮从动件进入该凸轮槽45中并与槽接合，所述臂42与工具柄41的后端为一体。如图6A～6D所示，该图6A～6D为沿图5A中的VI-VI线剖开的剖视图，通过偏心旋转部件31绕偏心轴C31的旋转运动，工具柄41在主轴部件21的旋转轴C21的径向上移动，同时环绕着偏心轴C31转动。此时，由于沿凸轮槽45移动的凸轮从动件42a的活动受到凸轮槽45的限制，自转运动通过臂42传递到工具柄41。因此，工具柄41的工具43的切削刃43E的取向被纠正，使所述切削刃43E总是指向主轴部件21的旋转轴C21。

凸轮槽45的弧形曲线(凸轮曲线)只由主轴部件21的旋转轴C21所在位置、偏心旋转部件31的偏心轴C31所在位置、以及工具柄41的自转轴C41所在位置之间的几何关系决定，当工具柄41以前述方式绕偏心轴C31旋转时，所述凸轮槽45的弧形曲线根据工具柄的位置使该工具柄41作必要程度的自转。所述弧形曲线是用合适的绘图方法确定。

确定凸轮槽45的弧形曲线，使得加工过程中工具43的切削刃43E指向主轴部件21的旋转轴C21。换言之，所述弧形曲线被设计为使得所述切削刃43E在受到理想的切削力时指向旋转轴C21。因此，当不加工时，也就是切削刃没有受到切削力时，由于工具43、工具柄41等在所述理想切削刃作用下的弹性形变，切削刃43E的取向离开主轴部件21的旋转轴C21的方向。因此，当在不加工时预先设定切削刃43E的取向时，可以将其设置为向着远离旋转轴C21的位置，该位置为相应于前述弹性变形量的位置。

在第一种实施方式中，由于工具柄41的自转运动是由凸轮机构以前述方式引起的，因此可以任意确定偏心轴C31距旋转轴C21的偏心距与自转轴C41距偏心轴C31的偏心距这二者之间的关系(比率)。根据上述关系设计凸轮曲线(即凸轮槽45的弧形曲线)，可使工具柄41自转，从而使得不管工具43的旋转半径是多少，工具43的切削刃43E总是指向主轴部件21的旋转中心C21。因此，加工单元11可满足各种需求，具有极好的灵活性。

此外，工具43的旋转半径不仅可在螺纹加工之前改变，而且还可在螺纹加工过程中改变。如果在螺纹加工过程中改变所述旋转半径，则可在维持高切削性能的同时，加工出形状复杂的螺纹。比如，在螺纹加工快要结束、接近尾部时，边加工螺纹边连续地改变工具43的旋转半径，使螺纹逐渐变浅。在这种情况下采用本发明的加工单元11时，根据工具43的旋转半径的改变，切削刃43E指向主轴部件21的旋转轴C21。因此，可在不牺牲切削性能的前提下维持高的加工精度。

此外，优选地，设计凸轮槽45的弧形曲线(见图6D)，使得工具柄41的自转轴C41的路径穿过主轴部件21的旋转轴C21，所述工具柄41在偏心旋转部件31的旋转作用下移动于主轴部件21的径向上。如果将所述路径设计为上述情况，则可通过偏心旋转部件31的旋转作用，使工具柄41在主轴部件21的径向上移动，令工具柄41的轴线C41与主轴部件21的轴线C21对齐，如图6D所示。因此，如图7所示，工具柄41夹持着工具43如钻咀或铣刀，可通过主轴部件21的旋转，对工件102进行钻孔或铣削加工。另外，由于工具43的旋转半径可被减少为接近零，因此可以降低工件101的可加工直径的下限，也就是说，能够增大所述可加工直径的范围。

根据本发明第二种实施方式的加工单元11a

图8～9C展示了根据本发明第二种实施方式的加工单元11a；其中，图8为沿主轴部件21的旋转轴C21剖开的加工单元11a的纵向剖视图；图9A为用于旋转偏心旋转部件31的差动齿轮机构61的放大剖视图；图9B为沿图9A中B-B线的剖视示意图，该图展示了恒星齿轮62、行星齿轮63、外齿轮65之间的啮合关系；图9C为沿图9A中C-C线的剖视示意图，该图展示了主轴部件21的外齿24a和齿轮68的齿68a之间的啮合关系。注意，为便于理解，剖视图中有些部分没有打上阴影线。

在上述的第一种实施方式中，已经描述了那种可旋转的主轴部件21中包含有伺服马达33(该伺服马达33用于驱动和旋转偏心旋转部件31)的结构(见图5B)。如果马达33以前述方式被包含在主轴部件21中，则马达33与主轴部件21一起绕旋转轴C21旋转和移动。关于向马达33供应电能的方法，既可使马达33以上述方式旋转和移动以产生电流，也可使主轴部件21带有靠近马达33的内置电池，还可使用电刷接触结构的外部电源来给马达33供应电流，等等。不过，电池能够供应的电能很有限，而在电刷接触结构中，又存在由于电刷磨损等导致维修频率上升的风险。

为了解决上述问题，在第二种实施方式中采用差动齿轮机构61，马达33被附连在加工单元11a的头部外壳15的外部(见图8)。这样，马达33不与那些可旋转、移动的部分相连，因而解决了上述问题。注意，除了这一点，第二种实施方式与第一种实施方式基本相同。因此，其它相同的元件用相同的附图标记表示，并省去相关的描述。

如图8所示，用于旋转所述偏心旋转部件31的伺服马达33固定至加工单元11a的头部外壳15的后端的外部。马达33的旋转通过传动轴52传递至主轴部件21内的弧面凸轮37(该弧面凸轮37安装在前面)，所述传动轴52在前-后方向上延伸、通过主轴部件21的中空圆柱部件24。

更特别地，传动轴52通过轴承53支撑在中空圆柱部件24中，其支撑方式使得传动轴52可绕主轴部件21的旋转轴C21旋转。此外，传动轴52的前端固定有直齿轮(即直齿圆柱齿轮)54，该直齿轮54与所述传动轴52同轴，与直齿轮54啮合的直齿轮55由主轴部件21的圆柱部件22通过轴承56支撑。直齿轮55具有与其为一体且同轴的弧面凸轮57。凸轮表面(即所述弧面凸轮57的外周面)与多个凸轮从动件58啮合，所述凸轮从动件58设在弧面凸轮37的轴端，本实施方式中所用的弧面凸轮与第一种实施方式中所用的弧面凸轮相同。因此，当传动轴52旋转时，其旋转运动通过直齿轮54、与直齿轮55相连的弧面凸轮57、以及弧面凸轮37传递到偏心旋转部件31，从而使偏心旋转部件31绕偏心轴C31旋转。

但是，如上文所述，主轴部件21绕旋转轴C21旋转。因此，如果传动轴52在转动中停下来，主轴部件21的直齿轮55在与直齿轮54啮合的同时、还将绕传动轴52的直齿轮54旋转。此时，由于与直齿轮54的啮合，直齿轮55也在自转，而与直齿轮55为一体的弧面凸轮57也在自转。因此，旋转运动就自然地被传递给了弧面凸轮37，从而使偏心旋转部件31旋转。

因此，为了使偏心旋转部件31的旋转运动独立于主轴部件21的旋转，必须使传动轴52以与主轴部件21相同的转速(rpm)旋转，以消除由主轴部件21的旋转产生的影响。换言之，必须将转动偏心旋转部件31所需的旋转运动也施加给传动轴52，使传动轴52以与主轴部件21相同的转速旋转。

在第二种实施方式中，伺服马达33的驱动和旋转轴33a与传动轴52通过设在二者之间的差动齿轮机构61互相连接，从而实现上述的旋转运动。

所述差动齿轮机构61也是指一个行星齿轮机构，该行星齿轮机构可将两个独立输入的旋转运动结合为一个旋转运动并将其输出。如图9A和9B所示，差动齿轮机构61包括：恒星齿轮62；与恒星齿轮62啮合并可围绕恒星齿轮62转动的的四个行星齿轮63；行星齿轮架64，该行星齿轮架64支撑四个行星齿轮63的旋转轴63a，并可根据行星齿轮63的旋转运动进行自转；外齿轮65，该外齿轮65由行星齿轮架64可旋转地支撑，且具有内齿65a，该内齿65a与位于外齿轮65的内周面处的四个行星齿轮63啮合。例如，当彼此独立的旋转运动被输送给恒星齿轮62和外齿轮65时，这两个旋转运动被结合为一个运动，并输出为行星齿轮架64的自转运动。

在所述第二种实施方式中，如图9A～9C所示，主轴部件21的旋转运动通过中空圆柱部件24后端的外齿24a与齿轮68前端的齿68a的啮合、以及齿轮68后端的齿68b与外齿轮65的外齿65b的啮合，传输至外齿轮65，所述齿轮68由头部外壳15可旋转地支撑。另一方面，恒星齿轮62的轴端与用于驱动并旋转偏心旋转部件31的伺服马达33的驱动和旋转轴33a直接相连，且马达33将使工具柄41发生径向移动所必需的旋转运动输送给恒星齿轮62。这两个旋转运动被结合，并输出为行星齿轮架64处的自转运动；而传动轴52的后端同轴固定至行星齿轮架64的前端。这样，传动轴52的旋转运动即为主轴部件21的旋转运动和伺服马达33的旋转运动的结合。因此，在主轴部件21的旋转过程中，控制马达33以使偏心旋转部件31转动，从而使工具柄41进行径向移动。

例如，当马达33促使恒星齿轮62旋转时，正以与主轴部件21相同的转速旋转的传动轴52也按恒星齿轮62的旋转量被转动。这样，偏心旋转部件31按所述旋转量转动，从而使得工具柄41发生径向移动。当马达33停止转动行星齿轮62时，由于偏心旋转部件31停止转动，工具柄41的径向移动停止。此时，传动轴52以与主轴部件21相同的转速旋转，工具柄41在径向上保持静止。

马达33停止时，传动轴52以与主轴部件21相同的转速旋转，就是说，没有旋转运动从恒星齿轮62输入。上述目的通过合适地设定下述齿数来实现：主轴部件21的中空圆柱部件24的外齿24a齿数、齿轮68前端的齿68a的齿数、齿轮68后端的齿68b的齿数、外齿轮65的外齿65b的齿数、外齿轮65的内齿65a的齿数、以及行星齿轮63的齿数。

图10为根据第二种实施方式的修改实施例的加工单元11b的纵向剖视图。

在前述的第二种实施方式中，旋转运动从传动轴52到偏心旋转部件31的传输用包含弧面凸轮37、57的凸轮机构来实现。本修改实施例在这一点上不同，只采用了包括直齿轮54、72的齿轮系来实现上述运动传输。更特别地，直齿轮54固定至传动轴52的前端，且与传动轴52同轴；与直齿轮54啮合的直齿轮72固定至偏心旋转部件31，并与偏心旋转部件31的偏心轴C31同轴。通过这些互相啮合的直齿轮54、72，传动轴52的旋转运动被传输给偏心旋转部件31，使该偏心旋转部件31旋转。当然，本修改实施例中使用所述第二种实施方式中所述的差动齿轮机构61。

其它实施方式

本发明不限于上述的实施方式；本发明还可进行下面所述的修改。

(a)在前述实施方式中，由于所举例子主要是描述了在管101的外周面上加工螺纹的过程，因此工具43的切削刃43E的取向通过使工具柄41自转、从而令切削刃43E指向主轴部件21的旋转轴C21来纠正。不过，当然地，当在管101的内周面上加工螺纹时，则改变切削刃43E的取向，使其在加工过程中指向与主轴部件21的旋转轴C21相反的方向，如图11所示。

此外，前文描述了纠正切削刃43E、使其指向主轴部件21的旋转轴C21或者与此相反的方向。不过，只要确保了用于不同的待加工工件的理想切削性能，那么切削刃43E也可以稍微偏离旋转轴C21的方向，或者在一定程度上指向相反的方向。在这个意义上，关于切削刃取向纠正机构对切削刃的取向的纠正，可以采用下述表达方式：“切削刃取向纠正机构纠正切削刃的取向，使该取向处于以主轴部件的旋转中心为基准的一定范围内”。

(b)在前述实施方式中，包括槽凸轮等的凸轮机构被用于切削刃取向纠正机构，切削刃43E的取向根据工具43的旋转半径被自动纠正。不过，本发明也不限于这种结构。例如，也可采用另一种结构，其中另设有专用电源如马达，以使工具柄41自转，且工具柄41的自转和偏心旋转部件31的旋转可分开独立操作。

(c)在前述实施方式中，没有描述轴承26、32、38、44、53、56的类型，这些轴承可使用滚子轴承、球轴承、滑动轴承，也可使用交叉滚子轴承。

(d)在前述实施方式中，管101上的螺纹加工仅仅只是一个加工的例子，本发明不限于此，只要加工是用工具43的旋转完成的就行。

Claims (7)

1.一种加工单元，该加工单元由机床支撑，并通过旋转工具来加工工件，所述旋转工具具有被驱动并旋转的主轴部件；其特征在于，所述加工单元包括：

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变所述工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄绕其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述轴线与主轴部件的旋转中心平行，

其中，所述切削刃取向纠正机构包括凸轮机构，该凸轮机构将偏心旋转部件的旋转运动转化为工具柄的自转运动，

所述凸轮机构包括凸轮槽，该凸轮槽大致为弧形，开在圆形凹陷的底面上，所述圆形凹陷形成在主轴部件的前端面上，

所述凸轮槽的形成使得位于臂的末端的凸轮从动件进入凸轮槽中并与该凸轮槽接合，所述臂与所述工具柄的后端为一体，并且

所述凸轮槽的弧形曲线由所述主轴部件的旋转轴所在位置、所述偏心旋转部件的偏心轴所在位置、以及所述工具柄的自转轴所在位置之间的几何关系决定，当所述工具柄绕偏心轴旋转时，所述凸轮槽的弧形曲线根据所述工具柄的位置使该工具柄作必要程度的自转。

2.根据权利要求1所述的加工单元，其特征在于：所述切削刃取向纠正机构纠正工具切削刃的取向，使所述工具切削刃的取向以主轴部件的旋转中心为基准保持在一定范围内。

3.根据权利要求2所述的加工单元，其特征在于：所述工具切削刃的取向可被纠正，以在加工过程中使所述工具切削刃指向主轴部件的旋转中心，或者指向相反方向。

4.根据权利要求1所述的加工单元，其特征在于：所述切削刃取向纠正机构根据所述工具的旋转半径来改变工具切削刃的取向。

5.根据权利要求1所述的加工单元，其特征在于：由于所述偏心旋转部件的旋转而发生移动的所述工具柄的轴线穿过所述主轴部件的旋转中心。

6.根据权利要求1所述的加工单元，其特征在于：所述机床具有使主轴部件沿该主轴部件的旋转中心的轴线方向直线移动的机构；所述工件为圆柱管，并被固定不动地保持在特定位置；通过使工具的切削刃紧靠着所述管的表面，旋转并直线移动主轴部件，同时使主轴部件旋转中心的轴线与所述管的轴线对齐，从而在所述管的外周面和内周面的任一个上形成螺纹。

7.一种机床，该机床用带有被驱动并旋转的主轴部件的旋转工具来加工工件，其特征在于，所述机床包括：

用于使主轴部件沿该主轴部件的旋转中心的轴线方向直线移动的机构；

偏心旋转部件，该偏心旋转部件设置在所述主轴部件上，可绕一偏心轴转动，该偏心轴位于所述主轴部件的径向上、处于距该主轴部件的旋转中心任意距离的偏心位置；

工具柄，该工具柄设在所述偏心旋转部件上，用于支持所述工具；

工具旋转半径改变机构，该机构径向移动所述工具，并通过使偏心旋转部件绕偏心轴转动来改变所述工具的旋转半径；和

切削刃取向纠正机构，该机构通过使工具柄其轴线自转来纠正工具切削刃的取向，所述工具柄的轴线与主轴部件的旋转中心平行，

其中，所述切削刃取向纠正机构包括凸轮机构，该凸轮机构将偏心旋转部件的旋转运动转化为工具柄的自转运动，

所述凸轮机构包括凸轮槽，该凸轮槽大致为弧形，开在圆形凹陷的底面上，所述圆形凹陷形成在主轴部件的前端面上，

所述凸轮槽的形成使得位于臂的末端的凸轮从动件进入该凸轮槽中并与该凸轮槽接合，

所述臂与所述工具柄的后端为一体，并且

所述凸轮槽的弧形曲线由所述主轴部件的旋转轴所在位置、所述偏心旋转部件的偏心轴所在位置、以及所述工具柄的自转轴所在位置之间的几何关系决定，当所述工具柄绕偏心轴旋转时，所述凸轮槽的弧形曲线根据所述工具柄的位置使该工具柄作必要程度的自转。

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