CN101850504B - 一种用两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种由两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置，它是由机箱、主轴、行星轮系、曲柄摇杆机构、电动机、主轴驱动步进电机、螺母驱动步进电机、螺母驱动齿轮副、主轴驱动齿轮副、振动驱动齿轮副、转臂、花键套、导向套、下支架、上支架组成。两个步进电机在控制系统的控制下可以实现主轴快进、快退、工退和需要的工进速度，在振动攻丝时可以合成需要的螺距，起到通用靠模的作用；该装置采用行星轮系和曲柄摇杆机构组合的机械式激振器，通过双偏心结构调整振幅；可以同时实现周向振动和轴向振动的复合振动。

Description

一种用两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置

技术领域

本发明专利属于金属切削设备，具体涉及一种振动制孔(振动攻丝、振动钻孔、振动扩孔、振动铰孔和振动珩磨)的装置。

背景技术

普通的孔加工方法，就是使刀具与工件产生匀速的相对运动，刀具切削工件，实现孔的加工，如钻孔、攻丝、铰孔。振动孔加工就是给刀具或工件附加一个有规律的扭振振动。使传统加工方法的连续切削过程变成间断、瞬间和重复的切削过程。

按刀具相对工件振动的方式，分周向扭转振动、轴向振动和复合振动。现有独立的振动孔加工设备(不含在机床上附加的振动机构)实现的方式有下面几种：(1)刀具匀速转动，工件扭转振动或轴向振动。由于振动与主轴旋转运动分开，结构简单，易于实现；但对工件的适应性差，振动部分的转动惯量与工件有关，工件较大时转动惯量迅速增大，不利于振动。(2)工件不动，刀具(主轴)作复合运动，即主轴在作旋转运动的同时附加了一个扭转振动。振动实现的方法有超声波，机械式，电磁式，液压式等结构。一般只能实现扭振。用机械式实现振动，一般采用内凸轮结构，斜凸轮机构，曲柄滑块结构。该类振动机构，由于要进行运动合成，结构比较复杂；轴向进给不易控制，如振动攻丝时，需要靠模保证轴向进给，靠模要根据攻丝的螺距更换，结构复杂，更换工作量大。否则依靠被加工工件的螺纹自导向，很难保证螺纹质量；在钻孔时，不易控制切削进给量。(3)主轴直接用步进电机或伺服电机驱动，由控制系统控制步进电机或伺服电机实现“正向-反向-正向”的运动，当正向转动角度与反向转动角度不等时，主轴就会在扭转振动的同时，实现圆周旋转运动。该振动方式结构简单；但步进电机大多运行在加速、减速阶段，振动频率不高；由于无法利用机械惯性存储能量，振动功率不大，否则装置功率很大。同时，该机构也存在轴向进给不易准确控制，较难实现轴向振动的问题。

发明内容

本发明专利提供了一种能够用于孔振动加工的装置，该装置的主轴上有外螺纹，和外面的螺母相配合，采用一个步进电机驱动主轴转动，另一个步进电机驱动螺母转动，控制主轴的轴向运动；该装置采用了行星轮系和曲柄摇杆机构组合的机械式激振器；能实现主轴的旋转运动、扭转振动和轴向振动的复合运动，采用双偏心机构调节振幅，通过改变振动输入运动的转速实现振动频率的调节。

为达到上述目的，本发明专利采用的技术方案包括机箱、主轴、导向套、振动发生组件和主轴驱动组件组成；主轴的一端是外花键，中部是外螺纹，另一端是与刀具夹头联接的锥体；主轴驱动组件包括主轴驱动步进电机、上支架、主轴驱动齿轮副、转臂、主轴螺母、螺母驱动步进电机、下支架和螺母驱动齿轮副；振动发生组件包括电动机、振动驱动齿轮副、行星轮系、曲柄摇杆机构、花键套；曲柄摇杆机构包括偏心轴组件、柱塞套、柱塞；偏心轴组件包括偏心套、偏心轴、螺母；偏心套中间有偏心圆孔，在端部有一段圆锥孔，偏心轴上有一段圆锥轴，偏心轴的一端有外螺纹，螺母与外螺纹配合，偏心轴放置在偏心孔中，偏心轴上的锥轴与偏心套的锥孔配合，偏心轴和偏心套通过螺母给锥面上施加轴向力预紧，通过摩擦力传递运动和力矩，改变偏心轴相对偏心套在圆周上的位置时，就改变了偏心轴组件的偏心距，实现了振幅的无级调整；偏心轴组件通过两个轴承与柱塞套联接；转臂是一空心轴状结构，含转臂上半轴和转臂下半轴，由螺钉联接在一起；转臂下半轴端部安装有推力轴承，转臂上半轴端部安装有上支撑轴承，通过推力轴承和上支撑轴承将转臂与机箱联接；转臂上半轴下部有一缺口、径向有悬臂，悬臂上有中心与转臂中心平行的圆孔，偏心轴组件通过两个轴承安装在圆孔内；花键套通过两个轴承安装在转臂内；柱塞一端插入到柱塞套中，另一端穿过转臂上半轴的缺口，采用过盈配合插入到花键套径向的圆孔中；主轴驱动步进电机由上支架固定在机箱上，螺母驱动步进电机通过下支架与机箱联接，主轴螺母与主轴上的螺纹配合；电动机通过振动驱动齿轮副、行星轮系、偏心轴组件、柱塞套、柱塞、花键套、主轴上的花键将运动和力矩传递给主轴；主轴驱动步进电机通过主轴驱动齿轮副、转臂、偏心轴组件、柱塞套、柱塞、花键套、主轴上的花键将运动和力矩传递给主轴；螺母驱动步进电机通过螺母驱动齿轮副带动螺母转动。

本发明的一个重要特点是：主轴的轴向进给由主轴驱动步进电机和螺母驱动步进电机联合控制，可以实现要求的轴向进给速度，攻丝时，控制主轴每转的进给量与被加工工件的螺距相等，就可以起到通用靠模的作用，避免了用被加工工件螺纹自导向，影响螺纹的质量；在钻孔、扩孔、铰孔时，可以根据工艺和工件材料控制主轴进给速度；本发明的另一个特点是：主轴的扭转振动，通过主轴螺纹与螺母配合，将振动转换为沿螺母螺旋方向的扭转振动，该振动可以分解为一个沿周向的扭转振动和一个轴向振动；在振动攻丝时，由于主轴上螺纹螺距S₁大于被加工工件螺距S₂，若主轴不转动，由激振器给主轴施加角振幅为θ的扭转振动，主轴在主轴螺母的制约下移动距离为L₁，主轴同样的转角，丝锥在轴向的位移为L₂，由于L₁大于L₂，丝锥螺纹相对工件螺纹在轴向振动，控制轴向振幅可以有效的减小攻丝扭矩，因此该振动攻丝机在振动挤压攻丝方面有很好的应用前景；本发明的第三个特点是：偏心套与偏心轴为双偏心结构，联接采用锥轴预紧的无键联接，联接可靠，可以实现无级调整振幅。

附图说明

附图是本发明专利的结构纵向剖面图；

图中：1.主轴  2.螺母驱动被动齿轮  3.导向套  4.螺钉  5.轴承  6.主轴螺母  7.机箱8.轴承  9.推力轴承  10.螺钉  11.转臂下半轴  12.转臂上半轴  13.花键套  14.螺钉15.定位环  16.轴承  17.轴承  18.行星中心齿轮  19.轴承  20.被动齿轮  21.轴承  22.上支撑轴承  23.主轴驱动步进电机  24.上支架  25.大锥齿轮  26.小锥齿轮  27.螺钉28.键  29.键  30.螺钉  31.键  32.电动机  33.螺钉  34.键  35.主动齿轮  36.螺母  37.偏心套  38.偏心轴  39.轴承  40.轴承  41.柱塞  42.轴承  43.柱塞套44.螺钉  45.螺母驱动步进电机  46.螺钉  47.下支架  48.键  49.螺母驱动主动齿轮50.键

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的结构和工作原理作进一步详细说明。

实施例，本发明专利包括主轴1，主轴1的上端为花键，花键外面是花键套13，花键套下端有圆孔，圆孔与花键套中心垂直，柱塞41过盈配合插入圆孔中，由螺钉44紧固，柱塞另一端插入柱塞套43中，柱塞套43通过两个轴承42与偏心轴38联接，偏心轴38外面是偏心套37，偏心套上有齿轮，该齿轮为行星轮；偏心套通过轴承39和40安装在转臂上。转臂是由螺钉10将转臂上半轴12和转臂下半轴11联接到一起组成，转臂通过推力轴承9和轴承21与机箱7联接，转臂的上半轴12下端有一缺口，转臂内部是圆孔，花键轴通过轴承16和轴承17安装在转臂内部的孔中，定位环15和螺钉14用于对花键套轴向定位。

柱塞41的运动是由电动机32和步进电机23共同驱动；电动机32由螺钉33与机箱7联接，主动齿轮35通过键34联接到电动机32的输出轴上，被动齿轮20和行星中心齿轮18上的轴套通过键31联接，行星中心轮18通过轴承19和轴承21联接到转臂上端外圆上；电动机32通过主动齿轮35、被动齿轮20、行星中心齿轮18、驱动偏心套37上的齿轮，带动偏心轴组件转动；主轴驱动步进电机23通过螺钉27联接到上支架24上，上支架24通过螺钉30与机箱7联接，小锥齿轮26通过键28联接到步进电机轴上，大锥齿轮25通过键29联接到转臂上，步进电机通过小锥齿轮26、大锥齿轮25、带动转臂转动，转臂带动安装在转臂侧面孔内的偏心轴组件；在偏心轴组件处，将电动机32和主轴驱动步进电机23传递的运动进行合成；然后通过柱塞套43、柱塞41、花键套13，带动主轴作复合运动。

主轴下端螺纹与主轴螺母6配合，主轴1在轴向的运动是由主轴1的转动和主轴螺母6的转动合成的；主轴螺母6通过轴承5和轴承8联接到机箱7上，主轴螺母6的下端外侧通过键50与螺母驱动被动齿轮2联接，下支架47通过螺钉4联接到机箱上，螺母驱动步进电机45通过螺钉46联接到下支架47上，螺母驱动主动齿轮49通过键48联接到步进电机的输出轴上，步进电机通过螺母驱动主动齿轮49、螺母驱动被动齿轮2带动主轴螺母6转动。

振幅调节装置由偏心轴38，偏心套37和螺母36组成，偏心轴38上有一段外圆锥，偏心套上有一段与偏心轴上锥度相同的圆锥孔，转动偏心轴与偏心套的相对位置，就可以改变偏心轴与偏心套外径中心的偏心距，改变了柱塞41的摆动角度，将偏心轴相对偏心套的圆周位置调节好以后，转动螺母36，通过锥面将偏心轴与偏心套联接在一起传递运动和扭矩。

用导向套3和花键套13确定主轴的转动中心。

该装置的工作原理为：该装置振动部分是由行星轮系和曲柄摇杆机构组合而成，电动机32为振动的动力源，振动的传递路线为：电动机32→主动齿轮35→被动齿轮20→行星中心齿轮18→偏心套37上的齿轮→偏心轴组件→柱塞套43→柱塞41→花键套13→主轴1；偏心轴每转一圈，主轴在圆周方向扭转振动一次；主轴1的转速是由主轴驱动步进电机23控制的；主轴转动的传递路线为：主轴驱动步进电机23→小锥齿轮26→大锥齿轮25→转臂→偏心轴组件→柱塞套43→柱塞41→花键套13→主轴1；主轴1的轴向移动速度是由主轴驱动步进电机23和螺母驱动步进电机45共同控制的；主轴1转动传递路线如上所述，主轴螺母6的传递路线为：螺母驱动步进电机45→螺母驱动主动齿轮49→螺母驱动被动齿轮2→主轴螺母6；由控制系统分别控制两个步进电机的转向和转速，就可以得到主轴轴向不同的运动速度，满足设备快进、快退、工进和工退速度的要求；可以使主轴每转的轴向位移等于工件的螺距，实现攻丝通用靠模的作用。

在设计时，起靠模作用的主轴上的螺纹螺距大于工件螺距，在该机上主轴上的螺纹螺距为4mm，加工工件螺距小于1mm，由于螺距不同，当主轴振动时，扭转角度为θ角，在靠模处由于靠模螺纹作用使主轴的轴向移动距离为L₁，在工件处由于丝锥螺纹的作用使丝锥相对于工件的位移为L₂，由于L₁大于L₂，丝锥相对于工件产生了轴向振动。

Claims (3)

1.一种由两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置，包括机箱、主轴、导向套、振动发生组件和主轴驱动组件组成，其特征在于：所述主轴驱动组件包括主轴驱动步进电机(23)、上支架(24)、主轴驱动齿轮副、转臂、主轴螺母(6)、螺母驱动步进电机(45)、下支架(47)和螺母驱动齿轮副；所述振动发生组件包括电动机(32)、振动驱动齿轮副、行星轮系、曲柄摇杆机构、花键套(13)；曲柄摇杆机构包括偏心轴组件、柱塞套(43)、柱塞(41)；转臂是一空心轴状结构，包括转臂上半轴(12)和转臂下半轴(11)，由螺钉(10)联接在一起，转臂下半轴端部安装有推力轴承(9)，转臂上半轴端部安装有上支撑轴承(22)，通过推力轴承和上支撑轴承将转臂与机箱(7)联接；转臂上半轴下部有一缺口、径向有悬臂，悬臂上有中心与转臂中心平行的圆孔，偏心轴组件通过两个轴承安装在圆孔内；偏心轴组件通过两个轴承与柱塞套联接；花键套通过两个轴承安装在转臂内；柱塞一端插入到柱塞套中，另一端穿过转臂上半轴的缺口，采用过盈配合插入到花键套径向的圆孔中；主轴驱动步进电机由上支架固定在机箱上，螺母驱动步进电机通过下支架与机箱联接，主轴螺母与主轴上的螺纹配合；电动机通过振动驱动齿轮副、行星轮系、偏心轴组件、柱塞套、柱塞、花键套、主轴上的花键将运动和力矩传递给主轴；主轴驱动步进电机通过主轴驱动齿轮副、转臂、偏心轴组件、柱塞套、柱塞、花键套、主轴上的花键将运动和力矩传递给主轴；螺母驱动步进电机通过螺母驱动齿轮副带动螺母转动。

2.根据权利要求1所述的由两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置，其特征在于：主轴(1)的一端是外花键，中部是外螺纹，另一端是与刀具夹头联接的锥体。

3.根据权利要求1所述的由两个步进电机控制主轴运动的振动制孔装置，其特征在于：偏心轴组件包括偏心套(37)、偏心轴(38)、螺母(36)；偏心套中间有偏心圆孔，在端部有一段圆锥孔，偏心轴上有一段圆锥轴，偏心轴的一端有外螺纹，螺母与外螺纹配合，偏心轴放置在偏心孔中，偏心轴上的锥轴与偏心套的锥孔配合，偏心轴和偏心套通过螺母给锥面上施加轴向力预紧，通过摩擦力传递运动和力矩，改变偏心轴相对偏心套在圆周上的位置时，就改变了偏心轴组件的偏心距。