CN101870065A - 一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，在旋转轴轴体的上部及下部分别套有至少三层层叠的上导电滑环及下导电滑环，在金属壳体的上部及下部分别设有至少三层层叠的上碳刷及下碳刷，在旋转轴轴体位于层叠的上导电滑环与层叠的下导电滑环之间的部分外套有至少三层旋转管路，在金属壳体上设有至少三层环形接头，每层旋转管路与每层环形接头一一对应且通过密封部件密封，在每层旋转管路及每层环形接头上分别引出有一根输出管和一根输入管，旋转轴通过齿轮传动部件将动力传递给主轴箱。本发明的优点是：旋转轴可作任意圈数旋转，且不会限制摆动轴摆动。

Description

一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件

技术领域

本发明涉及一种具有五轴联动加工能力的数控机床中的回转部件。

背景技术

目前国内机械行业在加工曲面中都是球刀“点加工”，美欧已发展到用铣刀侧刃“线加工”(如欧盟Flank Milling Optimization项目)和盘刀“面加工”，工效可提高十倍以上；特别在加工旋转曲面时，盘刀“面加工”比球刀“点加工”的工效高几十倍。一个直径5米旋转抛物面罩(如大型运载火箭的整流罩)的加工，采用盘刀“面加工”的工艺需一、二天的话，球刀“点加工”就要一个月以上。

在具有五轴联动(实现“3+2”)加工能力的数控机床上，数控系统使加工刀具的轴线，始终垂直于工件被加工曲面的法线和前进方向，就能实现“线加工”；使加工刀具的轴线，始终重合于工件被加工曲面的法线，就能实现“面加工”(也称“法向加工”)。

这种装置安装在机床滑枕上能实现：铣头主轴绕C轴旋转，绕A轴(或B轴)摆动，并在数控系统的控制下，实现“3+2”的五轴联动功能部件，该装置被称为“双回转摆动铣头”。

这是一个三层结构的机械部件，上层是水平旋转的C轴，中间是T型铣头体和控制它来回摆动的A轴(或B轴)，下层是T型铣头体的主轴箱和主轴。上层C轴旋转时中间层和下层跟着一起同步旋转。

由于安装在C轴下的摆动头A轴(或B轴)和主轴所需要的传感器信号和通讯数据、动力电源、压缩空气、冷却水、液压油都是从滑枕上传输下来的。这些传输要用屏蔽线缆和高压管路穿过C轴到达A轴，其中一部分还要通过A轴到达主轴。当C轴转动角度超过一定圈数时，这些线缆和管路就会受损，所以C轴转动角度都限止在±360°(±1圈左右)。

实际加工中，大多数的曲面都需要C轴连续旋转好几圈，特别是加工大型球面、椭圆面、抛物面等旋转曲面，必须连续旋转成百上千圈。如果C轴不能作任意圈数的旋转时，就要在接近一圈时，产生一个断点，增加一个“退刀→C轴复位→再进刀到退出点→继续加工”这么一个动作。不仅精度、效率受影响，还会在断点处留下无法去除的接刀痕。C轴可作任意圈数的旋转，就不会产生这些缺陷。

由于安装在下层的铣头主轴需要动力，目前只有二种办法能克服上述缺陷：1、把主电机放进滑枕内，用万向节传递到铣头主轴上；2、把主电机直接放进铣头体内。

把主电机放进滑枕内是最理想的，因为滑枕内有足够的空间使主电机的力矩和功率不受电机体积的限制，但用万向节传递会限制A轴(或B轴)摆动角度(无法超过±90度)；把主电机直接放进铣头体内则主电机的力矩和功率必须足够小(受铣头体的体积限制)，很难满足大型机床上万NM和上百千瓦的动力需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转轴可作任意圈数旋转的回转部件并满足大型机床的动力需求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，包括设于金属壳体内的旋转轴轴体，旋转轴轴体设于轴体座上，在旋转轴轴体内设有旋转轴，在旋转轴轴体的底部设有绕摆动轴摆动的主轴箱，在主轴箱上设有安装刀具的主轴，其特征在于，在旋转轴轴体的上部及下部分别套有至少三层层叠的上导电滑环及下导电滑环，在金属壳体的上部及下部分别设有至少三层层叠的上碳刷及下碳刷，上碳刷的层数与上导电滑环的层数相同，下碳刷的层数与下导电滑环的层数相同，每个上导电滑环分别与位于同一平面的并联的至少三个上碳刷滑动接触，每个下导电滑环分别与位于同一平面的并联的至少三个下碳刷滑动接触，一根强电输入电缆贯穿金属壳体与同一平面的并联的至少三个上碳刷相连接，一根弱电输入电缆贯穿金属壳体与同一平面的并联的至少三个下碳刷相连接，在每个上导电滑环及下导电滑环上分别引出有一根强电输出电缆及弱电输出电缆，在旋转轴轴体位于层叠的上导电滑环与层叠的下导电滑环之间的部分外套有至少三层旋转管路，在金属壳体上设有至少三层环形接头，每层旋转管路与每层环形接头一一对应且通过密封部件密封，在每层旋转管路及每层环形接头上分别引出有一根输出管和一根输入管，旋转轴通过齿轮传动部件将动力传递给主轴箱。

本发明的旋转轴作360°任意圈数旋转、摆动轴作±110°任意摆动时，能把传感器信号和通讯数据，不受干扰地从滑枕上正确传递下来；能把动力电源从滑枕上正确传递下来，不发出电磁干扰波；能把压缩空气、冷却水、液压油等无泄漏地从滑枕上正常传递下来；能把主电机的动力从滑枕上通过旋转轴及摆动轴，正常传递下来。

本发明的优点是：旋转轴可作任意圈数旋转，且不会限制摆动轴摆动角度并满足大型机床的动力需求。

附图说明

图1为本发明提供的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件的结构示意图；

图2为对称分布四碳刷并联的导电滑环及碳刷示意图

图3为旋转管路及环形接头示意图；

图4为三级齿轮传动示意图；

图5为四级齿轮传动示意图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，为本发明提供的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，包括设于金属壳体24内的旋转轴轴体3，在实际运用中可以将滑枕作为金属壳体24，旋转轴轴体3设于轴体座23上，在旋转轴轴体3内设有旋转轴15，在旋转轴轴体3的底部设有绕摆动轴22摆动的主轴箱11，在主轴箱11上设有安装刀具的主轴33。

在旋转轴轴体3的上部及下部分别套有至少三层层叠的上导电滑环2及下导电滑环10，在金属壳体24的上部及下部分别设有至少三层层叠的上碳刷及下碳刷，上碳刷的层数与上导电滑环2的层数相同，下碳刷的层数与下导电滑环10的层数相同。

每个上导电滑环2分别与位于同一平面的并联的至少三个上碳刷滑动接触，每个下导电滑环10分别与位于同一平面的并联的至少三个下碳刷滑动接触。如图2所示，在本实施例中，每个上导电滑环2分别与位于同一平面的并联的四个上碳刷滑动接触，每个下导电滑环10分别与位于同一平面的并联的四个下碳刷滑动接触。每层上导电滑环2之间两两绝缘，每层下导电滑环10之间两两绝缘，所述每层下碳刷之间两两绝缘，所述每层上碳刷之间两两绝缘。位于同一平面的并联的四个下碳刷具有不同共振频率；所述位于同一平面的并联的四个上碳刷具有不同共振频率。

一根强电输入电缆贯穿金属壳体24与同一平面的并联的四个上碳刷相连接，一根弱电输入电缆贯穿金属壳体24与同一平面的并联的四个下碳刷相连接，在每个上导电滑环2及下导电滑环10上分别引出有一根强电输出电缆及弱电输出电缆。上导电滑环的层数等于需要用到的强电电缆的根数，下导电滑环的层数等于需要用到的弱电电缆的根数。

在旋转轴轴体3位于层叠的上导电滑环2与层叠的下导电滑环10之间的部分外套有至少三层旋转管路5。在本实施例中，旋转管路5具有四层，分别用于传递压缩空气、冷却水及两路液压油。在金属壳体24上设有四层环形接头6，每层旋转管路5与每层环形接头6一一对应且通过密封部件密封，在每层旋转管路5及每层环形接头6上分别引出有一根输出管和一根输入管，旋转轴15通过齿轮传动部件将动力传递给主轴箱11。

所述环形接头6及所述旋转管路5由金属制成，在金属壳体24的内壁上设有金属凸起49，环形接头6设于所述金属凸起49上，环形接头6、旋转管路5及金属凸起49将金属壳体24的内部空间划分为上下二个电磁信号完全隔离的空间。

如图3所示，旋转管路5包括第一环形基体29，在第一环形基体29的前端面上开有第一环形凹槽25，在第一环形基体29的后端设有下级管接口26，输出管与下级管接口26相连，第一环形凹槽25与下级管接口26之间通过第一通孔30相通；

环形接头6包括第二环形基体31，在第二环形基体31的后端面上开有第二环形凹槽33，在第二环形基体31的前端设有上级管接口27，输入管贯穿金属壳体24与上级管接口27相连，第二环形凹槽33与上级管接口27之间通过第二通孔32相通；

在第一环形基体29的后端与第二环形基体31的前端之间设有上下两个用于密封的环形密封圈28。

如图4所示，所述齿轮传动部件可以采用三级齿轮传动，包括水平设置的第一齿轮16，第一齿轮16设于旋转轴15且与C轴轴心重合，第一齿轮16与竖直设置的第二齿轮17相啮合，在第二齿轮17上设有同轴的第三齿轮18，第三齿轮18与第四齿轮19相啮合，在第四齿轮19上设有同轴的第五齿轮20，第四齿轮19及第五齿轮20设于摆动轴22上，第五齿轮20与水平设置的第六齿轮21相啮合，第六齿轮21与铣头主轴33同轴，在所述铣头主轴33上设有编码器35。

如图5所示，齿轮传动部件也可以采用四级齿轮传动，在所述第三齿轮18与第四齿轮19之间啮合设有至少一个第七齿轮34。

所述第一齿轮16、第二齿轮17、第五齿轮20及第六齿轮21为角齿轮。所述角齿轮可以采用螺旋角齿轮。

从图1中可知，“上导电滑环+碳刷”、“旋转管路+环形接头”和“下导电滑环+碳刷”都安装在滑枕内。在旋转轴轴体3任意旋转的时候，上导电滑环2、旋转管路5和下导电滑环10同步旋转：摆动头A轴或B轴和主轴所需的动力电源通过安装在滑枕体上的上碳刷和旋转中的上导电滑环2之间的滑动接触面来传递；所需的数据信号通过安装在滑枕体上的下碳刷和旋转中的下导电滑环10之间的滑动接触面来传递：所需的流体，主要为气动和液压，通过安装在滑枕体上的环形接头6和旋转中的旋转管路5之间的橡胶密封空间来传递。

旋转管路5+环形接头6部件是一个金属件，对电波有屏蔽作用，其位置在二个导电滑环+碳刷的中间，外圆形状与滑枕体内孔相配，与滑枕一起把导电滑环+碳刷分隔在上下二个电磁信号完全隔离的空间，一个传递会产生干扰信号的动力电源，另一个传递怕受干扰的数据信号，通过这样一个电磁信号的隔离，就能基本保证传递到数控系统的数据信号不受干扰。

机床滑枕在铣头加工工件时，震动很大，本实施例用四碳刷对称并联结构和调整碳刷弹簧性能就可解决震动产生的瞬间脱离。还有一种可能是碳刷产生共振，引起导电滑环和碳刷间的接触面在共振中会有瞬间的脱离，引起信号中断使数控系统工作不正常。环形接头6和旋转管路5之间的橡胶密封空间是有弹性的，不会有瞬间的脱离。本发明选用四个具有不同共振频率的碳刷，组成一个具有对称分布的四碳刷并联结构来传递信号，消除了这些瞬间的脱离现象。

动力传递也是本发明的一大特点。主电机的输入定位安装在滑枕上，输出轴装第一齿轮15，其轴芯线与旋转轴15的轴芯线重合；在旋转轴15任意旋转的时候，主电机动力可以通过第一齿轮16、第二齿轮17及第三齿轮18传递到第四齿轮19上；第四齿轮19和第五齿轮20的轴芯线与摆动轴22的轴芯线重合，在摆动轴22摆动时，传递到第四齿轮19上的主电机动力可以继续传递到第五齿轮20及第六齿轮21，由装在铣头主轴上的第六齿轮21带动铣头主轴33转动。通过三级齿轮传动后，主电机转向要相反。

当A轴摆角较大时，铣头体外壳需避开第三齿轮18，将变得很窄，会影响铣头体的强度和刚度。这时加入一个外径足够小的第七齿轮34，变为四级传动，使A轴摆角大到±120度时，铣头体仍有足够的强度和刚度。加入过渡齿轮后，主电机转向又和原来的一样。

当旋转轴任意旋转和摆动轴摆动时，对铣头主轴的转速可能有影响，可通过编码器35，加上旋转轴和摆动轴对应的转速，由系统补偿后输出；当主轴有角度定位要求，可直接根据编码器35角度，综合上旋转轴对应角度和摆动轴对应角度来精准定位。编码器35改用主电机编码器时，须加上齿轮总速比的影响后，再来补偿和精准定位。

为了减低齿轮传动中的噪声，这里的角齿轮采用螺旋角齿轮，也称为“螺旋伞齿轮”，其它齿轮采用斜齿轮。

综上所述，本发明的特点在于：

1、采用装在独立电磁屏蔽腔里的“上导电滑环+碳刷”结构，传递传感器信号和通讯数据，能把这些传感器信号和通讯数据不受干扰地从滑枕上正确传递下来；

2、采用装在独立电磁屏蔽腔里的“下导电滑环+碳刷”结构，传递动力电源，能把动力电源从滑枕上正确传递下来，不发出电磁干扰波；

3、采用“旋转管路+环形接头”的结构，能把压缩空气、冷却水、液压油等无泄漏地从滑枕上正常传递下来；

4、采用三级齿轮传动，能把主电机的动力从滑枕上通过旋转的C轴、摆动的A轴，正常传递下来。

5、独立电磁屏蔽腔是利用“旋转管路+环形接头”部件，这是一个金属件，对电波有屏蔽作用，其位置放在“导电滑环+碳刷”的中间，外圆形状与滑枕内孔相配，把“导电滑环+碳刷”分隔成上下二部分，形成二个独立的电磁屏蔽腔，起一个电磁信号隔离作用，把会产生干扰信号的动力电源，和怕受干扰的传感器信号、通讯数据分隔开来，这样就能保证这些信号和数据不受干扰地从滑枕上正确传递下来。

6、整个“全功能传递回转件”就安装在机床滑枕上的“双回转摆动铣头”中，其金属外壳可以利用机床上的滑枕配制；旋转轴可以利用机床上的C轴配制；保证第一齿轮16的轴芯线与C轴的轴芯线重合；保证第四齿轮19和第五齿轮20的轴芯线与A轴的轴芯线重合；这时主动力的转动、C轴的旋转和A轴的摆动都叠加在同一轴线上，用不同的部件传递，互不干扰。

7、当A轴摆角较大时，该转动部件的外壳(铣头体)会变的很窄，可以使三级传动变四级传动，这样A轴摆角大到±120度时，该转动部件的外壳(铣头体)仍有足够的宽度，可保证所需的强度和刚度。

8、作为数控五轴联动机床(包括各种加工中心，专用设备)这类高档加工设备的核心功能部件，对旋转动力也有角度定位要求。如对主轴有转速和角度定位要求时，都可由系统根据C轴、A轴(或B轴)、主轴编码器和齿轮总速比的综合转速和角度，用迭加法作定量补偿，来实现角度精密定位。

Claims (10)

1.一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，包括设于金属壳体(24)内的旋转轴轴体(3)，旋转轴轴体(3)设于轴体座(23)上，在旋转轴轴体(3)内设有旋转轴(15)，在旋转轴轴体(3)的底部设有绕摆动轴(22)摆动的主轴箱(11)，在主轴箱(11)上设有安装刀具的主轴(33)，其特征在于，在旋转轴轴体(3)的上部及下部分别套有至少三层层叠的上导电滑环(2)及下导电滑环(10)，在金属壳体(24)的上部及下部分别设有至少三层层叠的上碳刷及下碳刷，上碳刷的层数与上导电滑环(2)的层数相同，下碳刷的层数与下导电滑环(10)的层数相同，每个上导电滑环(2)分别与位于同一平面的并联的至少三个上碳刷滑动接触，每个下导电滑环(10)分别与位于同一平面的并联的至少三个下碳刷滑动接触，一根强电输入电缆(36)贯穿金属壳体(24)与同一平面的并联的至少三个上碳刷相连接，一根弱电输入电缆(37)贯穿金属壳体(24)与同一平面的并联的至少三个下碳刷相连接，在每个上导电滑环(2)及下导电滑环(10)上分别引出有一根强电输出电缆(38)及弱电输出电缆(39)，在旋转轴轴体(3)位于层叠的上导电滑环(2)与层叠的下导电滑环(10)之间的部分外套有至少三层旋转管路(5)，在金属壳体(24)上设有至少三层环形接头(6)，每层旋转管路(5)与每层环形接头(6)一一对应且通过密封部件密封，在每层旋转管路(5)及每层环形接头(6)上分别引出有一根输出管(43)和一根输入管(42)，旋转轴(15)通过齿轮传动部件将动力传递给主轴箱(11)。

2.如权利要求1所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述每层上导电滑环(2)之间两两绝缘，所述每层下导电滑环(10)之间两两绝缘，所述每层下碳刷之间两两绝缘，所述每层上碳刷之间两两绝缘。

3.如权利要求1所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述位于同一平面的并联的至少三个下碳刷具有不同共振频率；所述位于同一平面的并联的至少三个上碳刷具有不同共振频率。

4.如权利要求1所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述环形接头(6)及所述旋转管路(5)由金属制成，在金属壳体(24)的内壁上设有金属凸起(49)，环形接头(6)设于所述金属凸起(49)上，环形接头(6)、旋转管路(5)及金属凸起(49)将金属壳体(24)的内部空间划分为上下二个电磁信号完全隔离的空间。

5.如权利要求1所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述旋转管路(5)包括第一环形基体(29)，在第一环形基体(29)的前端面上开有第一环形凹槽(25)，在第一环形基体(29)的后端设有下级管接口(26)，输出管与下级管接口(26)相连，第一环形凹槽(25)与下级管接口(26)之间通过第一通孔(30)相通；

所述环形接头(6)包括第二环形基体(31)，在第二环形基体(31)的后端面上开有第二环形凹槽(33)，在第二环形基体(31)的前端设有上级管接口(27)，输入管贯穿金属壳体(24)与上级管接口(27)相连，第二环形凹槽(33)与上级管接口(27)之间通过第二通孔(32)相通；

在第一环形基体(29)的后端与第二环形基体(31)的前端之间设有上下两个用于密封的环形密封圈(28)。

6.如权利要求1所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述齿轮传动部件包括水平设置的第一齿轮(16)，第一齿轮(16)设于旋转轴(15)且与C轴轴心重合，第一齿轮(16)与竖直设置的第二齿轮(17)相啮合，在第二齿轮(17)上设有同轴的第三齿轮(18)，第三齿轮(18)与第四齿轮(19)相啮合，在第四齿轮(19)上设有同轴的第五齿轮(20)，第四齿轮(19)及第五齿轮(20)设于摆动轴(22)上，且轴心重合，第五齿轮(20)与水平设置的第六齿轮(21)相啮合，第六齿轮(21)与铣头主轴(33)同轴。

7.如权利要求6所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，在所述第三齿轮(18)与第四齿轮(19)之间啮合设有至少一个第七齿轮(34)。

8.如权利要求7所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述第一齿轮(16)、第二齿轮(17)、第五齿轮(20)及第六齿轮(21)为角齿轮。

9.如权利要求8所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，所述角齿轮为螺旋角齿轮。

10.如权利要求6所述的一种在旋转中传递电、气体、液体和旋转动力的回转部件，其特征在于，在所述铣头主轴(33)上设有编码器(35)。

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