CN102303148B - 一种新型镗削刀具补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型镗削刀具补偿装置，它包括机床床身(1)和小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)，其中，床身(1)上安装有主轴驱动电机(3)、主轴脉冲编码器(6)、工件夹紧机构(11)、工件定位机构(12)、数控装置(13)、纵向伺服电机驱动系统(15)、自动润滑装置(2)，主轴驱动电机(3)与小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)联接，在机床的主轴(20)中设有超磁致伸缩致动器、超磁致伸缩致动器冷却装置(4)和其配送电装置。本发明的特点是：通过“L形直角杠杆+四连杆组合柔性铰链机构”，将超磁致伸缩致动器产生的轴向位移转化为镗刀的径向平动位移，实现了镗刀的径向平动进刀。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型镗削刀具补偿装置，可用于镗削过程中的刀具磨损补偿及镗削直径的调整，也可用于活塞异形销孔的精密镗削。
背景技术
目前国内和国际上，实现镗刀刀具补偿的方法具有代表性的有以下5种，这些方法均存在着一些不足：
专利号：98112446，公开号：1232732A的中国专利公开了一种“异型销孔镗削装置”，其采用了“纵向步进电机+拨杆+推杆”的机械机构，机床结构较为复杂，且不适应高频响刀具补偿的适用场合。
专利号：200510044793，公开号：1743111A的中国专利公开了“一种用于加工异型曲面孔的镗床”，其存在采用摆动补偿造成的“刀具轴向位置的不同，刀具进刀补偿量不同”的缺陷。
浙江大学公开了一种采用固定线圈驱动的超磁致伸缩致动器，这种采用固定线圈驱动的超磁致伸缩致动器的结构，存在漏磁严重，造成进刀效率低的缺陷。并且同样存在采用摆动补偿造成的“刀具轴向位置的不同，刀具进刀补偿量不同”的缺陷。
美国Michgan大学公开了一种智能镗刀的结构方法，其特点是在镗杆上安装了压电陶瓷驱动机构，存在采用摆动补偿造成的“刀具轴向位置的不同，刀具进刀补偿量不同”的缺陷。
德国的Fraunhofer生产技术研究所研制了一种智能镗刀，其镗刀的刀尖是靠压电陶瓷驱动的，并配有多个传感器对刀尖位置及工件的形状进行实时监测，从而进行实时修正。这种机构比较复杂，并且切削力不大(＜400N)。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种新型镗削刀具补偿装置，克服了以上技术存在的部分不足，使得发明更加适用。
本发明是在专利号：200510044793，公开号：1743111A的中国发明专利的基础之上进行了进一步发明创新，克服了其存在的部分缺点，可以使镗削刀具补偿达到更好的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种新型镗削刀具补偿装置，它包括机床床身(1)和小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)，其中，床身(1)上安装有主轴驱动电机(3)、主轴脉冲编码器(6)、工件夹紧机构(11)、工件定位机构(12)、数控装置(13)、纵向伺服电机驱动系统(15)、自动润滑装置(2)，主轴驱动电机(3)与小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)联接，在机床的主轴(20)中设有超磁致伸缩致动器、超磁致伸缩致动器冷却装置(4)和其配送电装置；所述小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)的前端安装伺服变形体(9)；所述纵向伺服电机驱动系统(15)上安装有线性导轨的纵向移动滑台(14)。
所述超磁致伸缩致动器包括：超磁致伸缩棒料(24)及其后端联接的后刚性联接件(42)，后刚性联接件(42)通过安装于其后端的钢球(44)与带锥形凹坑的高碳钢顶板(45)接触；钢球(44)与带锥形凹坑的高碳钢顶板(45)安装在超磁致伸缩执行机构座体(22)里，超磁致伸缩执行机构座体(22)通过冷却接头(21)与磁致伸缩体冷却系统连接，并分布着线路通道孔(43)和通气孔(46)；超磁致伸缩棒料(24)其前端联接前刚性联接件(40)，前刚性联接件(40)通过安装于其前端的钢球(39)与带球形凹坑的高碳钢顶板(38)接触；带球形凹坑的高碳钢顶板(38)与前段变形体的L形直角杠杆(30)相联；超磁致伸缩棒料(24)的外面是分布有螺旋槽(41)的绝缘线圈支架(25)，绝缘线圈支架(25)上面绕有线圈(23)。
所述超磁致伸缩致动器冷却装置(4)的结构是：供气皮管(56)通过第一管接头(55)与高速回转接头(54)联接；高速旋转接头(54)通过密封螺纹，与高速回转接头联接套(53)联结为一体；高速回转接头联接套(53)内部的冷气通道通过O型密封结构(57)联接了第二管接头(58)，第二管接头(58)的另一端联接着通气铜管(59)；通气铜管(59)通过第三管接头(21)与超磁致伸缩执行机构座体(22)相联；冷气通过铜管(59)和超磁致伸缩执行机构座体(22)，进入了超磁致伸缩执行机构座体(22)上面的通气孔(46)、在经过绝缘线圈支架(25)上面分布的螺旋槽(41)时对超磁致伸缩棒料(24)进行冷却，最终通过伺服变形体(9)上面分布的通孔缝隙结构(29)排出。
所述小孔节流式高速精密液体静压镗头(7)包括主轴箱(19)和安装在主轴箱(19)中的主轴(20)，主轴箱(19)前端和后端分别安装有小孔节流式高速精密液体静压轴承(18)，在小孔节流式高速精密液体静压轴承(18)的外端设有轴承端盖、压力表(8)、小孔节流器及压力油过滤部件、液体静压轴承供油孔(48)；主轴(20)的后端与主驱动电机(3)的转子联接，组成电主轴式静压主轴系统。
所述主轴驱动电机(3)上设有主轴电机转子(16)和主轴电机定子(17)；在所述的主轴右端安装有主轴齿形带轮(50)，该主轴齿形带轮(50)上通过同步带(5)与主轴脉冲编码器(6)的齿形带轮联接。
所述超磁致伸缩致动器的配送电装置的结构是：由高速回转滑环机构(52)外环引出的导线与外部直流驱动电源相联，内环则与主轴同步旋转，由内环引出的导线通过轴套(51)上面的开孔，进入到分布在主轴轴套(49)的走线槽(47)里面，进而通过超磁致伸缩棒料座体(22)的线圈线路通道(43)与超磁致伸缩材料的驱动线圈(23)相连，实现了对超磁致伸缩材料的驱动线圈(23)的供电。
所述高速回转滑环机构(52)由内环和外环组成，外环与内环可以相对高速旋转；内环通过螺钉与主轴末端轴套(51)联接，轴套(51)通过螺钉固定在主轴(20)的末端，轴套(51)里面有密封接头(57)、O形密封圈(58)，其末端通过密封螺纹与联接套(53)相连。
所述伺服变形体(9)安装在主轴(20)前端，其结构包括：弹性体通过布置的线切割缝隙，构成L形直角杠杆+平行四边形四连杆机构；弹性体材料为弹簧钢，其中心的螺纹孔里面安装有碟簧(36)、两个内六角螺钉(35)；其固定部分的后端开有通孔，前刚性件(40)通过该通孔与钢球(39)、前碳钢板(38)接触；伺服变形体(9)的固定端通过螺钉与主轴(20)的前端面联接，伺服变形体(9)的平动杆(33)通过螺钉与镗杆(10)联接。
本发明的特点是：通过“L形直角杠杆+四连杆组合柔性铰链机构”，将超磁致伸缩致动器(GMA-Giant Magnetostrictive Actuator)产生的轴向位移转化为镗刀的径向平动位移，实现了镗刀的径向平动进刀；由于GMM(Giant Magnetostrictive Materials)棒料预应力对GMA输出位移影响较大，本发明设计了一种特殊的预应力施力机构，使预应力机构与柔性铰链变形机构分离，实现GMA预应力的调整时不影响镗刀径向位置的变化，保证镗削尺寸的一致性。
不同于现有的“内外主轴偏心相对旋转”实现刀具径向进刀方法，本发明采用“L形直角杠杆+四连杆组合柔性铰链机构”，不仅实现了刀具径向位移的平动，而且由于带动刀具径向位移部分惯量较低，使得本发明适用于高频响刀具补偿的应用场合；而“内外主轴偏心相对旋转”式进刀方法，是靠内外轴的相对偏心运动实现刀具径向进刀，其移动惯量部分不仅包括刀杆，还包括机床内主轴，这就大大增加了进刀移动惯量，也就使得该方案无法满足刀具高频响补偿需求。
不同于现有的“异型销孔镗削装置(专利号：98112446，公开号：1232732A)”方式，本发明采用GMA致动器取代“异型销孔镗削装置”中“纵向步进电机+拨杆+推杆”的机械机构，不仅简化了机床结构，更克服了原发明不适应高频响刀具补偿的适用场合。
不同于用于加工异型曲面孔的镗床(专利号：200510044793，公开号：1743111A)、浙江大学所采用的固定线圈驱动的超磁致伸缩致动器及美国Michgan大学的智能镗刀的结构方法，本发明采用的“L形直角杠杆+四连杆组合柔性铰链机构”实现了刀具的平动补偿，克服了上面发明中由于采用摆动补偿造成的“刀具轴向位置的不同，刀具进刀补偿量不同”的缺陷；同时克服了浙江大学所采用的固定线圈驱动的超磁致伸缩致动器的结构存在漏磁严重，造成进刀效率低的缺陷，使得本发明更加适用。比德国的Fraunhofer生产技术研究所研制的智能镗刀更加简单。
附图说明
图1为本发明的新型镗削刀具补偿装置整体布局示意图；
图2为主轴系统的结构示意图。
其中，1、床身；2、自动润滑装置；3、主轴驱动电机；4、超磁致伸缩致动器冷却装置；5、同步带；6、主轴脉冲编码器；7、小孔节流式高速精密液体静压镗头；8、压力表；9、伺服变形体；10、镗杆；11、工件夹紧机构；12、工件定位机构；13、数控装置；14、纵向移动滑台；15、纵向伺服电机驱动系统；16、主轴电机转子；17、主轴电机定子；18、小孔节流式高速精密液体静压轴承；19、主轴箱；20、主轴；21、冷却接头；22、超磁致伸缩执行机构座体；23、线圈；24、超磁致伸缩棒料；25、绝缘线圈支架；26、弹性体；27、柔性铰链一；28、柔性铰链二；29、通孔缝隙结构；30、直角杠杆；31、柔性铰链三；32、柔性铰链四；33、平动杆；34、柔性铰链五；35、内六角螺钉；36、)碟簧；37、柔性铰链六；38、前碳钢板；39、前端的钢球；40、前刚性件；41、螺旋槽；42、后刚性联接件；43、线圈线路通道；44、后端的钢球；45、高碳钢顶板；46、通气孔；47、走线槽；48、液体静压轴承供油孔；49、主轴轴套；50、主轴齿形带轮；51、轴套；52、高速回转滑环机构；53、联接套；54、高速回转接头；55、第一管接头；56、供气皮管；57、O型密封结构；58、第二管接头；69、通气铜管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种新型镗削刀具补偿装置，它包括机床床身1和小孔节流式高速精密液体静压镗头7，其中，床身1上安装有主轴驱动电机3、主轴脉冲编码器6、工件夹紧机构11、工件定位机构12、数控装置13、纵向伺服电机驱动系统15、自动润滑装置2，主轴驱动电机3与小孔节流式高速精密液体静压镗头7联接，如图1所示。如图1、图2所示，在机床的主轴20中设有由安装超磁致伸缩棒料24及螺线管23等组成的超磁致伸缩致动器GMA、超磁致伸缩致动器GMA冷却装置4和配送电装置；所述小孔节流式高速精密液体静压镗头7的前端安装伺服变形体9；所述纵向伺服电机驱动系统15上安装有线性导轨的纵向移动滑台14。
超磁致伸缩致动器的配送电装置的特征是，高速回转滑环机构52由内环和外环组成，外环与内环可以相对高速旋转；内环通过螺钉与主轴末端轴套51联接，轴套51通过螺钉固定在主轴20的末端，轴套51里面有密封接头57、O形密封圈58，其末端通过密封螺纹与联接套53相连。由高速回转滑环机构52外环引出的导线与外部直流驱动电源相联，内环则与主轴同步旋转，由内环引出的导线通过轴套51上面的开孔，进入到分布在主轴轴套49的走线槽47里面，进而通过超磁致伸缩棒料座体22的线圈线路通道43与超磁致伸缩材料的驱动线圈23相连，实现了对超磁致伸缩材料的驱动线圈23的供电。
所述超磁致伸缩致动器包括：超磁致伸缩棒料24其后端联接后刚性联接件42，后刚性联接件42通过安装于其后端的钢球44与带锥形凹坑的高碳钢顶板45接触；钢球44与带锥形凹坑的高碳钢顶板45安装在超磁致伸缩执行机构座体22里，该座体22通过冷却接头21与磁致伸缩体冷却系统连接，并分布着线路通道孔43；超磁致伸缩棒料24其前端联接前刚性联接件40，前刚性联接件40通过安装于其前端的钢球39与带球形凹坑的高碳钢顶板38接触；带球形凹坑的高碳钢顶板38与前段变形体的L形直角杠杆30相联；超磁致伸缩棒料24的外面是分布有螺旋槽41的绝缘线圈支架25，绝缘线圈支架25上面绕有线圈23。绝缘线圈支架25可以通过调整其前后两侧的螺钉进行轴向定位。
所述超磁致伸缩致动器冷却装置4的结构是：供气皮管56通过第一管接头55与高速回转接头54联接；高速旋转接头54通过密封螺纹，与高速回转接头联接套53联结为一体；高速回转接头联接套53内部的冷气通道通过O型密封结构57联接了第二管接头58，第二管接头58的另一端联接着通气铜管59；通气铜管59通过第三管接头21与超磁致伸缩执行机构座体22相联；冷气通过铜管59和超磁致伸缩执行机构座体22，进入了超磁致伸缩执行机构座体22上面的通气孔46、在经过绝缘线圈支架25上面分布的螺旋槽41时对超磁致伸缩棒料24进行冷却，最终通过伺服变形体上面分布的通孔缝隙结构29排出。
所述小孔节流式高速精密液体静压镗头7包括主轴箱19和安装在主轴箱19中的主轴20，主轴箱19前端和后端分别安装有小孔节流式高速精密液体静压轴承18，在小孔节流式高速精密液体静压轴承18的外端设有轴承端盖、压力表8、小孔节流器及压力油过滤部件、液体静压轴承供油孔48等；主轴20的后端与主驱动电机3的转子联接，组成电主轴式静压主轴系统。
所述主轴驱动系统包括主轴单元的驱动及GMA的驱动，其中主轴单元包括：主轴电机转子16、主轴电机定子17；在所述的主轴右端安装有主轴齿形带轮50，该主轴齿形带轮50上通过同步带5与主轴脉冲编码器6的齿形带轮联接。
所述伺服变形体9安装在主轴20前端，其结构包括：弹性体通过适当布置的线切割缝隙，构成L形直角杠杆+平行四边形四连杆机构；弹性体材料为弹簧钢，其中心的螺纹孔里面安装有碟簧36、两个内六角螺钉35；其固定部分的后端开有通孔，前刚性件40通过该通孔与钢球39、前碳钢板38接触；伺服变形体9的固定端通过螺钉与主轴20的前端面联接，伺服变形体9的平动杆33通过螺钉与镗杆10联接。
主电机3带动主轴20和伺服变形体9的旋转，形成了镗削的主运动；纵向伺服电机驱动系统15与安装有线性导轨的纵向移动滑台14相连接。纵向移动滑台14上固定安装着工件夹紧机构11，工件夹紧机构11可沿主轴方向平动，实现活塞的纵向进给；超磁致伸缩棒料24在控制磁场作用下输出相应的位移。由于超磁致伸缩棒料24后端连接着后刚性联接件42，后刚性件42通过安装于其后端的钢球44、带锥形凹坑的高碳钢顶板45连接着超磁致伸缩执行机构座体22，所以超磁致伸缩棒料24只能向前端伸缩。弹性体26与超磁致伸缩棒料24通过螺钉连接。超磁致伸缩棒料24通过前连接件40、钢球39及前顶板38，将控制位移量作用在L形直角杠杆垂直立面上；由于超磁致伸缩棒料24的预应力施加，是通过两个内六角螺钉35、碟簧36施加的，与变形体平动部分没有直接关系，预应力的施加不影响镗刀的径向位移；四个柔性铰链(柔性铰链一27、柔性铰链三31、柔性铰链五34、柔性铰链六37)构成了平行四边形连杆结构，可以实现弹性体端面33的沿竖直方向的平动；直角杠杆30与柔性铰链二28构成了L形直角杠杆机构，直角杠杆30的水平端通过柔性铰链四32与平动杆33相连。超磁致伸缩棒料24输出位移推动L形直角杠杆机构的竖直端前后运动，通过支点柔性铰链二28的作用，转化L形直角杠杆30的水平端的上下摆动；L形直角杠杆30的水平端通过柔性铰链四32与平动杆33相连，通过平行四边形机构的作用，平动杆33做竖直运动，进而实现了与平动杆相联接的镗刀杆的径向平动。镗刀径向进刀量与主轴脉冲编码器6信号插补，可完成椭圆形销孔的加工；镗刀径向进刀量与伺服电机15插补，可完成各类素线为非直线的各类异形销孔的加工；镗刀径向进刀量同时与主轴脉冲编码器6及伺服电机15联动插补，可完成各类非圆曲面型高负荷孔的加工。
Claims (7)
1.一种新型镗削刀具补偿装置，它包括机床床身（1）和小孔节流式高速精密液体静压镗头（7），其中，床身（1）上安装有主轴驱动电机（3）、主轴脉冲编码器（6）、工件夹紧机构（11）、工件定位机构（12）、数控装置（13）、纵向伺服电机驱动系统（15）、自动润滑装置（2），主轴驱动电机（3）与小孔节流式高速精密液体静压镗头（7）联接，其特征在于：在机床的主轴（20）中设有超磁致伸缩致动器、超磁致伸缩致动器冷却装置（4）和其配送电装置；所述小孔节流式高速精密液体静压镗头（7）的前端安装伺服变形体（9）；所述纵向伺服电机驱动系统（15）上安装有线性导轨的纵向移动滑台（14）；
所述伺服变形体（9）安装在主轴（20）前端，其结构包括：弹性体通过布置的线切割缝隙，构成L形直角杠杆+平行四边形四连杆机构；弹性体材料为弹簧钢，其中心的螺纹孔里面安装有碟簧（36）、两个内六角螺钉（35）；其固定部分的后端开有通孔，前刚性件（40）通过该通孔与钢球（39）、前碳钢板（38）接触；伺服变形体（9）的固定端通过螺钉与主轴（20）的前端面联接，伺服变形体（9）的平动杆（33）通过螺钉与镗杆（10）联接。
2.根据权利要求1所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述超磁致伸缩致动器包括：超磁致伸缩棒料（24）及其后端联接的后刚性联接件（42），后刚性联接件（42）通过安装于其后端的钢球（44）与带锥形凹坑的高碳钢顶板（45）接触；钢球（44）与带锥形凹坑的高碳钢顶板（45）安装在超磁致伸缩执行机构座体（22）里，超磁致伸缩执行机构座体（22）通过冷却接头（21）与磁致伸缩体冷却系统连接，并分布着线路通道孔（43）和通气孔（46）；超磁致伸缩棒料（24）其前端联接前刚性件（40），前刚性件（40）通过安装于其前端的钢球（39）与带球形凹坑的前碳钢板（38）接触；带球形凹坑的前碳钢板（38）与前段变形体的L形直角杠杆（30）相联；超磁致伸缩棒料（24）的外面是分布有螺旋槽（41）的绝缘线圈支架（25），绝缘线圈支架（25）上面绕有线圈（23）。
3.根据权利要求1所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述超磁致伸缩致动器冷却装置（4）的结构是：供气皮管（56）通过第一管接头（55）与高速回转接头（54）联接；高速回转接头（54）通过密封螺纹，与高速回转接头联接套（53）联结为一体；高速回转接头联接套（53）内部的冷气通道通过O型密封结构（57）联接了第二管接头（58），第二管接头（58）的另一端联接着通气铜管（59）；通气铜管（59）通过第三管接头（21）与超磁致伸缩执行机构座体（22）相联。
4.根据权利要求1所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述小孔节流式高速精密液体静压镗头（7）包括主轴箱（19）和安装在主轴箱（19）中的主轴（20），主轴箱（19）前端和后端分别安装有小孔节流式高速精密液体静压轴承（18），在小孔节流式高速精密液体静压轴承（18）的外端设有轴承端盖、压力表（8）、小孔节流器及压力油过滤部件、液体静压轴承供油孔（48）；主轴（20）的后端与主驱动电机（3）的转子联接，组成电主轴式静压主轴系统。
5.根据权利要求1所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述主轴驱动电机（3）上设有主轴电机转子（16）和主轴电机定子（17）；在所述的主轴右端安装有主轴齿形带轮（50），该主轴齿形带轮（50）上通过同步带（5）与主轴脉冲编码器（6）的齿形带轮联接。
6.根据权利要求1所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述超磁致伸缩致动器的配送电装置的结构是：由高速回转滑环机构（52）外环引出的导线与外部直流驱动电源相联，内环则与主轴同步旋转，由内环引出的导线通过轴套（51）上面的开孔，进入到分布在主轴轴套（49）的走线槽（47）里面，进而通过超磁致伸缩棒料座体（22）的线圈线路通道（43）与超磁致伸缩材料的驱动线圈（23）相连。
7.根据权利要求6所述的一种新型镗削刀具补偿装置，其特征在于：所述高速回转滑环机构（52）由内环和外环组成，外环与内环可以相对高速旋转；内环通过螺钉与主轴末端轴套（51）联接，轴套（51）通过螺钉固定在主轴（20）的末端，轴套（51）里面有密封接头（57）、O形密封圈（58），其末端通过密封螺纹与联接套（53）相连。
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