CN104625766A - 一种双球副两自由度可倾工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双球副两自由度可倾工作台。该工作台利用双球副方式，直接采用球面的一部分作为导轨面，结构紧凑，系统刚性高，并具有两个互相垂直方向的旋转自由度，与环形刀、锥度铣刀等结合可以应用于大多数复杂曲面类零件的五轴数控加工，而且两个互相垂直方向的旋转角度可通过旋转编码器输出，结合电磁刹车制动器的断电制动以及蜗轮蜗杆的自锁功能，可将工作台的工件固定台面精确、可靠地固定于所需的倾斜角度。

Description

一种双球副两自由度可倾工作台

技术领域

本发明涉及一种可倾工作台，尤其是一种通过电机驱动，利用双球副实现互相垂直的两旋转自由度的可倾工作台，使工作台的工件固定台面可在设计的参数内根据所需的角度和方向倾斜，可与机床主轴配合实现复杂结构零件的加工。

背景技术

复杂零件，特别是复杂曲面零件（如涡轮叶片）的加工需要刀具与工件之间具有复杂相对运动，也就是要求刀具相对于工件具有较多的自由度。通常，零件加工的复杂度取决于加工机床主轴的自由度，主轴自由度越多，复杂零件的加工能力越强，同时，机床越昂贵。如果为机床配备具有两倾斜旋转自由度的可倾工作台，将工件固定于该工作台上进行加工，相当于在机床结构不变的情况下，加工系统增加了两个自由度，从而显著提高复杂零件的加工能力。

目前市场上可倾回转工作台种类较多，是铣床、镗床、钻床的主要附件之一，主要用于加工斜孔或通过装夹定位加工除支撑面以外要求从工件中的各方位进行加工的工件。另外，工作台可以垂直位置与尾座配合使用，对工件进行圆周分度铣削和钻削。该类工作台具有一个回转自由度和一个倾斜自由度，在复杂曲面零件加工方面能力有限。

另外，目前有一些具有两个互相垂直方向旋转轴的两自由度可倾工作台，基本原理是两个传统的单自由度可倾工作台的叠加，一方面竖直方向尺寸较大，另一方面工作台整体刚性相对不足。

发明内容

本发明的目的，是提供一种高刚度的具有两倾斜自由度的可倾工作台，该工作台通过双球副实现高支撑刚性，并通过驱动机构实现工作台具有两个互相垂直的旋转自由度。

本发明的目的是这样实现的：一种双球副两自由度可倾工作台，由工件固定台、上层台、双球副中层台和下层台四部分组成。

所述的工件固定台为一块带有T形槽的固定板，用于与T形螺栓配合固定工件。工件固定台与上层台部分的上层球副壳体通过螺钉固连。

所述的上层台中的上层球副壳体与双球副中层台之间由通过两块压板所固定的左、右旋转轴连接，两个旋转轴与上层球副台之间安装有轴承，实现二者之间的相对转动。两个旋转轴上安装连接板，固定板与连接板固连，在固定板下方安装蜗轮蜗杆、滚轴丝杠螺母传动机构。另外，上层球副壳体中还安装有杠杆传动机构，该机构的上滑块通过上销轴与固定在上滚珠丝杠螺母上的上螺母滑块相连，下滑块通过下销轴与跟上层球副壳体固连的下销轴固定座相连，上、下滑块安装在上杠杆上，上的中上部安装有中销轴，中销轴与跟右旋转轴固连的中销轴固定座相连。上步进电机通过上蜗杆带动上蜗轮转动，上蜗轮带动上丝杠转动，从而带动上螺母运动，最终通过上螺母驱动杠杆传动机构，利用杠杆原理实现上层球副壳体绕左、右旋转轴转动，即上层台和双球副中层台之间的相对转动。在上层台的固定板下方通过上旋转编码器支架固定上旋转编码器，该编码器的转轴与左旋转轴同轴，并通过上耦合器与转角输出轴相连，当上层球副壳体绕左、右旋转轴转动时，通过中间连接板、连接板固定架与上层球副壳体固连的拨叉拨动转角输出轴，从而通过上旋转编码器输出上层球副台的转角。

所述的双球副中层台为一个双面为球副的壳体，其上层球面与上层球副壳体相配合，下层球面与下层台的固定座的球面相配合。双层球副台的下侧安装有角度反馈齿弧，角度反馈齿弧上安装有导向滑块固定板，所述的下层台部分的固定座的球面与双球副中层台的下层球面接触配合。与上层台部分类似，下层台部分利用步进电机驱动蜗轮蜗杆、滚珠丝杠螺母、杠杆传动等机构进行运动，使得双球副中层台与下层台的固定座之间进行相对转动。在下层台的固定座内通过下编码器支架安装有下旋转编码器，下旋转编码器的转轴通过下耦合器与齿轮轴连接，齿轮轴通过齿轮轴支架支撑。在齿轮轴上安装有角度反馈齿轮A和角度反馈齿轮B，二者之间通过螺钉连接，角度反馈齿轮A通过紧定螺钉与齿轮轴固连。角度反馈齿轮A、B与固定在双球副中层台的角度反馈齿弧啮合，当双球副中层台相对于固定座旋转时，角度反馈齿弧带动角度反馈齿轮A、B转动，从而通过下旋转编码器反馈双球副中层台的转角。角度反馈齿轮A、B之间采用螺钉连接，其目的是用于消除齿轮啮合的间隙，提高角度反馈精度。

本发明的双球副两自由度可倾工作台采用了以上的技术方案，具有以下优点和特点：

1、工作台具有两个互相垂直方向的旋转自由度，与环形刀、锥度铣刀等结合可以应用于大多数复杂曲面类零件的五轴数控加工；

2、工作台利用双球副方式实现两个互相垂直方向的自由度，一方面，直接采用球面的一部分作为导轨面，接触面积大、接触刚性高；另一方面，有效减小了工作台的竖直方向的空间，提高了工作台的系统刚性；

3、通过旋转编码器将工作台两个方向的转角输出，实现了工作台的工件固定台面倾斜角度的精确可控。

附图说明

图1是本发明所述的双球副两自由度可倾工作台的整体外观图；

图2是拆去工件固定台后的双球副两自由度可倾工作台外观图；

图3是拆去工件固定台、固定板并将上层球副台和双球副中层台剖切后的结构图；

图4是拆去工件固定台并将上层球副台的另一侧剖切后的结构图；

图5是上层台部分的蜗轮蜗杆、滚珠丝杠螺母传动部分的装配爆炸图；

图6是上层台部分的杠杆传动机构的装配爆炸图；

图7是上层台部分的转角反馈机构的装配爆炸图；

图8是工作台反转后的下层台部分的结构图；

图9是下层台部分的蜗轮蜗杆、滚珠丝杠螺母传动部分的装配爆炸图；

图10是下层台部分的杠杆传动机构部分的装配爆炸图；

图11是下层台部分的齿轮式转角反馈机构的装配爆炸图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种高刚度双球副两自由度可倾工作台，由工件固定台1、上层台2、双球副中层台3、下层台4四部分组成。

请参见图1、图2，所述的工件固定台1为一块带有T形槽的固定板，用于与T形螺栓配合固定工件。工件固定台1与上层台2部分的上层球副壳体201通过螺钉固连。

请参见图1～图3，所述的上层台2部分的上层球副壳体201的左右两个孔中安装分别装有轴承205的左旋转轴217与右旋转轴203，左旋转轴217和右旋转轴203分别通过压板204与双球副中层台3固连，从而实现上层球副壳体201与双球副中层台3之间的相对转动。

请参见图2～图5，所述的上层台2部分的左连接板216和右连接板206分别通过螺钉与左旋转轴217和右旋转轴203连接，固定板202的左右两侧通过螺钉与左连接板216和右连接板206固定连接。固定板202的下方通过螺钉安装丝杠支架A220和丝杠支架B208，丝杠支架A220和丝杠支架B208的孔内安装有上丝杠滑动轴承231，上滚珠丝杠210的两端与上丝杠滑动轴承231相配合。上滚珠丝杠210上安装有上螺母212，上螺母212上通过螺钉固定上螺母滑块211，上螺母滑块211上固连有上销轴228。上电磁刹车制动器222通过螺钉与丝杠支架A220连接，上滚珠丝杠210端部的D形轴部分与上电磁制动器222内部的D形孔相配合。上滚珠丝杠210上安装有上蜗轮209，二者之间通过键连接传递扭矩。丝杠支架B208通过螺钉固定两个装有上蜗杆滑动轴承230的上蜗杆支架207，两个上蜗杆支架207之间安装有上蜗杆229。上蜗杆229的一端通过上蜗杆联轴器232与上步进电机214的主轴相连。上步进电机214通过螺钉固定在上电机支架213上，上电机支架213通过螺钉安装于固定板202。

请参见图3～图6，所述的上层台2部分的上螺母滑块211上固连的上销轴228与固连于上滑块224内的上销轴套筒233配合，上滑块224安装有上滑块套筒234，并与上杠杆227的上端相配合。上杠杆227的下端安装有下滑块226，二者之间安装有下滑块套筒237，下滑块226的另一端安装有下销轴套筒238，与下销轴239的一端配合，下销轴239的另一端与通过螺钉固定于上层球副壳体201的下销轴固定座225固连。上杠杆227的中上部的孔与固连于中销轴固定座236的中销轴235配合，中销轴固定座236通过螺钉固定于右连接板206。当上步进电机214工作时，通过上蜗杆联轴器232带动上蜗杆229转动，从而通过上蜗轮209带动上滚珠丝杠210转动，使上螺母滑块211沿上滚珠丝杠210轴线运动，在上销轴228的带动下，上滑块224利用杠杆原理通过上杠杆227迫使下滑块226向相反方向摆动，从而通过下销轴239和下销轴固定座225驱动上层球副壳体201绕左旋转轴217、右旋转轴203相对于双球副中层台3转动。

请参见图3和图7，所述的上层台2部分的上旋转编码器218通过螺钉与上旋转编码器支架215相连，上旋转编码器支架215通过螺钉固定于固定板202，上旋转编码器218的转轴与左旋转轴217同轴，并且上旋转编码器218的转轴通过上耦合器241与转角输出轴240的一端相连，转角输出轴240的另一端与左连接板216和左旋转轴217上与左旋转轴217同轴的孔形成间隙配合。拨叉219的一端的矩形槽与转角输出轴240上的扁形结构配合，拨叉219的另一端通过螺钉与中间连接板221相连，中间连接板221与固定于上层球副壳体201的连接板固定座223相连。当上层球副壳体201相对于双球副中层台3转动时，通过连接板固定座223、中间连接板221、拨叉219、转角输出轴240、上耦合器241带动上旋转编码器218的转轴转动，从而将上层球副壳体201的转角输出。当转角达到指定的角度时，上电磁刹车制动器222断电，对上滚珠丝杠231进行刹车制动，从而限制上螺母212的运动，也就是限制了上层台2部分与双球副中层台3之间的相对转动。

请参见图1和图2，所述的双球副中层台3为一个双面为球副的壳体，其上层球面与上层台2部分的上层球副壳体201相配合，下层球面与下层台4部分的固定座401的球面相配合。

请参见图1、图2、图8和图9，所述的下层台4部分的底座401的腔体中通过螺钉固定丝杠支架C412和丝杠支架D404，丝杠支架C412和丝杠支架D404的孔内安装有下丝杠滑动轴承429，下滚珠丝杠411的两端与下丝杠滑动轴承429相配合。下滚珠丝杠411上安装有下螺母431，下螺母431通过螺钉固定下螺母滑块410。下电磁刹车制动器413通过螺钉与丝杠支架C412相连，下滚珠丝杠411端部的D形轴部分与下电磁制动器413内部的D形孔相配合。下滚珠丝杠411上安装有下蜗轮407，二者之间通过键连接传递扭矩。丝杠支架D404通过螺钉固定两个装有下蜗杆滑动轴承430的下蜗杆支架405，两个下蜗杆支架405之间安装有下蜗杆406。下蜗杆406的一端通过下蜗杆联轴器428与下步进电机402的主轴相连。下步进电机402通过螺钉固定在下电机支架403上，下电机支架403通过螺钉固定于底座401。

请参见图8、图10、图11，所述的下层台4部分的短滑块销轴439的一端插入下螺母滑块410的孔内，另一端通过短滑块销轴套筒438与短滑块408相连。下杠杆409的一端与装有短套筒436的短滑块408相连，另一端与装有长套筒434的长滑块416相连，中部与下杠杆销轴436相连，下杠杆销轴436通过弹簧挡圈435限位，下杠杆销轴436与通过螺钉固定在底座401上的下杠杆销轴固定座415相连。长滑块416的另一端安装有长滑块套筒433，并与拨动滑杆417相连，拨动滑杆417下端的孔内安装滑杆套筒440，并与滑杆销轴432相连，滑杆销轴432的另一端与导向滑块427固连，导向滑块427通过螺钉固定于导向滑块固定板419，导向滑块427的圆柱面与导向块418的圆柱面相配合，与固定座401的球面和双球副中层台3的球面配合相结合，对双球副中层台3相对于底座401的转动起到导向和限位作用。导向滑块固定板419通过螺钉与角度反馈齿弧424固定连接，角度反馈齿弧424通过螺钉固定在双球副中层台3下侧。角度反馈齿轮A425和角度反馈齿轮B426与角度反馈齿弧424啮合，且二者之间通过螺钉连接，用于消除齿轮啮合间隙。角度反馈齿轮A425与齿轮轴442通过紧定螺钉443固定连接，齿轮轴442通过固定在底座401上的齿轮轴支架420支撑，且另一端通过下耦合器441与下旋转编码器421的转轴相连。下旋转编码器421通过螺钉固定于下旋转编码器支架422上，下旋转编码器支架422通过螺钉固定于底座401上。

当下步进电机402工作时，通过蜗轮蜗杆和滚珠丝杠螺母传动驱动下螺母滑块410沿下滚珠丝杠411的轴线运动，从而通过短滑块销轴439带动短滑块408运动，短滑块408利用杠杆原理通过下杠杆409驱动长滑块416运动，长滑块416通过拨动滑杆417、滑杆销轴432、导向滑块427、导向滑块固定座419、角度反馈齿弧424带动双球副中层台3相对于底座401进行转动，并通过角度反馈齿弧424、角度反馈齿轮A425、角度反馈齿轮B426、齿轮轴442和下耦合器441将转角传递给下旋转编码器421后输出。当角达到指定角度时，下电磁刹车制动器413断电，将下滚珠丝杠411刹车制动，即将双球副中层台3相对于底座401固定。

Claims (5)

1.一种高刚性双球副两自由度可倾工作台，其特征在于：由工件固定台、上层台、双球副中层台、下层台四部分组成；

所述的工件固定台为一块带有T形槽的固定板，用于与T形螺栓配合固定工件；工件固定台与上层台部分的上层球副壳体通过螺钉固连；

所述的上层台部分的上层球副壳体的左右两个孔中安装分别装有轴承的左旋转轴与右旋转轴，左旋转轴和右旋转轴分别通过压板与双球副中层台固连，从而实现上层球副壳体与双球副中层台之间的相对转动；左旋转轴和右旋转轴分别通过螺钉固定左连接板和右连接板，左连接板和右连接板上方通过螺钉与固定板固定连接；固定板的下方通过螺钉安装丝杠支架A和丝杠支架B，丝杠支架A和丝杠支架B的孔内安装有上丝杠滑动轴承，上滚珠丝杠的两端与上丝杠滑动轴承相配合；上滚珠丝杠上安装有上螺母，上螺母通过螺钉固定上螺母滑块，上螺母滑块固定安装有上销轴；丝杠支架A通过螺钉与上电磁刹车制动器固连，上滚珠丝杠端部的D形轴部分与上电磁制动器内部的D形孔相配合；上滚珠丝杠上安装有上蜗轮，二者之间通过键连接传递扭矩；丝杠支架B通过螺钉固定两个装有上蜗杆滑动轴承的上蜗杆支架，两个上蜗杆支架之间安装有上蜗杆；上蜗杆的一端通过上蜗杆联轴器与上步进电机的主轴相连，上步进电机通过螺钉固定在上电机支架上，上电机支架通过螺钉安装于固定板；固定于上螺母滑块的上销轴与安装于上滑块内的上销轴套筒配合，上滑块还安装有上滑块套筒，并与上杠杆的上端相配合；上杠杆的下端安装有下滑块，二者之间安装有下滑块套筒，下滑块的另一端安装有下销轴套筒，与下销轴的一端配合，下销轴的另一端与通过螺钉固定于上层球副壳体的下销轴固定座固连；上杠杆的中上部的孔与固连于中销轴固定座的中销轴配合，中销轴固定座通过螺钉固定于右连接板；上层台部分与双球副中层台之间的相对转角通过上旋转编码器输出，上旋转编码器通过螺钉固定于上旋转编码器支架，上旋转编码器支架通过螺钉固定于固定板，上旋转编码器的转轴与左旋转轴同轴，并且上旋转编码器的转轴通过上耦合器与转角输出轴的一端相连，转角输出轴的另一端与左连接板和左旋转轴上与左旋转轴同轴的孔形成间隙配合；拨叉的一端的矩形槽与转角输出轴上的扁形结构配合，拨叉的另一端通过螺钉与中间连接板相连，中间连接板通过螺钉与固定于上层球副壳体的连接板固定座相连；

所述的双球副中层台部分为一个上、下两侧均为球面的壳体，上侧球面与上层台部分的上球副壳体的球面相配合，下侧球面与下层台部分的底座的球面相配合；

所述的下层台部分的底座的腔体中通过螺钉固定丝杠支架C和丝杠支架D，丝杠支架C和丝杠支架D的孔内安装有下丝杠滑动轴承，下滚珠丝杠的两端与下丝杠滑动轴承相配合；下滚珠丝杠上安装有下螺母，下螺母通过螺钉固定下螺母滑块；丝杠支架D通过螺钉固定下电磁刹车制动器，下滚珠丝杠端部的D形轴部分与下电磁制动器内部的D形孔相配合；下滚珠丝杠上安装有下蜗轮，二者之间通过键连接传递扭矩；丝杠支架D通过螺钉固定两个装有下蜗杆滑动轴承的下蜗杆支架，两个下蜗杆支架之间安装有下蜗杆；下蜗杆的一端通过下蜗杆联轴器与下步进电机的主轴相连；下步进电机通过螺钉固定在下电机支架上，下电机支架通过螺钉固定于底座；

固定于下螺母的下螺母滑块固定安装有短滑块销轴，短滑块销轴的另一端通过短滑块销轴套筒与短滑块相连；下杠杆的一端与装有短套筒的短滑块相连，另一端与装有长套筒的长滑块相连，中部与下杠杆销轴相连，下杠杆销轴通过弹簧挡圈限位，下杠杆销轴的另一端与通过螺钉固定在底座上的下杠杆销轴固定座相连；长滑块的另一端安装有长滑块套筒，并与拨动滑杆相连，拨动滑杆下端的孔内安装滑杆套筒，并与滑杆销轴一端相连，滑杆销轴的另一端与导向滑块固连，导向滑块通过螺钉固定于导向滑块固定板；导向滑块固定板通过螺钉与角度反馈齿弧固定连接，角度反馈齿弧通过螺钉固定在双球副中层台下侧；角度反馈齿轮A和角度反馈齿轮B与角度反馈齿弧啮合，且二者之间通过螺钉连接；

角度反馈齿轮A通过紧定螺钉与齿轮轴固定连接，齿轮轴通过固定在底座上的齿轮轴支架支撑，且另一端通过下耦合器与下旋转编码器的转轴相连；下旋转编码器通过螺钉安装在固定于底座上的下旋转编码器支架上。

2.根据权利要求1所述的双球副两自由度可倾工作台，其特征在于：利用双球副方式，直接采用球面的一部分作为导轨面，接触面积大、接触刚性高，并且有效减小了工作台的竖直方向的空间，进一步提高了工作台的系统刚性。

3.根据权利要求1所述的双球副两自由度可倾工作台，其特征在于：具有两个互相垂直方向的旋转自由度，与环形刀、锥度铣刀等结合可以应用于大多数复杂曲面类零件的五轴数控加工。

4.根据权利要求1所述的双球副两自由度可倾工作台，其特征在于：采用步进电机通过蜗轮蜗杆、滚珠丝杠螺母和杠杆等传动机构实现工作台的倾斜旋转，易于操作和控制。

5.根据权利要求1所述的双球副两自由度可倾工作台，其特征在于：两个互相垂直方向的旋转角度可通过旋转编码器输出，结合电磁刹车制动器的断电制动以及蜗轮蜗杆的自锁功能，可将工作台的工件固定台面精确、可靠地固定于所需的倾斜角度。