CN104646718B - 一种液压式镗削刀具微进刀装置以及设有该装置的镗床 - Google Patents

一种液压式镗削刀具微进刀装置以及设有该装置的镗床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液压式镗削刀具微进刀装置以及设有该装置的镗床，采用“伺服电机+弹簧+液压+弹性变形体”方式，通过控制伺服电机旋转，使滑台移动压缩弹簧，弹簧变形产生压力，压力作用于液压油腔，液压油从而获得一定的压强，液压油作用于弹性变形体中的活塞组件；活塞在压力油的作用下驱动“四连杆”结构的弹性变形体平动，实现镗刀的径向位移补偿。本发明结合了机械式刀具补偿装置与液压伺服刀具补偿装置的特点，将刀具径向位移控制转化为伺服电机位移控制，使得本发明具有精度高、结构简单、易于控制和维护等特点。

Description

一种液压式镗削刀具微进刀装置以及设有该装置的镗床
技术领域
本发明涉及一种新型液压式镗削刀具微位移补偿驱动装置，可用于镗削过程中的刀具磨损补偿及镗削直径的调整，也可用于镗削活塞异形销孔。
背景技术
国内现有的“纵向步进电机+拨杆+推杆”中的机械机构(“异型销孔镗削装置(专利号：ZL98112446.1)”)，传动环节多，吃刀刚性差、进一步提高精度受限；国际上以日本NT公司为代表的液压变形式，通过伺服阀进行压力控制，并由特殊设计的弹性变形机构，实现刀具的位移补偿，但由于伺服阀对液压油清洁度等环境要求苛刻，使用受到了很大限制。
发明内容：
为了解决现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种液压式镗削刀具精密补偿装置，可补偿镗削刀具由于磨损等原因造成的镗削孔直径加工误差，提高被镗削孔加工精度；也可用于各类非圆柱孔(如活塞异形销孔、连杆小头异形孔等)的精密镗削。
本发明采用的技术方案如下：
一种液压式镗削刀具微进刀装置，包括一个箱体，在箱体的一端设有一个驱动电机I，所述的驱动电机I驱动一个丝杠I旋转，所述的丝杠I上安装一个滑台I，滑台I远离伺服电机的端部位于一个缸体内，滑台在丝杠I的驱动作用下沿缸体内部回滑动，在所述缸体内还设有一个与滑台I端部相对的组合式活塞，在滑台I和组合式活塞之间安装有弹性装置，弹性装置的两端分别固定在滑台和组合式活塞的端部，组合式活塞的另一个端部与缸体组成一个液压油腔；所述的液压油腔通过一个油管与镗床的主轴系统相连通，进而驱动刀杆运动。
所述的驱动电机为伺服电机。
所述的主轴系统包括主轴箱、压力油管、主轴底座和弹性变形体，所述的主轴箱安装在一个主轴底座上，在主轴箱内设有一个与液压油腔相连的压力油管，压力油管的另一端与弹性变形体内的油腔相连通，且弹性变形体驱动刀杆运动。
所述的弹性变形体包括动力单元固定部件、动力单元移动部件和刚性钢套，动力单元固定部件位于动力单元移动部件的上方，且两者之间形成油腔，刚性钢套设于动力单元固定部件和动力单元移动部件的外面起支撑密封作用，所述的动力单元移动部件在油压的作用下外扩使得安装于弹性变形体端面上的镗刀杆产生径向平动移动，从而实现加工异形销孔所需的刀具补偿量。
所述的液压油腔与液压供油装置相连，且在其连接的回路上设有一个单向阀。
所述的组合式活塞，与弹簧相连的端面面积比位于液压油腔侧的端面面积大。
在所述的箱体底部设有一对导轨，所述的滑台I能沿着导轨来回滑动。
一种镗床，包括一个机床床身，在所述的机床床身上设有所述的主轴系统、工件夹紧装置、工件定位装置，所述的主轴系统与所述的液压式镗削刀具微进刀装置相连，所述的工件夹紧装置能沿着机床床身的轴向方向来回移动，所述的工件定位装置安装在机床床身的一端与主轴系统相对应。
所述的工件夹紧装置安装在一个驱动装置上，所述的驱动装置包括一个伺服驱动电机II，所述的伺服驱动电机II驱动一个丝杠II旋转，丝杠II上安装一个纵向移动滑台II，工件夹紧装置固定在纵向移动滑台上。
所述的驱动电机I、伺服驱动电机II均与数控系统相连，本发明采用通用数控系统(如西门子802系统)的R参数+循环指令，实现曲面异形孔插补，插补各点之间轴向距离0.10mm。
本发明的工作过程如下：
伺服电机I旋转，通过联轴器带动滚珠丝杠I旋转，滚珠丝杠I的旋转使得滑台I向左移动；滑台I的移动使得弹簧被压缩；弹簧另一侧连接推杆，推杆另一侧为装有液压油的油腔；由于液压油不可压缩，组合式活塞为刚性部件，因此弹簧的压缩量为滑台I的位移量。弹簧受力压缩变形满足胡克定律，弹簧对组合式活塞的力与弹簧的压缩量成比例关系，系数为弹簧的弹性系数。弹簧安装时需要一定的预紧，以保证电机反向旋转时刀具能够退回。组合式活塞受到弹簧的推力，产生向左移动的趋势，而由于液压油的不可压缩，根据力的平衡关系，液压油腔中的液压油受到组合式活塞的压力为弹簧产生的压力；液压油腔中液压油的压强为压力除以组合式活塞小端的横截面积，本发明通过减小组合式活塞小端的横截面积降低了对弹簧压力大小的要求，更易于控制。
液压油腔中的液压油经过油管、回转接头、再经液压油管输送到动力单元固定部件与移动部件之间的油腔中。动力单元分为两个部件：固定部件和移动部件，液压油作用在两个部件之间的油腔中，使得移动部件产生微小的径向外扩移动；弹性变形体是柔性铰链四连杆结构；移动部件的外扩使得安装于弹性变形体端面上的镗刀杆产生径向平动移动，从而实现加工异形销孔所需的刀具补偿量。刚性钢套主要起密封作用。
本发明采用“伺服电机+滚珠丝杠+弹簧”方式将电机旋转转化为弹簧压力，又通过液压缸推杆将弹簧压力转化为液压油压力，从而实现电机位移到液压压力的转化。
本发明的有益效果如下：
本发明的特点是，采用“伺服电机+弹簧+液压+弹性变形体”方式，通过控制伺服电机旋转，使滑台移动压缩弹簧，弹簧变形产生压力，压力作用于液压油腔，液压油从而获得一定的压强，液压油作用于弹性变形体中的活塞组件；活塞在压力油的作用下驱动“四连杆”结构的弹性变形体平动，实现镗刀的径向位移补偿。本发明结合了机械式刀具补偿装置与液压伺服刀具补偿装置的特点，将刀具径向位移控制转化为伺服电机位移控制，使得本发明具有精度高、结构简单、易于控制和维护等特点。
不同于现有的“异型销孔镗削装置(专利号：ZL98112446.1)”方式，本发明采用“伺服电机+弹簧+液压+弹性变形体”取代“异型销孔镗削装置(专利号：ZL98112446.1)”中“纵向步进电机+拨杆+推杆”的机械机构，通过合理选取弹簧刚度，适当放大伺服电机位移控制，提高液压压力控制分辨精度，实现伺服刀杆补偿量的精密控制；本发明采用了液压伺服控制方式，精简了机械结构，在原理上提高了控制精度。
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“带有动力单元的弹性变形体”,液压油作用于弹性变形体内部的活塞组件，其移动部件产生位移，使得弹性变形体平动；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，机械传动环节多，影响了控制精度及效率。
不同于一种新型镗削刀具补偿装置(专利号：ZL2011101963794)，本发明采用“带有动力单元的弹性变形体”取代“L形杠杆+四连杆组合柔性铰链机构”，液压油作用于弹性变形体内部活塞组件，活塞在压力油的作用下驱动“四连杆”结构的弹性变形体平动，实现镗刀的径向位移补偿；采用新型“机械+液压伺服”刀具补偿驱动装置取代GMA磁致伸缩驱动器，将直接控制对象变为常用的伺服电机位移控制，降低了控制难度。
不同于传统的比例阀、伺服阀压力控制系统，该发明装置对液压油过滤精度无特殊要求，使得其更加适用于工业场合；而传统的比例阀系统，为了保证系统正常工作，液压油过滤精度≤0.01mm，伺服阀系统要求液压油过滤精度≤0.002mm。严格的使用环境要求，限制了刀具补偿装置的使用场合。
日本NT公司、KANZAKI公司及KIRIU公司等在插补抛物线型异形曲面孔(“喇叭口”形活塞销孔)时，将曲面孔的抛物线形素线用等分的10段直线进行逼近插补，存在理论插补误差，且插补曲线不圆滑；本发明采用通用数控系统(如西门子802系统)的R参数+循环指令，实现曲面异形孔插补，插补各点之间轴向距离0.10mm，提高了异形销孔插补精度，且使用方便。
附图说明
图1为新型镗床整体布局示意图；
图2为主轴系统结构示意图；
图3为刀具补偿驱动装置结构示意图。
图中：1、机床床身；2、自动润滑装置；3、刀具补偿驱动装置；4、回转接头；5、皮带轮；6、精密液体静压镗头；7、压力表；8、弹性变形装置；9、刀杆；10、工件夹紧机构；11、工件定位机构；12、数控装置；13、采用线性导轨的纵向移动滑台；14、纵向伺服驱动电机；15、滚珠丝杠；16、主轴箱；17、压力油管；18、弹性变形体(柔性铰链四连杆结构)；19、密封钢套；20、主轴底座；21、油管接头；22、动力单元固定部件(活塞缸体)；23、动力单元移动部件(活塞)；24、刀具补偿驱动装置箱体；25、单向阀；26、液压油壶；27、缸体；28、导轨；29、滑台；30、联轴器；31、液压油腔；32、活塞密封圈；33、组合式活塞(液压缸推杆)；34、弹簧；35、滚珠丝杠；36、轴承；37、液压力控制伺服电机。
具体实施方式
一种新型镗床，其结构包括：机床床身1、自动润滑装置2、刀具补偿驱动装置3、回转接头4、皮带轮5、精密液体静压镗头6、压力表7、弹性变形装置8、刀杆9、工件夹紧机构10、工件定位机构11、数控装置12、采用线性导轨的纵向移动滑台13、纵向伺服驱动电机14；
主轴系统包括：主轴箱16、压力油管17、主轴底座20、弹性变形体18；所述的主轴箱安装在一个主轴底座上，在主轴箱内设有一个与液压油腔相连的压力油管，压力油管的另一端与弹性变形体内的油腔相连通，且弹性变形体驱动刀杆运动。
弹性变形体18包括动力单元固定部件22、动力单元移动部件23和刚性钢套19，动力单元固定部件位于动力单元移动部件的上方，且两者之间形成油腔，刚性钢套设于动力单元固定部件和动力单元移动部件的外面起支撑密封作用，所述的动力单元移动部件在油压的作用下外扩使得安装于弹性变形体端面上的镗刀杆产生径向平动移动，从而实现加工异形销孔所需的刀具补偿量。
刀具补偿驱动装置，包括：刀具补偿驱动装置箱体24、单向阀25、液压油壶26、缸体27、导轨28、滑台29、联轴器30、液压油腔31、活塞密封圈32、组合式活塞33、弹簧34、滚珠丝杠35、轴承36、液压力控制伺服电机37；在箱体的一端设有一个伺服电机37，伺服电机37驱动一个滚珠丝杠35旋转，滚珠丝杠35上安装一个滑台29，滑台29远离伺服电机的端部位于一个缸体27内，滑台29在滚珠丝杠35的驱动作用下沿缸体内部回滑动，在所述缸体内还设有一个与滑台29端部相对的组合式活塞33，在滑台29和组合式活塞之间安装有弹性装置，弹性装置的两端分别固定在滑台和组合式活塞33的端部，组合式活塞的另一个端部与缸体组成一个液压油腔；所述的液压油腔通过一个油管与镗床的主轴系统相连通。
采用“伺服电机+滚珠丝杠+弹簧”方式将电机旋转转化为弹簧压力，又通过液压缸推杆将弹簧压力转化为液压油压力，从而实现电机位移到液压压力的转化。
采用“具有动力单元的弹性变形体”，弹性变形体内部具有动力单元，动力单元由固定部件22、移动部件23组成，之间具有液压油腔；在液压油压强增大时，推动移动部件23产生外扩运动，使得弹性变形体产生径向平动；弹性变形体外套有刚性缸套19。
伺服电机37旋转，通过联轴器30带动滚珠丝杠35旋转，滚珠丝杠35的旋转使得滑台29向左移动；滑台29的移动使得弹簧34被压缩。弹簧34另一侧连接推杆32，推杆32另一侧为装有液压油的油腔31；由于液压油不可压缩，组合式活塞33为刚性部件，因此弹簧34的压缩量为滑台29的位移量。弹簧受力压缩变形满足胡克定律，弹簧34对组合式活塞33的力与弹簧34的压缩量成比例关系，系数为弹簧34的弹性系数。弹簧安装时需要一定的预紧，以保证电机反向旋转时刀具能够退回。组合式活塞33受到弹簧34的推力，产生向左移动的趋势，而由于液压油的不可压缩，根据力的平衡关系，液压油腔31中的液压油受到组合式活塞33的压力为弹簧产生的压力；液压油腔31中液压油的压强为压力除以组合式活塞33小端的横截面积，本发明通过减小组合式活塞33小端的横截面积降低了对弹簧压力大小的要求，更易于控制。
液压油腔31中的液压油经过油管、回转接头4、再经液压油管17输送到动力单元固定部件22与移动部件23之间的油腔中。动力单元分为两个部件：固定部件活塞缸体22和移动部件活塞23，液压油作用在两个部件之间的油腔中，使得移动部件22产生微小的径向外扩移动；弹性变形体18是柔性铰链四连杆结构；移动部件23的外扩使得安装于弹性变形体18端面上的镗刀杆9产生径向平动移动，从而实现加工异形销孔所需的刀具补偿量。刚性钢套19主要起密封作用。
本发明用特殊设计的“伺服电机+滚珠丝杠+弹簧”机构取代伺服阀系统，避免了液压系统的高清洁度要求，更加适用于工业现场，并与特殊设计的弹性变形机构相结合，完成镗削刀具的精密补偿运动。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：在箱体的一端设有一个驱动电机I，所述的驱动电机I驱动一个丝杠I旋转，所述的丝杠I上安装一个滑台I，滑台I远离伺服电机的端部位于一个缸体内，滑台I在丝杠I的驱动作用下沿缸体内部来回滑动，在所述缸体内还设有一个与滑台I端部相对的组合式活塞，在滑台I和组合式活塞之间安装有弹性装置，弹性装置的两端分别固定在滑台I和组合式活塞的端部，组合式活塞的另一个端部与缸体组成一个液压油腔；所述的液压油腔通过一个油管与镗床的主轴系统相连通，进而驱动刀杆运动。
2.如权利要求1所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：所述的主轴系统包括主轴箱，所述主轴箱安装在一个主轴底座上，在主轴箱内设有一个与液压油腔相连的压力油管，压力油管的另一端与一个弹性变形体内的油腔相连通，且弹性变形体驱动刀杆运动。
3.如权利要求2所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：所述的弹性变形体包括动力单元固定部件、动力单元移动部件和刚性钢套，动力单元固定部件位于动力单元移动部件的上方，两者之间形成油腔；所述的动力单元移动部件在油压的作用下外扩使得安装于弹性变形体端面上的镗刀杆产生径向平动移动。
4.如权利要求3所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：所述的弹性变形体还包括一个刚性钢套，刚性钢套设于动力单元固定部件和动力单元移动部件的外面起支撑密封作用。
5.如权利要求1所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：所述的液压油腔与液压供油装置相连，且在其连接的回路上设有一个单向阀。
6.如权利要求1所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：所述的组合式活塞，与弹簧相连的端面面积比位于液压油腔侧的端面面积大。
7.如权利要求1所述的液压式镗削刀具微进刀装置，其特征在于：在所述的箱体底部设有一对导轨，所述的滑台I能沿着导轨来回滑动。
8.一种镗床，包括一个机床床身，在所述的机床床身上设有主轴系统、工件夹紧装置、工件定位装置，其特征在于，所述的主轴系统与权利要求1所述的液压式镗削刀具微进刀装置相连，所述的工件夹紧装置能沿着机床床身的轴向方向来回移动，所述的工件定位装置安装在机床床身的一端与主轴系统相对应。
9.如权利求8所述的一种镗床，其特征在于：所述的主轴系统采用如权利要求2或3或4所述的主轴系统。
10.如权利求8所述的一种镗床，其特征在于：所述的工件夹紧装置安装在一个驱动装置上，所述的驱动装置包括一个伺服驱动电机II，所述的伺服驱动电机II驱动一个丝杠II旋转，丝杠II上安装一个纵向移动滑台II，工件夹紧装置固定在纵向移动滑台II上。
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