CN106077720B - 一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，包括直线电机和滚动直线导轨I，所述的直线电机的定子两端通过支撑装置轴向固定；直线电机的动子底部设有一个与其相连的L形支撑板，在支撑板的底部设有直线导轨II，所述的直线电机的动子在带动支撑板沿着直线导轨II直线移动；直线导轨I的一端与直线电机的动子端部相连，直线导轨I的另一端安装有刀盒；直线导轨I在直线电机的动子的驱动下带着刀盒水平移动。

Description

一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架

技术领域

本发明设计的是一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，主要应用于发动机核心零部件活塞异形外圆的车削加工。

背景技术

目前的活塞外圆加工车床的伺服刀架结构存在以下不足：

(1)采用传统的伺服旋转电机+滚珠丝杠等中间转换结构，该结构由于存在丝杠螺母等中间转换环节，导致伺服刀架惯量增大，使进给加速度受限，并增加传动误差，导致活塞外圆的加工精度不足及加工速度受限。

(2)直线电机直接驱动的方式，虽然系统的响应速度增加，但是现有刀架由于结构所限，系统刚度不足，影响刀具吃刀刚性及活塞外圆的加工精度。

(3)现有伺服刀架导轨磨损无法自动补偿，影响活塞外圆的加工尺寸及轮廓精度。

(4)音圈电机具有较好的频响特性，但输出力较小，现有音圈电机驱动式伺服刀架不适合锻钢等高强度活塞异形外圆的精密加工；该类刀架结构多采用由弹簧板组成的弹性四连杆结构作为其导向系统，使刀架有效输出力更小，且加工行程也受到了限制，一般为2毫米左右。

技术方案

为了克服目前活塞异形外圆加工车床的伺服刀架结构的缺点，本发明公开了一种伺服刀架结构，在保证活塞外圆的高加工精度的同时保证了活塞外圆的高加工速度，另外伺服刀架的直线电机有更大的推力；该结构与现有的活塞异形外圆加工伺服刀架结构相比，能显著的提高活塞外圆的加工速度与加工精度。

本发明技术解决其技术问题的方案是：

一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，包括直线电机和直线导轨I(主导轨)，所述的直线电机的定子两端通过支撑装置轴向固定；直线电机的动子底部设有与其相连的L形支撑板，在支撑板的底部设有直线导轨II(副导轨)，所述的直线电机的动子带动支撑板沿着直线导轨II直线移动；直线导轨I的一端与直线电机的动子端部相连，直线导轨I的另一端安装有刀盒；直线导轨I在直线电机的动子的驱动下带着刀盒水平移动。

进一步的，所述的直线导轨I为方形结构，其四个面通过轴承支撑；其中直线导轨I的底面的轴承架固定在前箱体上，与底面相对的顶面的的轴承架采用板簧压紧；直线导轨I的右侧面的轴承固定在前箱体上，与右侧面相对的左侧面的轴承架采用板簧压紧。

进一步的，根据需要也可以将直线导轨I的左侧面的轴承固定在箱体上，与左侧面相对的右侧面的轴承采用板簧压紧。

进一步的，所述的板簧的两端与轴承架固定连接，所述的板簧通过一个调节块调节其与直线导轨I的距离，进而实现轴承压紧。

进一步的，所述的支撑装置包括前支撑架和后支撑架上，所述的前支撑架上设有防止直线电机的动子与前支撑架相撞的防撞块。

进一步的，所述的前箱体与上盖、前盖、后盖和底板相连形成伺服刀架的密封腔。

进一步的，所述的底板主要用于支撑直线电机，在底板上设置底板调整板，所述的直线导轨II设置在底板调整板上，用于调整直线导轨II相对主导轨安装面左右方向的平行度。

进一步的，所述的伺服刀架的刀盒安装面上还设有皮罩，所述的皮罩通过皮罩压紧装置压紧。

进一步的，在所述的直线导轨I材料采用锻铝材料，其表面要进行硬氧处理。

进一步的，位于刀盒安装侧的轴承架的安装面与前箱体面留有1毫米调整间隙，而轴承架底面上设有2个顶端为120°锥形角的光孔，来自前箱体下端的顶丝顶入锥形孔中，形成具有一定万向功能的顶紧结构，通过轴承架将轴承压向直线导轨I。安装时后部轴承架先固定，直线导轨I与电机定子轴线及直线导轨II的平行度，通过调节轴承架下端的顶丝实现。直线导轨II上下方向及左右方向调节方法相同。

进一步的，所述的伺服刀架在对活塞加工时水平及小角度(≤30°)安装均可。

本发明的有益效果如下：

1.本发明采用主副导轨结构：主导轨(直线导轨I)为方形结构，而且该方形结构长度足够，这就保证了伺服刀架的结构刚度。为了减轻运动部件的质量，提高伺服刀架的响应速度，该方导轨材料采用锻铝材料，质量相比较其他金属材料小，有利于提高刀架的高频响特性；为了增加方导轨的耐磨性能与强度，方导轨的表面要进行硬氧处理。在加工方导轨时，要保证方导轨四个面的垂直度。

副导轨(直线导轨II)采用轻载、低阻尼直线导轨。副导轨安装在支撑板的下面，与底板调整板连接。L形支撑板起辅助支撑作用。

2.主导轨采用滚动摩擦：主导轨四周通过轴承和方导轨线接触，这与台湾数控车床的伺服刀架结构不同。台湾数控外圆车床的伺服刀架主导轨四个面，通过4个可调滑动摩擦垫块与导轨面接触，滑动摩擦比滚动摩擦大，所以该伺服刀架比台湾数控外圆车床的伺服刀架响应速度更快。同时滚动摩擦相比较滑动摩擦产热更少，这就保证了伺服刀架结构不会因为发热严重而导致加工精度不高。

3.板簧预紧消除间隙：主导轨(直线导轨I)底面和右侧面的轴承直接固定在前箱体上，左侧和上侧的轴承采用板簧压紧。板簧的预紧力可以自动消除装配间隙及长期使用后产生的磨损间隙。

4.带有万向调节功能的轴承架：为了便于调整主导轨与副导轨的平行度，将底面和右侧面前部的轴承设计成为可调结构。两个可调轴承架底面与箱体安装面留有1毫米调整间隙。安装时后部轴承架先固定，调节前部带有万向调节功能的轴承架，可保证主导轨与副导轨的平行度要求，从而提高了伺服刀架的安装精度。

5.该伺服刀架结构在机床上为水平及小角度安装方式：这样安装方式可克服刀架移动部件重力分力的影响，使刀架进出位移工作状态受力情况相同，有利于保证被加工轮廓形状精度。

附图说明

图1为高频响伺服刀架结构图；

图2为伺服刀架前视图的局部剖视图；

图3为伺服刀架副导轨正视图的剖视图；

图4为副导轨结构图。

图中：1、上盖，2、轴承，3、轴承架，4、上板簧调节块，5、板簧，6、前盖，7、皮罩，8、皮罩压紧快，9、刀盒，10、前箱体，11、方导轨，12、轴承架，13、轴承架调节块，14、前支撑架调整块，15、前支撑架，16、防撞块，17、底板，18、底板调整板，19、L形支撑板，20、后支撑板调整块，21、后盖，22、后支撑架，23、直线电机定子，24直线电机动子，25、中间连接机构，26、左板簧调节块，27、下前轴承架，28、下后轴承架，29、光栅尺读数头，30、光栅尺固定架，31、直线导轨，32、光栅尺钢尺，33、轴承架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

图1-4所示，一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架结构，该发明主要有33部分组成，它包括：上盖1，轴承2，板簧轴承架3，上板簧调节块4，板簧5，前盖6，皮罩7，皮罩压紧块8，刀盒9，前箱体10，方导轨11，轴承架12，轴承架调节块13，前支撑架调整块14，前支撑架15，防撞块16，底板17，调整板18，L形支撑板19，后支撑板调整块20，后盖21，后支撑架22，直线电机的定子23，直线电机的动子24，中间连接机构25，左板簧调节块26，下前轴承架27，下后轴承架28，光栅尺读数头29，光栅尺固定架30，直线导轨31，光栅尺钢尺32，轴承架33；具体的结构如下：

直线电机的定子23两端通过前支撑架15和后支撑架22轴向固定；所述的前支撑架15上设有防止直线电机的动子与前支撑架相撞的防撞块16；直线电机的动子24底部设有一个与其相连的L形支撑板19，在L形支撑板19的底部设有一个直线导轨31，所述的直线电机的动子带动L形支撑板19沿着直线导轨31直线移动，方导轨11的一端通过中间连接机构25与直线电机的动子端部相连，方导轨11的另一端安装有刀盒9；方导轨11在直线电机的动子的驱动下带着刀盒水平移动。

进一步的，方导轨11为一个方形结构，其四个面通过轴承支撑。其中图2中，方导轨11下面的轴承架33通过螺钉与前箱体下面相连，对应上面的轴承架33采用板簧压紧方形导轨的对面，压紧力通过上板簧调节块4调节，完成方形导轨上下方向的定位；方导轨11的右侧面通过螺钉与前箱体的右侧面相连，对应上面的轴承架采用板簧压紧方形导轨的对面，压紧力通过调节块26调节，完成方形导轨左右方向的定位。

进一步的，还可以是另一种方案，图2中方导轨11的左侧面的轴承固定在箱体上，与之对应的右侧面的轴承架采用板簧压紧。

上述板簧5的预紧力可以自动消除装配间隙及长期使用后产生的磨损间隙，设计间隙为3mm。

进一步的，板簧5的两端与轴承架3固定连接，所述的板簧5通过调节块4调节其与方导轨11的压紧力，实现轴承与导轨的压紧。

进一步的，伺服刀架还包括上盖1、前盖6、后盖21、前箱体10和底板17，所述的上盖、前盖、后盖、前箱体和底板相连形成一个伺服刀架的密封系统。

进一步的，底板17主要用于支撑直线电机，在底板上设置底板调整板18，直线导轨31安放在底板调整板上。

进一步的，伺服刀架的刀盒安装面上还设有皮罩7，所述的皮罩7通过皮罩压紧块8与方导轨前端形成防切削液密封。

进一步的，在伺服刀架结构上还安装有光栅尺读数头29、光栅尺固定架30和光栅尺钢尺32，对直线电机的动子24的移动距离进行读数。

本发明采用主副导轨结构：方导轨11为45mmx45mm的方形结构，而且该方形结构长度足够，这就保证了伺服刀架的结构刚度。为了减轻运动部件的质量，提高伺服刀架的响应速度，该方导轨11材料采用锻铝材料，质量相比较其他金属材料减小；由于满足高频率的往复高速运动的需要，方导轨11的表面要进行硬氧处理。在加工方导轨11时，要保证方导轨11四个面的垂直度。副导轨采用轻载、低阻尼直线导轨31；副导轨移动滑块安装在L形支撑板19的下面，固定导轨与底板调整板18连接，L形支撑板19与副导轨31组成了直线电机动子24的移动辅助导向系统。

方导轨11采用滚动支撑进行导向：方导轨11四周通过轴承2定位及导向，轴承2和方导轨11为线接触，这与台湾数控车床的伺服刀架采用四个面通过滑动进行导向不同，由于滑动摩擦比滚动摩擦大，所以该伺服刀架比台湾数控外圆车床的伺服刀架响应速度更快；同时滚动摩擦相比较滑动摩擦产热更少，这就保证了伺服刀架结构不会因为发热严重而导致加工精度不高。

本发明采用了具有一定万向功能的可调机构：为了便于调整主导轨与副导轨的平行度，将底面和左侧面前部的轴承架设计成为具有一定万向功能可调结构。两个可调轴承架底面与箱体安装面留有1毫米调整间隙，以适应轴承外圆与方形主导轨接触要求。安装时后部轴承架先固定，调节前部带有万向调节功能的轴承架，可保证方导轨与副导轨的平行度要求，从而提高了伺服刀架的安装精度。

本发明采用了圆筒式直线电机：伺服刀架的高频响主要依靠直线电机的高频响，根据前面的计算，我们采用圆筒式直线电机，最大加速度43g，实际需要10g；最大驱动力1520N，实际需要868.92N；有效行程27.5mm，实际需要行程10mm；这就很好地满足了伺服刀架的高频响特性；同时由于是圆筒式直线电机，直线电机动子24与直线电机定子23之间留有0.5mm间隙，降低了装配时的同轴度要求。

该伺服刀架结构在机床上为水平及小角度安装方式：这样安装方式可克服刀架移动部件重力分力的影响，使刀架进出位移工作状态受力情况相同，有利于保证被加工轮廓形状精度。

本发明的工作过程如下：

控制系统将控制信号传递给直线电机23，直线电机按照输入的信号驱动动子24做直线运动，同时直线电机的动子带动L形支撑板19、直线电机与方导轨连接块以及方导轨11做同步运动，从而使方导轨上的刀架9带动刀具对活塞的外圆进行加工。

说明：在本发明中方导轨11、直线导轨I和主导轨为同一个部件；直线导轨31、直线导轨II、副导轨为同一个部件。

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 (8)

1.一种新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，包括直线电机和直线导轨I，所述的直线电机的定子两端通过支撑装置轴向固定；直线电机的动子底部设有与其相连的L形支撑板，在支撑板的底部设有直线导轨II，所述的直线电机的动子在带动支撑板沿着直线导轨II直线移动；直线导轨I的一端与直线电机的动子端部相连，直线导轨I的另一端安装有刀盒；直线导轨I在直线电机的动子的驱动下带着刀盒水平移动；所述的直线导轨I为方形结构，其四个面通过轴承支撑；其中直线导轨I的底面的轴承架固定在前箱体上，与底面相对的顶面的轴承架采用板簧压紧；直线导轨I的右侧面的轴承固定在前箱体上，与右侧面相对的左侧面的轴承架采用板簧压紧。

2.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的直线导轨I的左侧面的轴承固定在前箱体上，与左侧面相对的右侧面的轴承采用板簧压紧。

3.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，位于刀盒安装侧的轴承架的安装面与前箱体面留有调整间隙，而轴承架底面上设有2个顶端为120°锥形角的光孔，来自前箱体下端的顶丝顶入锥形孔中，形成具有一定万向功能的顶紧结构，通过轴承架将轴承压向直线导轨I。

4.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的前箱体与上盖、前盖、后盖和底板相连形成伺服刀架的密封腔。

5.如权利要求4所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的底板主要用于支撑直线电机，在底板上设置底板调整板，所述的直线导轨II设置在底板调整板上，调整板用于调整主导轨左右方向的平行度。

6.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的板簧的两端与轴承架固定连接，所述的板簧通过调节块调节其与直线导轨I的距离，进而实现轴承压紧。

7.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的支撑装置包括前支撑架和后支撑架，所述的前支撑架上设有防止直线电机的动子与前支撑架相撞的防撞块。

8.如权利要求1所述的新型活塞异形外圆高频响伺服刀架，其特征在于，所述的直线导轨I材料采用锻铝材料，其表面要进行硬氧处理。