CN108972106B

CN108972106B - 一种机床

Info

Publication number: CN108972106B
Application number: CN201810873941.4A
Authority: CN
Inventors: 余静远
Original assignee: Shanghai Lei Xiang Die Casting Co Ltd
Current assignee: Shanghai Lei Xiang Die Casting Co., Ltd.
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2019-09-13
Anticipated expiration: 2038-08-03
Also published as: CN108972106A

Abstract

本发明公开一种机床，属于加工设备的领域，特别涉及一种钻铣床。包括动力头，以及可以使得动力头和待加工物按照精确可控的路径相对运动的机构；动力头由摆动模块、摆动支撑、基体和变径装置组成；摆动模块与夹头旋转连接；摆动模块可以绕一个相对基体固定的点摆动；摆动模块的变径臂与变径装置连接，变径臂与变径装置间存在一个可以随变径装置调节的转点，且这个转点位于变径臂的中心线上；当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块产生摆动。本发明加工孔时不依赖刀具本身的规格；加工孔的范围可以无极调节；可以方便的加工外口小、内部大的圆台形孔，解决了现有技术中存在的问题。

Description

一种机床

技术领域

本发明公开一种机床，属于加工设备的领域，特别涉及一种钻铣床。

背景技术

现有技术中，钻铣床加工孔特征时，需要根据孔径大小挑选对应的钻头，特别是产品试制、打样阶段，孔的规格与现有钻头规格不匹配，则需要额外采购，耽误制造进度且成本较高；

现有钻头的规格一般是以0.1mm间隔的等差数列，若所需规格不在此数列的数值时，要选择非标准钻头、或采用数控方式加工，成本较高；

现有钻孔技术，只能加工圆柱形孔，无法加工出外口小内部大的圆台形孔(沿孔轴线的剖面)，圆台形孔通常应用于特殊部件的连接用，如，室内装修石板挂孔、木材挂孔等；

现有技术机器人手臂在焊接、组装、搬运以及服务业的应用越来越广泛，并且具有承担部分数控机床加工的能力，特别是在木材、塑料、有色金属的加工领域应用优势较大，机器人手臂在加工孔特征时，目前还是较多的依靠钻头或铣刀的基础规格，如果没有合适的规格，则通过编程让刀具绕孔的轴线公转，用铣的方式加工孔特征，编程较复杂，且机器人手臂是悬臂结构，这种精细的动作对机器人手臂的运动精度要求较高，实际加工的孔的精度不好。

综上，迫切需要设计一种机床，解决现有技术中的以下问题：

1、孔的加工依赖刀具的规格；

2、孔的加工范围不能无级变化；

3、现有技术不能加工外口小、内部大的圆台形孔；

4、机器人手臂加工非刀具规格的孔时，编程复杂、孔的精度不好。

发明内容

本发明主要旨在解决现有技术中：孔的加工依赖刀具的规格；孔的加工范围不能无级变化；不能加工外口小、内部大的圆台形孔的问题，提供一种机床。

为了实现上述目的，所述的方案如下：

提供一种机床，其特征是，包括动力头，以及可以使得动力头和待加工物按照精确可控的路径相对运动的机构；动力头由摆动模块、摆动支撑、基体和变径装置组成；摆动模块第一端与夹头旋转连接，夹头由摆动模块的动力单元驱动旋转；摆动支撑的第一端与摆动模块旋转连接，摆动支撑的第二端与基体固连，使得摆动模块可以绕一个相对基体固定的点摆动；摆动模块第二端的变径臂与变径装置连接，变径装置与基体固连，变径臂的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂与变径装置间存在一个可以随变径装置调节的转点，且这个转点位于变径臂的中心线上，当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合，摆动模块位于初始状态；当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块产生摆动。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，摆动支撑由支架Ⅰ和支架Ⅱ组成，支架Ⅰ与摆动模块旋转连接；支架Ⅰ下部与支架Ⅱ旋转连接；支架Ⅱ与基体固连。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，支架Ⅰ与摆动模块的旋转连接的轴线和夹头旋转的轴线相交；支架Ⅰ下部与支架Ⅱ旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ和摆动模块的旋转连接的轴线相交。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，支架Ⅰ和支架Ⅱ旋转连接的轴线与支架Ⅰ和摆动模块旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ和摆动模块旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，变径臂是拉伸体，变径臂的中心线与夹头旋转的轴线相交，变径臂绕夹头旋转的轴线转动；还包括变径块，变径块沿变径臂的长度方向滑动；还包括变径驱动板，变径块绕固定在变径驱动板上的点摆动；变径驱动板沿固定在基体的轴线移动。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，变径臂截面是圆形、中心线是直线；动力单元的输出轴，与变径臂固连；变径块中心的孔是圆孔，变径块外部是球面，球心在变径块中心的孔的轴线上，变径块外部的球面与变径驱动板对应的凹球面配合。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，变径臂截面是非正圆形。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，还包括滑块；变径驱动板与滑块固连，导轨与基体固连，滑块沿导轨导引的直线方向运动，直线的方向与初始状态夹头旋转的轴线平行；导轨与滑块之间设置制动器；还包括螺杆、支架和变径手轮；螺杆与滑块运动方向平行设置，螺杆第一端与变径驱动板上对应的螺旋槽配合，第二端与支架旋转连接，支架与基体固连，螺杆的第二端与变径手轮同轴固连。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，变径手轮圆周面均布刻度，支架上部设有划线标记。

进一步地，所述的一种机床，其特征是，动力单元由主电机、主减速器、副减速器和壳体组成；主电机、主减速器和副减速器均与壳体固连；主电机的第一输出轴与主减速器固连，主减速器的输出轴与夹头固连；主电机的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机的第二输出轴与副减速器固连，副减速器的输出轴与变径臂固连。

本发明加工孔时不依赖刀具本身的规格；加工孔的范围可以无极调节；可以方便的加工外口小、内部大的圆台形孔，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是动力头侧视图；

图2是图1中A-A剖面；

图3是图1中B-B剖面放大图；

图4是动力头立体视图；

图5是动力单元外壳剖开视图；

图6是动力头摆动示意图；

图7是摆动的几何关系分析；

图8是用定距工装安装刀具示意图；

图9是使用数控电机的动力头方案立体视图；

图10是安装动力头的机床立体视图；

图11是安装动力头的机器人手臂立体视图。

图中标记为：

1、动力头；

11、摆动模块；111、动力单元；1111、主减速器；1112、主电机；1113、副电机；1114、副减速器；1115、壳体；112、变径臂；

12、摆动支撑；121、支架Ⅰ；122、支架Ⅱ；

13、基体

14、变径装置；141、变径块；142、变径驱动板；143、滑块；144、导轨；145、制动器；146、螺杆；147、支架；148、变径手轮；149、数控电机；

2、机床；

3、机器人手臂；

4、定距工装。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，动力头1由摆动模块11、摆动支撑12、基体13和变径装置14组成；

摆动模块11第一端与夹头旋转连接，夹头用以夹持现有技术中的刀具(钻头或铣刀)，夹头由摆动模块11的动力单元111驱动旋转；

摆动支撑12的第一端与摆动模块11旋转连接，摆动支撑12的第二端与基体13固连，摆动支撑12自身设有一个旋转自由度，使得摆动模块11可以绕一个相对基体13固定的点摆动，这个固定的点与夹头旋转的轴线重合；

摆动模块11第二端的变径臂112与变径装置14连接，变径装置14与基体13固连，变径臂112的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂112由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂112与变径装置14间存在一个可以随变径装置14调节的转点，且这个转点位于变径臂112的中心线上，当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块11即位于初始状态，即无论变径臂112是否绕夹头的轴线转动，摆动模块11的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合；如图6所示，当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，摆动模块11即位于偏摆状态，变径臂112绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块11产生摆动。

具体的，

动力头1，方案一，

如图1所示，动力单元111第一端设有一个输出轴，与夹头同轴固连；动力单元111第二端设有一个输出轴，与变径臂112固连。

如图1和图2所示，摆动支撑12由支架Ⅰ121和支架Ⅱ122组成，支架Ⅰ呈Y形，其上部设有两个支撑臂，支撑臂的顶部各设有一个轴套，这两个支撑臂顶部的轴套是同轴的；摆动模块11两侧各设有一个凸轴，更具体的，动力单元111的两侧各设有一个凸轴，这两个凸轴同轴设置，并且过夹头旋转的轴线，这两个凸轴分别装配在支架Ⅰ121支撑臂顶部对应的轴套中，实现支架Ⅰ121与摆动模块11的旋转连接，为了支架Ⅰ121与摆动模块11在轴向无窜动，摆动模块11两侧的凸轴端面分别与支架Ⅰ121支撑臂顶部对应的轴套底部接触；根据具体的边界和结构设计，支架Ⅰ121与摆动模块11的旋转连接除了上述的两个旋转支撑，也可以设计为单边的旋转支撑。

支架Ⅰ121下部与支架Ⅱ122旋转连接，其旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ121和摆动模块11的旋转轴线相交；支架Ⅰ121下部设有一个光轴，光轴插入支架Ⅱ122对应的孔中，为了使得他们之间轴向无窜动，光轴根部的端面与支架Ⅱ122对应的孔端面接触，光轴略微超出孔的另一个端面，光轴顶部设有螺纹，螺母拧紧后实现支架Ⅰ121下部与支架Ⅱ122的旋转连接；根据具体的边界和结构设计，支架Ⅰ121上部也可以在设置一个光轴，支架Ⅱ122延伸至上方，在形成一个旋转支撑，与下面的旋转支撑同轴。

支架Ⅱ122底部与基体13固连，支架Ⅱ122超出基体13边界可以获得较大加工范围，为了便于拆卸与保持精度，支架Ⅱ122底部与基体13预设定位销，并使用螺纹紧固件固连，也可以把支架Ⅱ122底部与基体13一体化设计。

作为优选，支架Ⅰ121和支架Ⅱ122旋转连接的轴线与支架Ⅰ121和摆动模块11旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ121和摆动模块11旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

如图1和图3所示，变径臂112是拉伸体，其截面优选圆形、中心线(引导线)优选直线，中心线与夹头旋转的轴线相交，动力单元111第二端设有一个输出轴，与变径臂112固连，进一步的，动力单元111第二端的输出轴与一节径向的短臂固连，变径臂112的第一端与短臂的远端固连，变径臂122往过夹头旋转的轴向方向延伸。变径臂122穿过变径块141中心的孔，这个孔优选圆孔，变径块141外部优选球面，球心在其中心的孔的轴线上，变径块141外部的球面与变径驱动板142对应的凹球面配合(类似鱼眼标准件)，这样随着变径驱动板的移动，带动变径块141沿变径臂112的中心线移动，从而实现调整摆动模块11摆动的幅度。

由于只需要满足动力单元111第二端的输出轴带动变径臂112绕夹头旋转的轴线转动，以及变径驱动板142的移动。变径臂112与变径驱动板142之间仅需要存在一个滑动自由度和一个摆动自由度即可。即变径块141沿变径臂112的长度方向滑动，变径块141绕固定在变径驱动板142上的点摆动。也就是说，本段中的变径臂112的截面与对应的变径块141内孔截面可以是非正圆截面；还可以变径块141与变径驱动板142之间再增加一个过度支架，过度支架与变径块141转动连接，过度支架与变径驱动板142转动连接，两个转动连接的轴线相互垂直，两个转动连接的轴线均过变径臂112的中心线。

如图1和图4所示，变径驱动板142与滑块143固连，导轨144与基体13固连，滑块143沿导轨144导引的直线方向运动，滑块143被导轨144导引的直线方向与摆动模块11位于初始状态(见具体实施方式的第5段定义)时夹头旋转的轴线平行；导轨144与滑块143之间设置可以锁定其相对位置的制动器145；滑块143与导轨144，优选直线轴承与直线导轨；可选，燕尾槽结构滑轨。

为了变径驱动板142移动的距离可控，设置变径驱动机构，螺杆146与滑块143运动方向平行设置，螺杆146第一端与变径驱动板142上对应的螺旋槽配合，第二端与支架147旋转连接，螺杆146不能够相对支架147沿轴向窜动，支架147与基体13固连，螺杆146的第二端与变径手轮148同轴固连，转动变径手轮148带动螺杆146转动，从而带动变径驱动板142移动。

变径手轮148圆周面均布刻度，支架147上部设有划线标记，读取变径手轮148圆周面转动的刻度得出变径驱动板142移动的距离；还可以在变径驱动板142与基体13之间设置位移传感器、位移指示表等量具读取变径驱动板142相对基体13移动的距离。

如图5所示，优选，动力单元111由主电机1112、主减速器1111、副减速器1114和圆柱形壳体1115组成，主电机1112、主减速器1111和副减速器1114位于壳体1115内部，并且均与壳体1115固连；主电机1112的第一输出轴与主减速器1111固连，主减速器1111的输出轴与夹头固连，主减速器1111将主电机1112输入的转动能量，减速增扭后驱动夹头转动；主电机1112的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机1112的第二输出轴与副减速器1114固连，副减速器1114的输出轴与变径臂112固连，副减速器1114将主电机1112输入的转动能量，减速增扭后变径臂112绕夹头旋转的轴线转动；主减速器1111输出轴的转速高于副减速器1114输出轴的转速。还可以选择，取消主电机1112的第二输出轴与副减速器1114固连，增加副电机1113，副电机1113的输出轴与副减速器1114固连。

如图6所示，当调节变径驱动板142移动，使得初始状态时变径臂112的中心线与夹头摆动轴线的交点发生偏移，在动力单元1111两端输出轴的驱动下，配合其他可以将动力头1沿初始状态时的夹头轴线进给的设备、机床或机器人手臂，实现进给，从而使得钻头或铣刀实际切削直径大于刀具(钻头或铣刀)本身的直径，也就是说代加工的孔特征内径，不取决刀具直径；调整变径手轮148可以无级的加工期望的孔特征；在加工孔特征的后期，将摆动模块11产生摆动动作，刀具的运动包络呈现圆台形，再将摆动模块11调整至非摆动模式退出，实现加工外口小、内部大的圆台形孔。

如图7所示，为了能精确的得出变径驱动板142的移动量与刀具的切削直径之间的关系，做以下解析。图7中，水平方向的点划线是摆动模块11位于初始状态时夹头旋转的轴线；a值是刀具安装在夹头后，刀具端面与摆动模块11摆动点的距离；b值是变径臂112的中心线与夹头旋转的轴线交点和摆动模块11摆动点的距离；m值是变径驱动板142的移动量；r值是刀具自身的切削半径；θ值是摆动模块11摆动的角度；α值是变径臂112的中心线与夹头旋转的轴线夹角；R值是刀具的切削半径。问题转化为求解R值与m值之间的关系即R＝f(m)，解析结果如下，由①式求解出θ值，带入②式得出R值，。

R＝asinθ+rcosθ.......................②

如图7和图8所示，R＝f(m)的关系中，除了a值和r值以外，都是可以通过动力头1的制造和生产、以及出厂前的调试来保证的，r值可以通过外径测量设备方便的测量获得，刀具的重复装夹会导致实际a值与预设值的不相符，为了避免这个问题出现，设计定距工装4便于装配刀具时获得与预设值相符的a值。定距工装4由两个支撑腿和限位面组成，支撑腿和限位面之间有确定稳固的距离关系，摆动模块11第一端设有与定距工装4的支撑腿配合的支撑面，支撑面与摆动模块11摆动点具有确定稳固的距离关系。安装刀具时，将定距工装4的支撑腿与摆动模块11对应的支撑面贴合，将刀具的端面与定距工装4的限位面贴合，即使得刀具端面与摆动模块11摆动点距离与预设值相符。

动力头1，方案二，

如图9所示，在动力头方案一的基础上，将变径装置14由变径手轮148驱动，更换由数控电机149驱动，数控电机149可以是步进电机、伺服电机等可以将电信号转换为精确的转动角度的电机，数控电机149的输出端与螺杆146同轴固连，数控电机149壳体与基体13固连。由于数控电机149具有自锁的特性，故可以取消制动器145。另外，数控电机149可以执行上位机发出的指令驱动变径驱动板142移动，上位机计算R＝f(m)的关系，可以迅速的调节刀具位于需求的加工半径值的状态；还有一个好处，使用不同规格的刀具、重新装夹刀具后，只要将刀具直径r值、实测的刀具端面相对摆动模块11摆动点距离a值，输入上位机，就可以更新R＝f(m)的关系，使得与动力头1实际几何关系匹配。

动力头1应用实例一，

如图10所示，机床2包括具有可以使得动力头1和待加工物按照精确可控的路径相对运动的机构。更具体的，机床2基于钻床或者铣床结构，动力头1的基体13与Z轴升降机构固连，夹头旋转的轴线与Z轴平行。动力头1相对待加工物沿Z轴运动可以加工出孔特征，或者外口小内口大的圆台孔特征；当动力头1摆动时，动力头1相对待加工物在XY平面运动可以加工出燕尾槽特征。

当机床2是数控机床时，动力头1的数控电机149受控于机床2的控制器。

动力头1应用实例二，

如图11所示，机器人手臂3是现有技术中依靠数控指令精确运动的机构，动力头1的基体13与机器人手臂3远端的手部固连，动力头1的数控电机149受控于机器人手臂3的控制器。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种机床，其特征是，包括动力头(1)，以及可以使得动力头(1)和待加工物按照精确可控的路径相对运动的机构；

动力头(1)由摆动模块(11)、摆动支撑(12)、基体(13)和变径装置(14)组成；

摆动模块(11)第一端与夹头旋转连接，夹头由摆动模块(11)的动力单元(111)驱动旋转；

摆动支撑(12)的第一端与摆动模块(11)旋转连接，摆动支撑(12)的第二端与基体(13)固连，使得摆动模块(11)可以绕一个相对基体(13)固定的点摆动；

摆动模块(11)第二端的变径臂(112)与变径装置(14)连接，变径装置(14)与基体(13)固连，变径臂(112)的轴线与夹头的轴线不平行，变径臂(112)由动力单元驱动绕夹头的轴线转动，变径臂(112)与变径装置(14)间存在一个可以随变径装置(14)调节的转点，且这个转点位于变径臂(112)的中心线上，

当这个转点与夹头旋转轴线重合时，摆动模块(11)的摆动轴线始终与夹头转动的轴线重合，摆动模块(11)位于初始状态；

当这个转点与夹头旋转轴线不重合时，变径臂(112)绕夹头的轴线转动，驱动摆动模块(11)产生摆动；

摆动支撑(12)由支架Ⅰ(121)和支架Ⅱ(122)组成，

支架Ⅰ(121)与摆动模块(11)旋转连接；

支架Ⅰ(121)下部与支架Ⅱ(122)旋转连接；

支架Ⅱ(122)与基体(13)固连；

支架Ⅰ(121)与摆动模块(11)的旋转连接的轴线和夹头旋转的轴线相交；

支架Ⅰ(121)下部与支架Ⅱ(122)旋转连接的轴线与夹头旋转的轴线相交，还与支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)的旋转连接的轴线相交。

2.根据权利要求1所述的一种机床，其特征是，支架Ⅰ(121)和支架Ⅱ(122)旋转连接的轴线与支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)旋转连接的轴线垂直，支架Ⅰ(121)和摆动模块(11)旋转连接的轴线与夹头的旋转轴线垂直。

3.根据权利要求1所述的一种机床，其特征是，变径臂(112)是拉伸体，变径臂(112)的中心线与夹头旋转的轴线相交，变径臂(112)绕夹头旋转的轴线转动；

还包括变径块(141)，变径块(141)沿变径臂(112)的长度方向滑动；

还包括变径驱动板(142)，变径块(141)绕固定在变径驱动板(142)上的点摆动；

变径驱动板(142)沿固定在基体(13)的轴线移动。

4.根据权利要求3所述的一种机床，其特征是，变径臂(112)截面是圆形、中心线是直线；动力单元(111)的输出轴，与变径臂(112)固连；

变径块(141)中心的孔是圆孔，变径块(141)外部是球面，球心在变径块(141)中心的孔的轴线上，变径块(141)外部的球面与变径驱动板(142)对应的凹球面配合。

5.根据权利要求4所述的一种机床，其特征是，变径臂(112)截面是非正圆形。

6.根据权利要求3所述的一种机床，其特征是，

还包括滑块(143)；

变径驱动板(142)与滑块(143)固连，导轨(144)与基体(13)固连，滑块(143)沿导轨(144)导引的直线方向运动，直线的方向与初始状态夹头旋转的轴线平行；

导轨(144)与滑块(143)之间设置制动器(145)；

还包括螺杆(146)、支架(147)和变径手轮(148)；

螺杆(146)与滑块(143)运动方向平行设置，螺杆(146)第一端与变径驱动板(142)上对应的螺旋槽配合，第二端与支架(147)旋转连接，支架(147)与基体(13)固连，螺杆(146)的第二端与变径手轮(148)同轴固连。

7.根据权利要求6所述的一种机床，其特征是，变径手轮(148)圆周面均布刻度，支架(147)上部设有划线标记。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种机床，其特征是，动力单元(111)由主电机(1112)、主减速器(1111)、副减速器(1114)和壳体(1115)组成；

主电机(1112)、主减速器(1111)和副减速器(1114)均与壳体(1115)固连；

主电机(1112)的第一输出轴与主减速器(1111)固连，主减速器(1111)的输出轴与夹头固连；

主电机(1112)的第二输出轴与第一输出轴同轴共线，他们是一根轴的两端，主电机(1112)的第二输出轴与副减速器(1114)固连，副减速器(1114)的输出轴与变径臂(112)固连。