一种圆柱坐标机床
技术领域
本发明公开一种圆柱坐标机床,属于加工设备的领域,特别涉及一种加工圆特征的机床。
背景技术
现有技术中,特别是在待加工物硬度较软,比如木材、非金属、软金属加工领域。
加工孔特征需要应用钻床,并使用对应直径的钻头加工出对应直径的孔特征,对应钻头的规格较多,并且孔的尺寸不能选用任意值。
加工孔或圆槽特征需要应用铣床,通过将待加工物装夹在旋转工装上加工;或者应用数控铣床加工,对设备要求高,即加工成本高。
现有数控机床加工圆特征时,需要控制刀头位置的两个正交方向的数控电机,在插值运算方法控制下进行运动,从而生成圆形轨迹,但是这种插值运动只能无限逼近圆形,本身就具有圆度误差、精度低,特别是机床负载较大的情况下,数控电机容易丢步,就会造成后续的运动产生累积误差。
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、加工孔特征依赖刀具规格;
2、加工孔或圆槽特征对设备要求高、加工成本高;
3、现有数控机床加工圆特征、精度低,容易累积误差。
发明内容
本发明主要旨在解决现有技术中:加工孔特征依赖刀具规格;加工孔或圆槽特征对设备要求高、加工成本高;现有数控机床加工圆特征、精度低,容易累积误差的问题,提供一种圆柱坐标机床。
为了实现上述目的,所述的方案如下:
提供一种圆柱坐标机床,其特征是,包括基座、Y轴导轨、X轴导轨、复合滑块、动力头、驱动杆、Z轴数控电机、第二数控电机和第一数控电机;Y轴导轨与基座固连,复合滑块沿Y轴导轨导引的直线方向滑动,X轴导轨在复合滑块上沿X轴导轨导引的直线方向滑动;X轴导轨的第一端与动力头滑动连接,滑动的方向与Y轴导轨导引的直线方向垂直,还与X轴导轨导引的直线方向垂直;X轴导轨的第一端与动力头的相对位置由Z轴数控电机驱动调节;驱动杆与X轴导轨的第二端旋转连接;驱动杆由第一数控电机驱动绕一个固定在基座上的轴线公转,驱动杆的公转半径由第二数控电机驱动调节。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括Z轴导轨和Z轴滑块;X轴导轨与Z轴导轨固连,Z轴滑块沿Z轴导轨引导的方向滑动;动力头与Z轴滑块固连;Y轴导轨导引的直线方向与X轴导轨导引的直线方向相互垂直;固定在基座上的轴线与Y轴导轨导引的直线方向垂直,还与X轴导轨导引的直线方向垂直。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括Z轴丝杆;Z轴数控电机与Z轴丝杆同轴固连,Z轴丝杆的轴向与Z轴导轨引导的方向平行;Z轴丝杆第一端与Z轴导轨旋转连接,Z轴丝杆第二端与Z轴滑块螺旋配合;Z轴数控电机壳体与Z轴导轨固连。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,所述的动力头由动力单元、夹头和刀具组成;动力单元的输出轴与夹头同轴固连,动力单元驱动夹头转动,夹头用于装夹刀具,装夹后刀具的自转轴线与夹头的轴线共线,刀具可以是钻头或铣刀。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括立柱;立柱与基座固连,立柱的与Y轴导轨固连,Y轴导轨引导的方向与基座上表面平行;复合滑块沿Y轴导轨引导的方向滑动,X轴导轨在复合滑块上沿X轴导轨导引的直线方向滑动,X轴导轨与基座上表面平行。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括固定座、转轴、变径滑块;固定座与基座固连,固定座上部设有转轴,转轴与固定座旋转连接,并且转轴的轴线与基座上表面垂直;转轴上部与变径导轨第一端固连;变径导轨饶转轴的轴线旋转,变径滑块沿变径导轨引导的方向滑动。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括变径丝杆;第二数控电机与变径丝杆同轴固连,变径丝杆的轴向与变径导轨引导的方向平行,变径丝杆第一端与变径导轨第二端旋转连接,变径丝杆第二端与变径滑块螺旋配合;第二数控电机壳体与变径导轨固连。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,第二数控电机壳体与变径导轨第一端固连。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,还包括第一减速器;第一减速器的壳体与固定座固连,第一减速器的输出轴就是转轴,第一减速器的输入轴与第一数控电机同轴固连,第一数控电机的壳体与第一减速器的壳体固连。
进一步的,所述的一种圆柱坐标机床,其特征是,第二数控电机与基座之间的导线绕转轴51缠绕多圈。
本发明结构简单紧凑加工孔特征不依赖刀具规格,加工孔或圆槽特征对设备要求低、加工成本低;作为圆柱坐标机床,特别是增加数控电机后,加工圆特征精度高,无累积误差问题,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是机床实施例一立体视图;
图2是机床实施例一立体视图;
图3是机床实施例一顶视图;
图4是机床实施例一变径装置爆炸图;
图5是机床实施例二立体视图;
图6是机床实施例三立体视图;
图7是机床实施例四立体视图;
图8是机床实施例四变径装置爆炸图;
图9是机床实施例四顶视图;
图10是机床实施例四立体视图;
图11是机床实施例五立体视图;
图12是机床实施例六立体视图。
图中标记为:
11、基座;111、零位;12、立柱;13、固定座;
21、Y轴导轨;22、复合滑块;23、X轴导轨;24、Z轴导轨;241、Z轴手轮;242、Z轴数控电机;25、Z轴滑块;251、电机架;252、电机座;
31、动力单元;311、电机;312、主轴减速器;32、夹头;33、刀具;
41、变径导轨;411、第二手轮;412、第二数控电机;42、变径滑块;421、驱动杆;422、手柄;423、径向制动器;4231、制动块;4232、制动手柄;43、法兰;44、基盘;441、保持架;442、变径轨道;45、转盘;451、变径滑槽;
51、转轴;52、第一减速器;521、第一手轮;522、第一数控电机。
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。
本文按照图1至3示意的坐标系表述。
如图1、图2、图3和图4所示,机床包括基座11、Y轴导轨21、X轴导轨23、复合滑块22、动力头和驱动杆421;Y轴导轨21与基座11固连,复合滑块22沿Y轴导轨21导引的直线方向滑动,X轴导轨23在复合滑块22上沿X轴导轨23导引的直线方向滑动;X轴导轨23的第一端与动力头滑动连接,滑动的方向与Y轴导轨21导引的直线方向垂直,还与X轴导轨23导引的直线方向垂直;X轴导轨23的第一端与动力头的相对位置可以锁定;驱动杆421与X轴导轨23的第二端旋转连接;驱动杆421绕一个固定在基座11上的轴线公转,驱动杆421的公转半径可以调节并锁定;驱动杆421的公转轨迹通过X轴导轨23传递给动力头,动力头的运动轨迹与驱动杆421的公转轨迹相同。
进一步的,
还包括Z轴导轨24和Z轴滑块25;X轴导轨的第一端与Z轴导轨24固连,Z轴滑块25沿Z轴导轨24引导的方向滑动;动力头与Z轴滑块25固连;Y轴导轨21导引的直线方向与X轴导轨23导引的直线方向相互垂直;固定在基座11上的轴线与Y轴导轨21导引的直线方向垂直,还与X轴导轨23导引的直线方向垂直。
具体的,实施例一,
如图1、图2、图3和图4所示,
动力头是驱动刀具33旋转,从而产生主切削运动的装置,由动力单元31、夹头32和刀具33组成;动力单元31的输出轴与夹头32同轴固连,动力单元31驱动夹头32转动,夹头32用于装夹刀具33,装夹后刀具33的自转轴线与夹头32的轴线共线,刀具可以是钻头或铣刀;动力单元31的能源优选电能,动力单元31包括电动机311,由电动机311驱动夹头32旋转,可以是电动机311的输出轴直接与夹头32同轴固连,也可以还包括主轴减速器312,电动机311的扭矩通过主轴减速器312放大后,由主轴减速器312的输出轴与夹头32同轴固连。
基座11上表面是工作面,用于放置和固定待加工物,立柱12与基座11固连,立柱12设置两个,立柱12的顶端分别与Y轴导轨21的两端固连,Y轴导轨21引导的方向与基座11上表面平行;复合滑块22可以看做是两个滑块正交的结合,其上部和下部均具有与导轨滑动配合的功能,进一步的,复合滑块22沿Y轴导轨21引导的方向滑动,X轴导轨23在复合滑块22上沿X轴导轨23导引的直线方向滑动,X轴导轨23与基座11上表面平行;Y轴导轨21导引的直线方向与X轴导轨23导引的直线方向相互垂直;更具体的,复合滑块22与导轨的滑动配合结构可以是直线轴承与线性导轨,可以是燕尾槽滑动配合的结构,还可以是圆柱直线轴承与圆柱导轨配合的结构。
X轴导轨的第一端(-X向的端部)与Z轴导轨24的第一端(Z向端部)固连,Z轴滑块25沿Z轴导轨24引导的方向滑动,Z轴导轨24引导的方向与基座11上表面垂直;还包括Z轴手轮241,转动Z轴手轮241可以实现Z轴滑块25沿Z轴导轨24运动位移的调节,更详细的,Z轴手轮241与Z轴丝杆同轴固连,Z轴丝杆的轴向与Z轴导轨24引导的方向平行,Z轴丝杆第一端与Z轴导轨24旋转连接,Z轴丝杆第二端与Z轴滑块25螺旋配合,Z轴手轮241圆周面设有刻度,Z轴导轨24对应位置设有指示标记,读取Z轴手轮241转动时的刻度值,得出Z轴滑块25沿Z轴导轨24运动的位移量,当Z轴滑块25位于所需位置时,驱动Z轴制动器,从而将Z轴滑块25与Z轴导轨24锁定,不再有相对运动,Z轴制动器的方案和结构现有技术方案较多也很成熟,本文不在赘述。动力头与Z轴滑块25固连,刀具33的自转轴线与基座11上表面垂直,更详细的,电机架251将动力单元31与电机座252固连在一起,进一步的,电机架251与电机座252之间通过装配抱紧动力单元31;电机座252与Z轴滑块25固连。
固定座13与基座11固连,更具体的,固定座12下部设有支撑柱,支撑柱下部与基座11固连,固定座13位于基座11X向的端部;固定座13上部设有转轴51,转轴51与固定座13旋转连接,并且转轴51的轴线与基座11上表面垂直;转轴51上部与变径导轨41第一端固连,更具体的,变径导轨41第一端的下部与法兰43固连,法兰43中部设有孔,这个孔与转轴51的上部固连;变径导轨41饶转轴51的轴线旋转,变径滑块42沿变径导轨41引导的方向滑动,更具体的,还包括第二手轮411,转动第二手轮411可以实现变径滑块42沿变径导轨41运动位移的调节,进一步具体的,第二手轮411与变径丝杆同轴固连,变径丝杆的轴向与变径导轨41引导的方向平行,变径丝杆第一端优选与变径导轨41第二端旋转连接,变径丝杆第二端与变径滑块42螺旋配合,第二手轮411圆周面设有刻度,变径导轨41对应位置设有指示标记,读取第二手轮411转动时的刻度值,得出变径滑块42沿变径导轨41运动的位移量,当变径滑块42位于所需位置时,驱动径向制动器423,从而将变径滑块42与变径导轨41锁定,不再有相对运动;变径滑块42与驱动杆421固连,驱动杆421的轴线与转轴51平行,驱动杆421与X轴导轨23的第二端旋转连接,更具体的,X轴导轨23的第二端设有一个圆孔,驱动杆421圆柱部分插入这个圆孔中,驱动杆421圆柱部分与X轴导轨23第二端的圆孔径向仅有微小的间隙,两者旋转配合;驱动杆421被驱动饶转轴51转动,更具体的,手柄422与驱动杆421上部连接,优选旋转连接,操纵者摇转手柄422,实现驱动杆421饶转轴51转动。
如图3所示,驱动杆421饶转轴51转动,驱动杆421与X轴导轨23的第二端旋转连接,又由于X轴导轨23只能在与基座11上表面平行的平面上平动,驱动杆421轴线的旋转轨迹会1:1的传递给X轴导轨23的第一端,使得与X轴导轨23的第一端固连的刀具33的运动轨迹与驱动杆421相同。通过旋转第二手轮411调节变径滑块42在变径导轨41运动,获得期望的精确的驱动杆421旋转半径,这个旋转半径值也就是刀具33运动轨迹的半径。当驱动杆421的轴线调节至与转轴51的轴线重合时,驱动杆421的旋转半径为0,刀具33运动轨迹的半径也为0,此时刀具33轴线与基座11上表面的零位111的轴线重合,零位111可以是孔也可以是轴,用于对待加工物装夹之前的位置调整及定位。
当需要加工环槽类特征时,将待加工物固定在基座11上表面加工区域,转动第二手轮411调节驱动杆421的旋转半径,即得到期望的刀具33的旋转半径后,驱动径向制动器423,从而将变径滑块42与变径导轨41锁定,转动Z轴手轮241调节刀具33进给量后,将Z轴滑块25与Z轴导轨24锁定,旋转手柄422加工出环槽类特征。随着Z向进给量加大环槽内部材料去除形成圆孔;还可以通过将刀具33Z向高度固定,通过改变刀具33旋转半径,实现铣削平面特征的作用;还可以将待加工物在其他机床上钻出中心孔,然后用销子等方法将待加工物固定在基座11上表面且中心孔与零位111轴线重合,这样加工出来的圆特征与预先加工出的中心孔同轴。
具体的,实施例二,
如图5所示,在实施例一的基础上,为了增加驱动变径导轨41旋转的力矩以便刀具33获得更大的切削力,增加第一减速器52和第一手轮521;第一减速器52的壳体与固定座13固连,第一减速器52的输出轴与转轴51(图4示)同轴固连,也可以理解为第一减速器52的输出轴就是转轴51,第一减速器52的输入轴与第一手轮521同轴固连,第一手轮521圆周面设有刻度,第一减速器52对应位置设有指示标记,读取第一手轮521转动时的刻度值,得出变径导轨41转动的角度,第一减速器52优选蜗轮蜗杆减速。
这样不仅可以增加了变径导轨41旋转的力矩,刀具33获得了更大的切削力,还可以精确的调整刀具33在圆周上的位置,即,刀具33的位置可以由圆柱坐标系系统精确的调节,这三个自由度分别是Z向平动、径向平动和周向转动。
具体的,实施例三,
如图6所示,在实施例二的基础上,将Z轴手轮241更改为Z轴数控电机242,将Z轴数控电机242的输出轴与Z轴丝杆同轴固连,Z轴数控电机242的壳体与Z轴导轨24固连;将第二手轮411更改为第二数控电机412,将第二数控电机412的输出轴与变径丝杆同轴固连,第二数控电机412的壳体与变径导轨41固连,为了结构紧凑减小变径导轨41的旋转半径,第二数控电机412优选与变径导轨41的第一端固连;将第一手轮521更改为第一数控电机522,将第一数控电机522的输出轴与第一减速器52的输入轴同轴固连,第一数控电机522的壳体与第一减速器52的壳体固连。Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522是现有技术中,根据输入电信号的要求转动精确角度的电机,可以是步进电机、伺服电机等。由于Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522具有带电锁定的功能,可以可靠的保持刀具33各运动自由度在需要时处于锁定的状态,故可以取消每个运动自由度对应的制动器。
根据控制器发出的电信号,Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522分别驱动刀具33在圆柱坐标系系统中沿Z向平动、径向平动和周向转动,实现利用圆柱坐标结构实现现有笛卡尔坐标结构机床相同的功能。圆柱坐标系统加工圆特征具有先天性的优势,结构易于实现、系统计算量小、加工精确、进给机构的体积小成本低,无累计误差。
由于第二数控电机412与基座11之间是相互转动的,为了控制信号能够传输给数控电机412,可以将第二数控电机412与基座11之间的导线绕转轴51缠绕多圈,使得第二数控电机412可以相当基座11转动一定的圈数,并在上位机控制软件中设置顺时针和逆时针旋转的最多圈数,并在数控编程时避免顺时针和逆时针旋转超出此阈值;当然也可以通过设置与转轴51同轴的电刷滑环了传输第二数控电机412的控制信号,这样对旋转圈数无限制。
具体的,实施例四,
如图7、图8、图9和图10所示,在实施例一的基础上,对变径滑块42沿变径导轨41运动位移的调节方式更改。
基盘44与转轴51同轴固连,驱动杆421沿基盘44的径向滑动,基盘44上方设有转盘45,基盘44与转盘45同轴旋转连接,转盘45设有变径滑槽451,驱动杆421穿过转盘45的变径滑槽451,当转盘45相对基盘44转动时,转盘45的变径滑槽451带动驱动杆421接近或远离转轴51。
更具体的,基盘44呈圆盘状,其下部中心与转轴51同轴固连,进一步的,基盘44下部中心固连法兰43,法兰43中心的孔与转轴51同轴固连;基盘44径向设有一个变径轨道442,进一步的,变径轨道442的截面是“工”字形,沿基盘44某一半径方向拉伸成槽,变径滑块42是“工”字形截面拉伸体,变径滑块42在变径轨道442中沿直线滑动;为了将变径滑块42与基盘44的相对位置锁定,设置径向制动器423实现变径滑块42与基盘44的相对位置锁定,进一步的,径向制动器423由制动块4231和制动手柄4232组成,制动块4231中部设有圆孔,制动块4231与变径滑块42有间隙,制动块4231两端与基盘44接触,制动手柄4232第一端设有螺柱,螺柱穿过制动块4231中部的圆孔旋入变径滑块42对应的螺纹孔中,当转动手柄制动手柄4232旋紧螺柱,将制动块4231两端压紧在基盘44上,实现了变径滑块42与基盘44的相对位置锁定,当转动手柄制动手柄4232旋松螺柱,解除锁定;
基盘44圆周均布保持架441,保持架441截面呈“7”形,保持架441限制了圆盘形的转盘45相对基盘44的径向运动和轴向运动,转盘45仅可以相对基盘44转动;
转盘45设有变径滑槽451,驱动杆421穿过变径滑槽451,并且驱动杆421与转盘45的变径滑槽451仅有微小的径向间隙,变径滑槽451的中心线优选阿基米德螺旋线,转盘45相对基盘44转动相同的角度时,驱动杆421径向移动的位移也相同;转盘45圆周面设有刻度,基盘44对应位置设有指示标记,读取转盘45刻度的读数,即可得出驱动杆421的旋转半径值;此时转盘45刻度的读数就可以直接得出旋转半径值,而不需要像丝杆传动一样具体数转动的刻度数量计算;需要说明的是,转盘45的变径滑槽451的中心线的总角度优选360度(图9所示),这个角度越大,转盘45转动相同的角度,对应驱动杆421的径向位移越小,即传动比更大,反之亦然;另外,当驱动杆421位于变径滑槽451起始位置时,恰好驱动杆421的轴线与转轴51同轴,这时转动转盘45是无法实现驱动杆421径向移动的,所以变径滑槽451的起始位置应避开驱动杆421的轴线与转轴51同轴的位置;也可以将驱动杆421设计为接近转轴51的方向调节;还需要补充的是,变径滑槽451还可以设计为其他形式的曲线或直线,所带来的影响转盘45刻度不均匀分布。
具体的,实施例五,
如图11所示,在实施例四的基础上,为了增加驱动基盘44旋转的力矩以便刀具33获得更大的切削力,增加第一减速器52和第一手轮521;第一减速器52的壳体与固定座13固连,第一减速器52的输出轴与转轴51(图4示)同轴固连,也可以理解为第一减速器52的输出轴就是转轴51,第一减速器52的输入轴与第一手轮521同轴固连,第一手轮521圆周面设有刻度,第一减速器52对应位置设有指示标记,读取第一手轮521转动时的刻度值,得出基盘44转动的角度,第一减速器52优选蜗轮蜗杆减速。
这样不仅可以增加了基盘44旋转的力矩,刀具33获得了更大的切削力,还可以精确的调整刀具33在圆周上的位置,即,刀具33的位置可以由圆柱坐标系系统精确的调节,这三个自由度分别是Z向平动、径向平动和周向转动。
具体的,实施例六,
如图12所示,在实施例五的基础上,将Z轴手轮241更改为Z轴数控电机242,将Z轴数控电机242的输出轴与Z轴丝杆同轴固连,Z轴数控电机242的壳体与Z轴导轨24固连;第二数控电机412驱动转盘45相对基盘44转动,进一步的,将第二数控电机412的输出轴与主动齿轮同轴固连,转盘45圆周设有齿圈,第二数控电机412的输出轴的主动齿轮与转盘45的齿圈啮合传动,第二数控电机412的壳体与基盘44边缘固连;将第一手轮521更改为第一数控电机522,将第一数控电机522的输出轴与第一减速器52的输入轴同轴固连,第一数控电机522的壳体与第一减速器52的壳体固连。Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522是现有技术中,根据输入电信号的要求转动精确角度的电机,可以是步进电机、伺服电机等。由于Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522具有带电锁定的功能,可以可靠的保持刀具33各运动自由度在需要时处于锁定的状态,故可以取消每个运动自由度对应的制动器。
根据控制器的发出的电信号,Z轴数控电机242、第二数控电机412和第一数控电机522分别驱动刀具33在圆柱坐标系系统中沿Z向平动、径向平动和周向转动,实现利用圆柱坐标结构实现现有笛卡尔坐标结构机床相同的功能。圆柱坐标系统加工圆特征具有先天性的优势,结构易于实现、系统计算量小、加工精确、进给机构的体积小成本低,无累计误差。
由于第二数控电机412与基座11之间是相互转动的,为了控制信号能够传输给数控电机412,可以通过绕转轴51缠绕多圈线圈,使得第二数控电机412可以相当基座11转动一定的圈数,并在上位机控制软件中设置顺时针和逆时针旋转的最多圈数,并在数控编程时避免顺时针和逆时针旋转超出此阈值;当然也可以通过设置与转轴51同轴的电刷滑环了传输第二数控电机412的控制信号,这样对旋转圈数无限制。
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。