CN109129230A - 可双轴位置调节与控制的台虎钳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可双轴位置调节与控制的台虎钳，机座上部弧形凹槽与球形外壳相匹配，机座上部的弧形凹槽与球形外壳配合连接处设置有滚珠；球形外壳内部装有水平设置的主传动轴，主传动轴上装有小锥齿轮、直齿轮；主传动轴前后端分别通过两个轴承组与球形外壳连接，且主传动轴可沿轴承组轴向滑移，主传动轴上的直齿轮与球形外壳右端内的内齿圈相适配；球形外壳上部的封盖上面通过平面轴承连接夹具底座，夹具底座上面装有夹具组件；夹具底座底部通过垂直转轴连接大锥齿轮，且大锥齿轮与主传动轴上的小锥齿轮相适配；所述主传动轴通过联轴器二连接驱动电机组件，驱动电机组件下面装有丝杠与螺母组件，丝杠与螺母组件通过联轴器一连接进给系统。

Description

可双轴位置调节与控制的台虎钳

技术领域

本发明涉及一种台虎钳，尤其是一种多自由度调节位置与方向的台虎钳。

背景技术

普通台虎钳的主要功能是夹紧工件，在零件加工过程中，主要完成固定与夹紧工件作用。在多面体零件的加工过程中，由于需要几个面的加工，因此传统的台虎钳需要不断地更换装夹面来完成工作。这样就会给一些对各个加工面上的加工指征要求带来不便，尤其是一些加工指征要求有严格相互关系要求的加工件。以一个简单的零件加工要求为例；如图1所示，图1中要求通孔一31与通孔二32垂直，沉孔33分别与通孔一31、通孔二32垂直。这样一个简单的加工，在普通的台虎钳上必须完成三次装夹才能加工，这就对装夹过程、装夹面等都有严格的要求，操作难度极高。

发明内容

本发明是要提供一种可双轴位置调节与控制的台虎钳，可以利用其特殊结构，方便地完成各个面上加工的实施。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可双轴位置调节与控制的台虎钳，包括机座、球型外壳、主传动轴、封盖、平面轴承、夹具底座、夹具组件、大锥齿轮、小锥齿轮、内齿圈、直齿轮，所述机座上面安装球型外壳，且机座上部弧形凹槽与球形外壳相匹配，机座上部的弧形凹槽与球形外壳配合连接处设置有滚珠。球形外壳上端固定连接封盖，内部装有水平设置的主传动轴，主传动轴上装有小锥齿轮、直齿轮；所述主传动轴前后端分别通过轴承组a、轴承组b与球形外壳连接，且主传动轴可沿轴承组a、轴承组b轴向滑移，主传动轴上的直齿轮与球形外壳右端内的内齿圈相适配；所述封盖上面通过平面轴承连接夹具底座，夹具底座上面装有夹具组件；夹具底座底部通过垂直转轴连接大锥齿轮，且大锥齿轮与主传动轴上的小锥齿轮相适配；所述主传动轴通过联轴器二连接驱动电机组件，驱动电机组件下面装有丝杠与螺母组件，丝杠与螺母组件通过联轴器一连接进给系统。

当夹具底座需绕垂直转轴转动时，进给系统通过丝杠与螺母组件经驱动电机组件驱动主传动轴向左移动，使主传动轴上的小锥齿轮与夹具底座底部的垂直转轴上的大锥齿轮啮合连接，并由驱动电机组件经主传动轴带动小锥齿轮绕主传动轴所处的水平轴转动驱动大锥齿轮转动，从而使夹具底座绕垂直转轴旋转。

当夹具底座需绕水平轴转动时，进给系统通过丝杠与螺母组件经驱动电机组件驱动主传动轴向右移动，使主传动轴上的直齿轮与球形外壳右端内的内齿圈啮合连接，并由驱动电机组件经主传动轴带动直齿轮绕主传动轴所处的水平轴转动驱动内齿圈转动，从而使球形外壳上的夹具底座绕水平轴旋转。

进一步，所述夹具底座上部设置有四组十字向心夹具调整槽，用于安装四组夹具。

进一步，所述夹具组件由四组夹具组成；每组夹具由支撑块、夹紧块组成，夹紧块横截面为凸字形，支撑块横截面为凹字形，夹紧块的小端嵌入支撑块的凹字形凹槽中；支撑块上设置有两个调整螺纹孔，并通过调整螺栓与夹紧块连接，通过调整螺栓拧紧或放松夹紧块与工件的接触状态。

进一步，所述大锥齿轮和内齿圈的齿面轮廓由两部分组成，一部分为工作齿面，另一部分为导向齿面。

进一步，所述轴承组a由直线轴承a与滚动轴承a以及轴套组成；直线轴承a与滚动轴承a内圈之间采用轴套间隙配合，滚动轴承a外圈与球形外壳配合处为过渡配合。

进一步，所述轴承组b由直线轴承b与滚动轴承b以及内、外轴套组成；直线轴承b与滚动轴承b内圈之间采用内轴套间隙配合，滚动轴承b外圈与外轴套配合处为过渡配合，外轴套与球形外壳采用过赢配合。

进一步，所述丝杠与螺母组件由丝杠、螺母块与底座组成，螺母块通过导轨结构与底座连接，使螺母块沿导轨方向移动而不产生移动偏斜。

进一步，所述进给系统由电动机、大速比减速器以及底座组成，电动机连接大速比减速器，通过大速比减速器获得大的转矩，用于驱动主传动轴及小锥齿轮和直齿轮直线位移。

本发明的特点和有益效果是：

1、台虎钳整体采用球形结构，大大降低了空间占有体积。

2、将绕X与Z轴的转动机构设置在采用球形结构的内部，使得转动机构的密封得到保护，可以有效地防止由加工过程中产生的切削屑进入转动机构中才从而避免转动机构的损伤与失效。如果进一步采用良好的密封措施，可有效地隔绝加工冷却、润滑液的侵入，使得转动机构始终处于理想的工作状态。

3、采用一套驱动系统实现两个方向的切换转动，大大地降低了整体体积，并更方便了控制系统的控制实施。

4、X、Z轴不同角度的转动配合，可实现多个面的加工顺序。

5、可以实现一次装夹完成多工序的加工过程，大大地提高了加工效率，并保证了加工中各相关的位置精度要求。

6、四组支撑块可根据加工要求对工件实施中心对称夹紧与或非中心对称夹紧，使得加工件的加工位置更为多样化。

7、采用了轴承组件以及球体与底座之间的滚珠支撑结构，降低了运动阻力，减小了电机功率。

8、采用自锁性能好的蜗轮、蜗杆减速器与制动机构，可有效地防止在加工过程中因载荷作用台虎钳的设定位置偏离。

9、配合数控机床与普通机床的使用，可提高与改善加工效能。

10、配合三维调整台的使用，可使得加工件的加工位置更为多样化。

11、只要拆除联轴器，即可除去进给系统、驱动系统与控制系统功能，进行手工操作，同样也可实现一次装夹完成多个工序、多个面的加工。大大地提高了手工加工效率，并保证了加工中各相关的位置精度要求。

12、由于外形采用球形结构，在手工加工过程中可有效的避免操作者在误动作时的人体伤害。

附图说明

图1为被加工零件加工要求示意图；

图2为本发明的台虎钳实现一次装夹完成多工序的加工过程示意图；

其中：(a)加工被加工零件的通孔一，(b)加工被加工零件的通孔二，(c)加工被加工零件的沉孔；

图3为本发明的台虎钳(绕Z轴旋转)结构示意图；

图4为本发明的台虎钳(绕X轴旋转)结构示意图；

图5为机座结构示意图；

图6为机座结构剖视图；

图7为轴承组a结构示意图；

图8为球型外壳结构主剖视图；

图9为图8中沿A－A的剖视图；

图10为图9的俯视图；

图11为夹具底座结构主剖视图；

图12为图11的俯视图；

图13为夹具组件结构示意图；

图14为图13的俯视图；

图15为大锥齿轮结构示意图；

图16为图15的俯视图；

图17为大锥齿轮工作原理示意图；

其中：(a)导向齿引导，(b)工作齿啮合；

图18为轴承组b结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的可双轴位置调节与控制的台虎钳实现一次装夹完成多工序的加工过程，如图2所示：

(1)加工完通孔一31后，多自由度自动控制调节位置与方向的台虎钳在控制系统的指令下，绕X轴旋转90度，(见图2a)。

(2)加工完通孔二32后，多自由度自动控制调节位置与方向的台虎钳在控制系统的指令下，绕Z轴旋转90度(见图2b)。

(3)完成沉孔33的加工(见图2c)。

本发明的台虎钳配合Z、X轴的不同角度旋转即可实现多个面的加工顺序。这种可双轴位置调节与控制的台虎钳，可以实现一次装夹完成多工序的加工过程，大大地提高了加工效率，并保证了加工中各相关的位置精度要求。

实施例：

如图3，4所示，一种多自由度调节位置与方向的台虎钳，包括机座1、球型外壳2、轴承组a3、主传动轴4、封盖5、平面轴承6、夹具底座7、工件8、夹具组件9、大锥齿轮10、小锥齿轮11、内齿圈12、轴承组b 13、驱动电机组件14、进给系统15、联轴器一16、丝杠与螺母组件17、联轴器二18、直齿轮19。

机座1上面安装球型外壳2，且机座1上部弧形凹槽与球形外壳2相匹配，机座1上部的弧形凹槽与球形外壳2配合连接处设置有滚珠。球形外壳2上端固定连接封盖5，内部装有水平设置的主传动轴4，主传动轴4上装有小锥齿轮11、直齿轮19。主传动轴4前后端分别通过轴承组a3、轴承组b 13与球形外壳2连接，且主传动轴4可沿轴承组a3、轴承组b 13轴向滑移，主传动轴4上的直齿轮19与球形外壳2右端内的内齿圈12相适配。封盖5上面通过平面轴承6连接夹具底座7，夹具底座7上面装有夹具组件9；夹具底座7底部通过垂直转轴连接大锥齿轮10，且大锥齿轮10与主传动轴4上的小锥齿轮11相适配。主传动轴4通过联轴器二18连接驱动电机组件14，驱动电机组件14下面装有丝杠与螺母组件17，丝杠与螺母组件17通过联轴器一16连接进给系统15。

当夹具底座7需绕垂直转轴(Z轴)转动时，进给系统15通过丝杠与螺母组件17经驱动电机组件14驱动主传动轴4向左移动，使主传动轴4上的小锥齿轮11与夹具底座7底部的垂直转轴上的大锥齿轮10啮合连接，并由驱动电机组件14经主传动轴4带动小锥齿轮11绕主传动轴4所处的水平轴(X轴)转动驱动大锥齿轮10转动，从而使夹具底座7绕Z轴旋转。

当夹具底座7需绕水平轴(X轴)转动时，进给系统15通过丝杠与螺母组件17经驱动电机组件14驱动主传动轴4向右移动，使主传动轴4上的直齿轮19与球形外壳2右端内的内齿圈12啮合连接，并由驱动电机组件14经主传动轴4带动直齿轮19绕主传动轴4所处的水平轴(X轴)转动驱动内齿圈12转动，从而使球形外壳2上的夹具底座7绕X轴旋转。

如图5，6所示，机座1——用于承载台虎钳、夹持工件及其加工载荷。上部弧形凹槽与球形外壳相2匹配。中部设置有滚珠孔，用于安置滚珠。滚珠孔略大于滚珠。工作时，球形外壳2的受力支撑点落在各个滚珠上，位置与角度调节时利用滚珠的特性，球形外壳2与机座1为滚动摩擦以减小运动阻力，达到减小驱动电机的功率。

主传动轴4为圆阶梯轴。主传动轴4上安装有直线轴承与滚动轴承的轴承组a、b、，以及锥齿轮、直齿轮、联轴器等。

如图7所示，轴承组a3——用于实现主传动轴4沿轴线位移与绕轴线转动。轴承组a3由直线轴承a3-1与滚动轴承a3-2以及轴套3-3组成。直线轴承a3-1与滚动轴承a3-2内圈之间采用轴套间隙配合，滚动轴承a3-2外圈与球形外壳2配合处为过渡配合。

如图8，9，10所示，球形外壳2——用于安装主传动轴4、直线轴承与滚动轴承的轴承组a3、轴承组b13、内齿圈12等。球形外壳2与底座1上部弧形凹槽相匹配。球形外壳2一侧设有轴承组a安装处2-1，另一侧设有内齿圈安装处2-2和轴承组b安装处2-3，顶部设有封盖安装螺纹孔2-4。

如图11，12所示，夹具底座7——底座为圆形，上部设置有四组十字向心夹具调整槽7-1，用于安装四组夹具，以及设有四个与封盖连接的安装孔7-2，下部轴体底部设有与大锥齿轮连接的安装螺纹孔7-3，下部轴体部分用于安装锥形齿圈并随其同步转动。

如图13，14所示，夹具组件9——用于夹紧工件。组件夹具9由四组夹具组成。每组夹具由支撑块21与夹紧块23两个零件组成。与工件8接触部分的夹紧块23采用常用的夹具材质与表面处理。夹紧块23横截面为凸字形，较小的一端嵌入支撑块21的凹字形凹槽中。支撑块21为凹字形，其上设置有两个调整螺纹孔，利用调整螺栓22拧紧或放松夹紧块与工件8的接触状态。支撑块21下部设置有与夹具底座联结安装的螺纹孔24。由于夹具底座7采用十字向心夹具调整槽，因此四组支撑块21可根据加工要求对工件8实施中心对称夹紧与或中心对称夹紧。

如图15，16所示，大锥齿轮10——用于将小锥齿轮11的绕X轴的旋转转换为夹具绕Z轴的旋转，并降低转速，达到增大转矩与便于转角控制。其固定在夹具底座轴的下部用螺栓联结。大锥齿轮10的齿面轮廓由两部分组成，一部分为工作齿10-1的齿面，与小锥齿轮11啮合达到工作目的。另一部分为导向齿10-2的齿面，在进给机构的驱动下，由于导向齿面的引导作用，大小锥齿轮产生偏转，小锥齿轮逐步进入啮合区，可避免大、小锥齿轮齿面发生碰撞而无法进入啮合区，甚至发生齿面碰撞破坏。其工作原理示意图见图17(a)，(b)。

平面轴承6——降低绕Z轴旋转时的摩擦阻力。镶嵌在封盖5与夹具底座7之间。平面轴承6内孔与夹具底座7轴体部分间隙配合。

内齿圈12——直齿，用于传递直齿轮19的绕X轴的旋转而带动台虎钳绕X轴的旋转，并降低转速，达到增大转矩与便于转角控制。内齿圈12镶嵌在球型外壳2的一端，采用过盈配合。内齿圈12的齿面轮廓由两部分组成，一部分为工作齿面，与小齿轮啮合达到工作目的。另一部分为导向齿面，在进给机构的驱动下，由于导向齿面的引导作用，内齿圈与小齿轮产生偏转，直齿轮19逐步进入啮合区，可避免内齿圈与小齿轮齿面发生碰撞而无法进入啮合区，甚至发生齿面碰撞破坏。其结构与工作原理与大锥齿轮类似。

如图18所示，轴承组b13——用于实现主传动轴4沿轴线位移与绕轴线转动。由直线轴承b13-1与滚动轴承b13-2以及内、外轴套13-3，13-4组成。直线轴承b13-1与滚动轴承b13-2内圈之间采用内轴套13-3间隙配合，滚动轴承b13-2外圈与外轴套13-4配合处为过渡配合。外轴套13-4与球形外壳2采用过盈配合。

驱动电机组件14由蜗轮、蜗杆减速器、伺服电机、控制系统及制动机构组成。采用蜗轮、蜗杆减速器可获得较大的速比并有良好的自锁性能。伺服电机与控制系统可对转速、转角进行精确控制。制动机构用于在完成位置控制后配合蜗轮、蜗杆减速器锁定台虎钳位置，防止因加工载荷引起的位置偏离。

丝杠与螺母组件17——用于将进给系统的旋转转换为螺母的直线运动，以带动驱动电机组件14进行往复运动，从而实现台虎钳绕X轴与绕Z轴旋转的切换。丝杠与螺母组件17由丝杠、螺母块与底座组成。螺母块与底座的结合方式采用机床导轨结构，限制其只能沿导轨方向移动而不产生移动偏斜。

进给系统15——提供在丝杠与螺母组件作用下带动驱动电机组件14进行往复运动的动力。进给系统15由电动机、大速比减速器以及底座组成。大速比减速器可获得较大的转矩与便于直线位移控制。

本发明的工作原理：

(1)根据加工工艺要求，对被加工工件进行中心对称夹紧或非中心对称夹紧。

(2)根据加工工艺要求，根据控制系统指令进给系统选择台虎钳绕设定旋转轴的要求到达指定位置，即锥齿轮啮合区域或直齿轮啮合区域。

(3)到达指定位置后，驱动系统根据控制系统指令使工件进入指定加工位置等待第一工序的加工。

(4)待第一工序的加工完成后，根据工艺要求，控制系统对进给系统与驱动系统发出指令，进行后续加工位置进行调整与控制，逐步完成所有加工要求。

Claims (10)

1.一种可双轴位置调节与控制的台虎钳，包括机座(1)、球型外壳(2)、主传动轴(4)、封盖(5)、平面轴承(6)、夹具底座(7)、夹具组件(9)、大锥齿轮(10)、小锥齿轮(11)、内齿圈(12)、直齿轮(19)，其特征在于：所述机座(1)上面安装球型外壳(2)，且机座(1)上部弧形凹槽与球形外壳(2)相匹配，机座(1)上部的弧形凹槽与球形外壳(2)配合连接处设置有滚珠；所述球形外壳(2)上端固定连接封盖(5)，内部装有水平设置的主传动轴(4)，主传动轴(4)上装有小锥齿轮(11)、直齿轮(19)；所述主传动轴(4)前后端分别通过轴承组a(3)、轴承组b(13)与球形外壳(2)连接，且主传动轴(4)可沿轴承组a(3)、轴承组b(13)轴向滑移，主传动轴(4)上的直齿轮(19)与球形外壳(2)右端内的内齿圈(12)相适配。封盖(5)上面通过平面轴承(6)连接夹具底座(7)，夹具底座(7)上面装有夹具组件(9)，夹具底座(7)底部通过垂直转轴连接大锥齿轮(10)，且大锥齿轮(10)与主传动轴(4)上的小锥齿轮(11)相适配；所述主传动轴(4)通过联轴器二(18)连接驱动电机组件(14)，驱动电机组件(14)下面装有丝杠与螺母组件(17)，丝杠与螺母组件(17)通过联轴器一(16)连接进给系统(15)。

2.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：当夹具底座(7)需绕垂直转轴转动时，所述进给系统(15)通过丝杠与螺母组件(17)经驱动电机组件(14)驱动主传动轴(4)向左移动，使主传动轴(4)上的小锥齿轮(11)与夹具底座(7)底部的垂直转轴上的大锥齿轮(10)啮合连接，并由驱动电机组件(14)经主传动轴(4)带动小锥齿轮(11)绕主传动轴(4)所处的水平轴转动驱动大锥齿轮(10)转动，从而使夹具底座(7)绕垂直转轴旋转。

3.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：当夹具底座(7)需绕水平轴转动时，所述进给系统(15)通过丝杠与螺母组件(17)经驱动电机组件(14)驱动主传动轴(4)向右移动，使主传动轴(4)上的直齿轮(19)与球形外壳(2)右端内的内齿圈(12)啮合连接，并由驱动电机组件(14)经主传动轴(4)带动直齿轮(19)绕主传动轴4所处的水平轴转动驱动内齿圈(12)转动，从而使球形外壳(2)上的夹具底座(7)绕水平轴旋转。

4.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述夹具底座(7)上部设置有四组十字向心夹具调整槽，用于安装四组夹具。

5.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述夹具组件(9)由四组夹具组成；每组夹具由支撑块(21)、夹紧块(23)组成，夹紧块(23)横截面为凸字形，支撑块(21)横截面为凹字形，夹紧块(23)的小端嵌入支撑块(21)的凹字形凹槽中；支撑块(21)上设置有两个调整螺纹孔，并通过调整螺栓(22)与夹紧块(23)连接，通过调整螺栓(22)拧紧或放松夹紧块与工件(8)的接触状态。

6.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述大锥齿轮(10)和内齿圈(12)的齿面轮廓由两部分组成，一部分为工作齿面，另一部分为导向齿面。

7.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述轴承组a(3)由直线轴承a(3-1)与滚动轴承a(3-2)以及轴套(3-3)组成；所述直线轴承a(3-1)与滚动轴承a(3-2)内圈之间采用轴套间隙配合，滚动轴承a(3-2)外圈与球形外壳(2)配合处为过渡配合。

8.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述轴承组b(13)由直线轴承b(13-1)与滚动轴承b(13-2)以及内、外轴套(13-3，13-4)组成；直线轴承b(13-1)与滚动轴承b(13-2)内圈之间采用内轴套(13-3)间隙配合，滚动轴承b(13-2)外圈与外轴套(13-4)配合处为过渡配合，外轴套(13-4)与球形外壳(2)采用过盈配合。

9.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述丝杠与螺母组件(17)由丝杠、螺母块与底座组成，螺母块通过导轨结构与底座连接，使螺母块沿导轨方向移动而不产生移动偏斜。

10.根据权利要求1所述的可双轴位置调节与控制的台虎钳，其特征在于：所述进给系统(15)由电动机、大速比减速器以及底座组成，电动机连接大速比减速器，通过大速比减速器获得大的转矩，用于驱动主传动轴(4)及小锥齿轮(11)和直齿轮(19)直线位移。