CN109794636A - 一种数控摆转铣头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数控摆转铣头结构，包括主轴头本体(1)、主轴(2)和旋转轴(3)，所述主轴(2)具有设置在所述主轴头本体(1)的第一腔体内的一部分以及延伸到所述第一腔体外的延伸部分，刀具能够安装到所述主轴(2)的所述延伸部分上，所述主轴头本体(1)的一侧与所述旋转轴(3)固定连接。本发明实施例铣头的旋转结构消除复杂的传动链，提高传动效率。本发明实施例的铣头的制动结构稳定，摆转铣头不会发生晃动或转动。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，具体涉及一种数控摆转铣头结构。
背景技术
铣头结构是指安装在铣床并与主轴连接的结构，在实际对于同一个工件的加工过程中，往往需要铣头变化加工状态加工配合进行，如在立式和卧式之间切换进行加工的方式，因此需要一种设有摆转部件的铣头结构，能够实现铣头的多种形态加工转换。
此外，现有技术中对于摆转铣头结构的设计，大多采用伺服电机带动皮带、齿轮等减速机构来实现铣头的旋转运动，传动链复杂，传动效率低。
高档复合数控机床中，特别是常规的三轴直线运动轴加单转台架构的五轴联动铣车复合数控机床，做为第五轴的数控摆转铣头在真正实现五轴联动加工中具有十分重要的作用，因此数控摆转铣头的结构设计尤为重要。
高档复合数控机床中，特别是五轴铣车复合数控机床，数控摆转铣头作车削加工中，铣头高速旋转，为保证其坐标的准确性，必须保持切换加工状态的摆转部件的稳定性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提供一种能够转换加工状态的的数控摆转铣头结构。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案来实现：
根据本发明一实施例的一种数控摆转铣头结构，包括：
主轴头本体、主轴和旋转轴，所述主轴具有设置在所述主轴头本体的第一腔体内的一部分以及延伸到所述第一腔体外的延伸部分，刀具能够安装到所述主轴的所述延伸部分上，所述主轴头本体的一侧与所述旋转轴固定连接；以及，
直驱电机定子和与所述旋转轴相连接的直驱电机转子，所述直驱电机定子在通电时驱动所述直驱电机转子转动，以带动所述旋转轴和所述主轴头本体一起旋转。
根据本发明另一实施例的一种数控摆转铣头结构，包括：主轴头本体、主轴和旋转轴，所述主轴具有设置在所述主轴头本体的第一腔体内的一部分以及延伸到所述第一腔体外的延伸部分，铣头能够安装到所述主轴的所述延伸部分上，所述主轴头本体的一侧与所述旋转轴固定连接，所述旋转轴在电机的驱动下旋转并带动主轴头本体绕旋转轴中心轴线旋转。该数控摆转铣头结构还包括油压制动缸，所述旋转轴具有延伸穿过所述油压制动缸的第二腔体内的第一部分，所述油压制动缸与所述旋转轴的所述第一部分之间设有制动环。
有益地或示例性地，所述制动环为环形结构并与所述油压制动缸之间形成环形的密闭油腔，所述油压制动缸内设有进油孔路，所述进油孔路的一个端口为进油口，所述进油孔路的另一端口与所述油腔连通。
有益地或示例性地，所述油压制动缸内还设有排油口，所述排油孔路的一个端口为排油孔路，所述排油孔路的另一端口与所述油腔连通。
有益地或示例性地，所述制动环上端设有朝向旋转轴的中心轴线方向的上凸缘，下端设有朝向与上凸缘相反方向的下凸缘；所述旋转轴的第一部分的外径为变径柱体结构，所述上凸缘贴合固定于所述第一部分的变径处；所述下凸缘贴合所述油压制动缸下端的凸台处。
有益地或示例性地，所述电机包括直驱电机定子和与所述旋转轴相连接的直驱电机转子，所述直驱电机定子在通电时驱动所述直驱电机转子转动，以带动所述旋转轴和所述主轴头本体一起旋转。
有益地或示例性地，所述旋转轴、所述直驱电机定子和所述直驱电机转子构成所述数控摆转铣头结构的摆转部件的一部分。
有益地或示例性地，所述摆转部件还包括套管本体，所述直驱电机定子和所述油压制动缸，其中，所述油压制动缸部分固定在所述套管本体的第三腔体中。
有益地或示例性地，所述直驱电机转子设置在所述直驱电机定子的内部，并固定在转子固定座上，所述旋转轴还具有延伸穿过所述套管本体的第三腔体的第二部分，所述转子固定座设置在所述旋转轴的所述第二部分上。
有益地或示例性地，所述摆转部件还包括转盘轴承、深沟球轴承和角接触轴承中之一或任意组合。所述转盘轴承承设于所述旋转轴的所述第二部分与所述套管本体之间。所述深沟球轴承和所述角接触轴承设于所述油压制动缸与所述旋转轴的所述第一部分之间。所述转盘轴承、深沟球轴承和角接触轴承用于支撑所述旋转轴的转动。
有益地或示例性地，所述旋转轴还具有设置在所述套管本体外并与所述主轴头本体连接的第三部分，所述转盘轴承承设于所述旋转轴的第二部分中靠近所述第三部分的位置与所述套管本体之间。所述深沟球轴承和角接触轴承可分别设于所述制动环的上下两端，所述深沟球轴承设于所述旋转轴的第一部分靠近所述第二部分的位置处。
有益地或示例性地，所述转盘轴承的内圈连接于所述转子固定座，以及所述转盘轴承的外圈固定于所述套管本体的第三腔体中。
有益地或示例性地，所述数控摆转铣头结构还包括角度编码器，所述角度编码器与所述旋转轴相连，所述角度编码器测量所述旋转轴的旋转位置并将所述旋转位置发送给控制装置，以实现对所述铣头位置的控制。
有益地或示例性地，所述主轴的中心轴线与所述旋转轴的中心轴线相交呈锐角，优选地所述锐角为度角。
本发明的各种实施方式具有以下有益效果为：
1.本发明实施例采用直驱电机直接驱动摆转部件，消除了复杂的传动链，实现了零传动链传动，提高了传动效率。
2.本发明实施例同时设置了转盘轴承、深沟球轴承与角接触轴承去支撑旋转结构或摆转部件，有效地承受了整个旋转结构和摆转部件的径向力和轴向力，受力良好，刚性较大。
3.本发明实施例采用角度编码器测定旋转的角度，高精度的角度编码器把检测旋转轴的旋转实际位置信号传送给控制装置，可以实现铣头位置的精密控制，使旋转轴的定位精度增高。
4.本发明实施例可实现数控摆转铣头的精密控制以及良好的旋转精度，能够保证五轴联动铣车功能的正常运行，同时还能够实现摆转铣头的两种加工状态的转换。
5.本发明实施例设置油压制动缸、制动环与油腔，利用油压驱动制动环压紧旋转轴，使得铣头在数控装置给出停止信号时能够保持稳定，不发生晃动或转动。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例1的铣头结构的剖面图；
图2是本发明实施例1的铣头结构的的摆转部件结构示意图；
图3是本发明实施例2的铣头结构的剖面图；
图4是本发明实施例2的铣头结构的摆转部件的结构示意图；
图5是本发明实施例2的图4中A处结构放大图；
图6是本发明实施例2的铣头结构的油压制动缸的结构示意图；
图7是本发明实施例1和2的铣头结构的套管本体的结构示意图；
图8是本发明实施例1和2的铣头结构的旋转轴结构示意图；
图9是本发明实施例1和2的铣头结构的一种加工状态图；
图10是本发明实施例1和2的铣头结构的另一种加工状态图；
图11是本发明实施例1和2的铣头结构的主轴头本体结构示意图。
附图标记：
1-主轴头本体；2-主轴；3-旋转轴；4-直驱电机定子；5-直驱电机转子；6-油压制动缸；7-制动环；8-转盘轴承；9-深沟球轴承；10-角接触轴承；11-套管本体；12-角度编码器；13-进油孔路；14-排油孔路；15-油腔；16-主轴头本体的第一腔；17-延伸部分；18-油压制动缸的第二腔体；19-旋转轴的第一部分；20-套管本体的第三腔体；21-转子固定座；22-旋转轴的第二部分；23-旋转轴的第三部分；24-锁紧螺母；25-中空腔；26-喷水喷气腔；27-喷水喷气块。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
参见图1-图2以及图9-图10，图1是本发明实施例1的铣头结构剖面图，图2示意出本发明实施例1的摆转部件接头图；图9-10是本发明实施例的铣头结构的两种加工结构状态。
如图1和图9所示，铣头结构处于图9所示加工状态时，主轴2的一部分插入或安装在主轴头本体1的第一腔体内。主轴头本体1的第一腔体(图中未标号)下方设有开口。主轴2从第一腔体内延伸到第一腔体外，其中位于第一腔体外的延伸部分上能够安装有铣头，旋转轴3的第一部分19穿入油压制动缸6的第二腔体18内。此时，铣头能够对工件进行一种状态的加工。主轴头本体上方1是主轴头盖(图中未标号)。
在一种实施方式中，摆转铣头结构设置有摆转部件来使加工的铣头在两种加工状态中转换。其中，旋转轴3属于摆转部件的一部分。
如图1-2、9-10所示，旋转轴3具有第一部分19、第二部分22和第三部分23。旋转轴3的第一部分19延伸穿过油压制动缸6的第二腔体18。油压制动缸6的第二腔体18的内壁与旋转轴3的第一部分19之间设有制动环7。旋转轴3的第二部分22延伸穿过套管本体11的第三腔体20。油压制动缸6的一部分固定安装于套管本体11的第三腔体20中。旋转轴的第三部分23延伸在第三腔体20之外，与主轴头本体1固定连接。
直驱电机定子4、位于直驱电机定子4内部的直驱电机转子5和转子固定座21设置在旋转轴3的第二部分22和套管本体11的第三腔体20的内壁之间。其中，转子固定座21设置在旋转轴3的第二部分22上。
当需要从图9所示加工状态切换至图10所示加工状态时，外部电源通电具有定子和转子的直驱电机。直驱电机定子4驱动与其相连的直驱电机转子5转动，直驱电机转子5还与旋转轴3相连接，因而带动旋转轴3开始旋转。由于旋转轴3与主轴头本体1的一侧固定连接，主轴头本体1在旋转轴3开始转动后被带动开始旋转，在旋转轴3转动特定角度后，主轴头本体1由图1的立式加工状态转换为图2的卧式加工状态。
在转换过程中，制动环7远离旋转轴3的第一部分19，使旋转轴3能够自由转动。
在加工过程中或遭遇突发断电时，制动环7向内收缩，压紧旋转轴3，使旋转轴3无法转动。
在一种实施方式中，主轴头本体1与旋转轴3用24颗螺柱和螺母(图中未标号)连接在一起，保证了旋转轴3与主轴头本体1的连接强度。需要说明的是，本领域技术人员能够理解主轴头本体1与旋转轴3也可以通过其他方式固定连接，例如铆接、螺纹连接等。
根据本发明提出的摆转部件的一个实施例，其通过设置转盘轴承、深沟球轴承和角接触轴承支撑旋转轴3的转动。
如图1-图2所示，转盘轴承8设于旋转轴3的第二部分22与套管本体11之间。深沟球轴承9和角接触轴承10设于油压制动缸6与旋转轴3的第一部分19之间。本发明实施例的一种数控摆转铣头的摆转结构使用转盘轴承、深沟球轴承和角接触轴承来承受整个铣头的径向力和轴向力，使得整体结构受力更大，刚性更好。
在一种实施方式中，设于套管本体11外的旋转轴3的第三部分23与主轴头本体1固定连接，直接驱动主轴头本体1旋转。转盘轴承8可装设于旋转轴3的第二部分22中靠近第三部分23的位置与套管本体11的第三腔体20内壁之间。在另一种实施方式中，转盘轴承8的内圈连接于转子固定座21，以及转盘轴承8的外圈固定于套管本体11的第三腔体20的内壁中。
在一种实施方式中，深沟球轴承9和角接触轴承10可分别设于制动环7的两端。深沟球轴承9设于旋转轴3的第一部分19靠近第二部分22的位置处。在转动的过程中，三种轴承位于旋转轴3的各个部分，针对性地承载旋转轴3各个部分的旋转载荷，增大了旋转轴3的支撑刚度。
根据本发明的一个实施例，如图1-图2所示，铣头结构还包括角度编码器12。角度编码器12设置于旋转轴3的第一部分19。在一个实施例中，角度编码器12位于与油压制动缸6邻接、远离套管本体11的位置处。在加工状态切换的过程中，与旋转轴3相连的高精度的角度编码器12把检测到的旋转轴3的旋转实际位置信号传送给数控机床的控制装置，以实现对铣头位置的精密控制。
主轴2的中心轴线与旋转轴3的中心轴线相交呈锐角。在一种实施方式中，锐角的角度在大约45°左右。在另一种实施方式中，锐角的角度可以为60°左右；在又一种实施方式中，锐角的角度可以为30°左右。
当锐角的角度在45°时，如图2所示为立式加工状态，如图3所示为卧式加工状态。
在一种实施方式中，旋转轴3的第一部分19外径处设有锁紧螺母24，锁紧螺母24位于角接触轴承10上方。
如图1所示，所述旋转轴3内部设有贯通的中空腔25。主轴头本体1与旋转轴3固连的一侧下方设有喷水喷气块27。主轴头本体1与旋转轴3固连的一侧还设有喷水喷气腔26。喷水喷气腔26的一侧连通所述中空腔25。喷水喷气腔26的另一侧连接喷水喷气块27。
喷水喷气块27包括设有气管与水管。中空腔25与喷水喷气腔26连通，喷水喷气腔26与喷水喷气块27连通。在铣刀对零件进行加工时，通过中空腔25、喷水喷气腔26和喷水喷气块27向零件喷水、喷气，以冷却工件，同时可吹去加工零件产生的铁屑。
实施例2：
参见图3-图11，图3是本发明实施例2的铣头结构剖面图；图2示意出本发明实施例2的摆转部件接头图；图5示意出本发明实施例2的制动油压制动缸6、制动环7、油腔15以及旋转轴3之间的结构关系；图6-7示意出附图标记中的油压制动缸6的第二腔体18、套管本体的第三腔体20；图8是旋转轴3的结构，示意出其第一部分19、第二部分22以及第三部分23的位置关系；图9-10是本发明的铣头结构的两种加工结构状态。
本实施例中，旋转轴3的第一部分19穿过油压制动缸6的第二腔体18，在旋转轴3第一部分19与油压制动缸6之间设有制动环7。
在一种实施方式中，制动环7为环形结构，围绕在旋转轴3第一部分19外，对旋转轴3进行全方位压紧，保证压紧牢固。在一个实施例中，制动环是环抱式油压刹车结构。
如图3所示，环抱式油压刹车环并与所述油压制动缸6之间形成环形的密闭油腔15，油压制动缸6内设有进油孔路13，其一个端口为进油口，另一端口与油腔15连通。此外，油压制动缸6在一侧内还设有排油孔路14，排油孔路14的一个端口为排油口，排油孔路14的另一端口与所述油腔15连通。
在一个实施例中，当需要切换状态时，即制动环7需要远离旋转轴3的第一部分19时，油压制动缸6的排油孔路14开启，进油孔路13关闭，与排油孔路14相连的油压室通过排油孔路14回收油腔15内的液压油，制动环7失去液压油的压力，向外张开，旋转轴3与制动环7之间径向形成间隙，使旋转轴3能够自由转动。
在一个实施例中，当与铣头结构连接的数控装置给出旋转轴3的停止信号时，油压制动缸6的进油孔路13的进油口开启，排油孔路14的排油口关闭。与进油孔路13相连的液压装置向进油口供油，通过进油孔路13向油腔15输送液压油。在液压油的压力作用下，使环抱式油压刹车环7向内收紧，夹紧与直驱电机相连的旋转轴3，旋转轴3停止转动。即制动环7压紧旋转轴3的第一部分19。
在一个实施例中，当数控装置给出转动信号时，液压装置停止供油。油腔15中的液压油从排油口排出，环抱式油压刹车环7相对于旋转轴3向外张开。旋转轴3与环抱式油压刹车环径向形成间隙，旋转轴3转动。
制动环或刹车装置可以是例如数控摆转铣头作车削加工时或立式加工与卧式加工转换后应用，以保证其坐标位置的正确，必须要使其稳定。制动环或刹车装置还可以是突然断电停机情况下应用，以防止主轴头在其重力作用下旋转。在一种实施方式中，在上述情况下数控装置给出旋转轴3的停止信号。应当明确，本领域技术人员能够根据实际情况设置数控装置给出旋转轴3的停止信号，而不仅限于上述情况。
本实施方式，设置油压制动缸、制动环与油腔，利用油压驱动制动环压紧旋转轴，使得铣头在数控装置给出停止信号时能够保持稳定，不发生晃动或转动，保证车削功能以及立式加工与卧式加工功能的正常运行。
在一种实施方式中，如图5所示，旋转轴3的第一部分19的上部可以是变径柱体结构，而油压制动缸6的下部可以是另一种变径柱体结构(如凸台结构)。制动环7为包括上凸缘与下凸缘的一种双凸缘结构，制动环7的上凸缘朝向旋转轴3的中心轴线方向，下凸缘方向与上凸缘相反。制动环7的上凸缘贴合固定于旋转轴3的第一部分19的变径，制动环7的下凸缘贴合固定于制动油压制动缸6的下端的变径处。
制动环7的双凸缘结构，保证了制动环7进行制动时不会发生变形。
需要说明的是，本领域技术人员能够将实施例1中的结构，如轴承结构、直驱电机结构等，应用到实施例2中，并使实施例2的一种数控摆转铣头结构能够具备实施例1中的所有功能，其功能实现的详细过程参见实施例1，不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种数控摆转铣头结构，包括：
主轴头本体(1)、主轴(2)和旋转轴(3)，所述主轴(2)具有设置在所述主轴头本体(1)的第一腔体内的一部分以及延伸到所述第一腔体外的延伸部分(17)，刀具能够安装到所述主轴(2)的所述延伸部分(17)上，所述主轴头本体(1)的一侧与所述旋转轴(3)固定连接；以及，
直驱电机定子(4)和与所述旋转轴(3)相连接的直驱电机转子(5)，所述直驱电机定子(4)在通电时驱动所述直驱电机转子(5)转动，以带动所述旋转轴(3)和所述主轴头本体(1)一起旋转。
2.一种数控摆转铣头结构，包括：
主轴头本体(1)、主轴(2)和旋转轴(3)，所述主轴(2)具有设置在所述主轴头本体(1)的第一腔体内的一部分以及延伸到所述第一腔体外的延伸部分(17)，刀具能够安装到所述主轴(2)的所述延伸部分(17)上，所述主轴头本体(1)的一侧与所述旋转轴(3)固定连接，所述旋转轴(3)在电机的驱动下旋转并带动主轴头本体(1)绕旋转轴(3)中心轴线旋转；以及，
油压制动缸(6)，所述旋转轴(3)具有延伸穿过所述油压制动缸(6)的第二腔体(18)内的第一部分(19)，所述油压制动缸(6)与所述旋转轴(3)的所述第一部分(19)之间设有制动环(7)。
3.根据权利要求2所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述制动环(7)为环形结构并与所述油压制动缸(6)之间形成环形的密闭油腔(15)，所述油压制动缸(6)内设有进油孔路(13)，所述进油孔路(13)的一个端口为进油口，所述进油孔路(13)的另一端口与所述油腔(15)连通。
4.根据权利要求3所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述油压制动缸(6)内还设有排油孔路(14)，所述排油孔路(14)的一个端口为排油口，所述排油孔路(14)的另一端口与所述油腔(15)连通，和/或，
所述制动环(7)具有上凸缘和下凸缘；所述旋转轴(3)的第一部分(19)的外径为变径柱体结构，所述上凸缘贴合固定于所述第一部分(19)的外部变径处，和所述下凸缘贴合固定于所述油压制动缸(6)的凸台处。
5.根据权利要求2所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述电机包括直驱电机定子(4)和与所述旋转轴(3)相连接的直驱电机转子(5)，所述直驱电机定子(4)在通电时驱动所述直驱电机转子(5)转动，以带动所述旋转轴(3)和所述主轴头本体(1)一起旋转。
6.根据权利要求1或5所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述旋转轴(3)、所述直驱电机定子(4)和所述直驱电机转子(5)构成所述数控摆转铣头结构的摆转部件的一部分；
所述摆转部件还包括套管本体(11)，所述直驱电机定子(4)和所述油压制动缸(6)，其中，所述油压制动缸(6)部分固定在所述套管本体(11)的第三腔体(20)中；以及，
所述直驱电机转子(5)设置在所述直驱电机定子(4)的内部，并固定在转子固定座(21)上，所述旋转轴(3)还具有延伸穿过所述套管本体(11)的第三腔体(20)的第二部分(22)，所述转子固定座(21)设置在所述旋转轴(3)的所述第二部分(22)上。
7.根据权利要求6所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述摆转部件还包括转盘轴承(8)、深沟球轴承(9)和角接触轴承(10)；
所述转盘轴承(8)承设于所述旋转轴(3)的所述第二部分(22)与所述套管本体(11)之间；
所述深沟球轴承(9)和所述角接触轴承(10)设于所述油压制动缸(6)与所述旋转轴(3)的所述第一部分(19)之间；
所述转盘轴承(8)、深沟球轴承(9)和角接触轴承(10)用于支撑所述旋转轴(3)的转动。
8.根据权利要求7所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述旋转轴(3)还具有设置在所述套管本体(11)外并与所述主轴头本体(1)连接的第三部分(23)，所述转盘轴承(8)承设于所述旋转轴(3)的第二部分(22)中靠近所述第三部分(23)的位置与所述套管本体(11)之间；
所述深沟球轴承(9)和角接触轴承(10)分别设于所述制动环(7)的上下两端，所述深沟球轴承(9)设于所述旋转轴(3)的第一部分(19)靠近所述第二部分(22)的位置处。
9.根据权利要求7所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述转盘轴承(8)的内圈连接于所述转子固定座(21)，以及所述转盘轴承(8)的外圈固定于所述套管本体(11)的第三腔体(20)中。
10.根据权利要求1或2所述的一种数控摆转铣头结构，其特征是，所述数控摆转铣头结构还包括角度编码器(12)，所述角度编码器(12)与所述旋转轴(3)相连，所述角度编码器(13)测量所述旋转轴(3)的旋转位置并将所述旋转位置发送给控制装置，以实现对所述铣头位置的控制；或者，
所述主轴(2)的中心轴线与所述旋转轴(3)的中心轴线相交呈锐角，优选地所述锐角为45度角。
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