CN110026583B - 一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床，它解决了现有技术中活塞异形孔加工设备不适合高频响使用场合的问题，具有增加液压伺服刀杆系统作为第三虚拟轴，控制刀杆径向的移动，以实现非圆孔加工的效果；其技术方案为：包括偏心变形体和液压站，所述液压站包括与偏心变形体相连的伺服阀；伺服阀根据输入的电压信号控制液压油获得与电压信号呈线性关系的压强，液压油作用于偏心变形体内部的油腔，偏心变形体在液压油的作用下实现镗刀的径向位移补偿。

Description

一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床

技术领域

本发明涉及镗削设备领域，尤其涉及一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床。

背景技术

非圆异形孔型面的特点是：纵截面是两端上翘的喇叭口形；横截面是非圆形状，其中包括椭圆形及其它非对称曲线等。镗削过程中刀具位置的伺服控制，是实现非圆型面异形孔加工的关键。

根据刀具径向进给方式的不同，目前国内外活塞异形孔加工设备可分为：斜截式、机械仿形式及伺服变形刀杆式等。其中，

1、斜截式是刀具旋转轴线方向与被加工销孔轴线方向(机床纵向进给方向)倾斜时，被加工活塞的销孔即为椭圆形。这种方式的特点是：

(1)倾斜角度决定被镗削销孔的椭圆度，对于变椭圆销孔的镗削，需要不断地调整倾斜角，倾斜角的变化同时影响被加工孔在工件上的相对位置，如被加工孔相对定位面的高度或左右偏移量；加工活塞时，影响销孔的压缩高尺寸及销孔相对活塞轴线的偏移；

(2)无法实现刀具相对刀杆轴线(或主轴轴线)相对位置的变化，实现不了径向进刀运动；

(3)与后述其它进刀方式组合，可形成“喇叭口+固定椭圆度”异形销孔的镗削，但难以适应现在出现的变椭圆及不规则非圆形状的加工。

2、机械仿形式：德国KS公司异形销孔机床的镗削系统采用了柔性镗杆，上支点相对固定，下支点可沿水平方向摆动，位移量由直角摆杆的摆动量控制，镗刀的水平偏移量与下支点的位移量成正比，当摆杆摆动时镗刀就可以获得径向进给量。改变不同的端面凸轮，可以加工不同的椭圆度销孔；改变支点位置，可以适应不同椭圆度需求。

此种方式合理地设置端面凸轮机摆杆机构，可实现“喇叭口+变椭圆”销孔加工，但椭圆形状受端面凸轮形状的制约，要实现不同的椭圆加工，需准备不同的端面凸轮，机床柔性差；同时，仿形加工受刀架系统响应特性的影响，主轴速度一般≤1000转/分，加工效率低。

3、弹性变形式根据施力方式的不同，又分为液压伺服变形式和机电伺服变形式：

(1)液压伺服变形式，以意大利DAMUS公司异形销孔机床为典型机构，该液压伺服变形体结构采用Z字形弹性变形体结构，其右端面与镗刀杆相连，左端面与机床主轴相连。Z字形变形体，可看作一个四连杆机构。在力F的作用下，Z字形变形体发生向下的弹性变形，使安装于其前端的刀杆发生平移，实现径向进刀；力F通常是通过控制设置在随变形体一起转动的外套中的液压缸的力实现的，由刚体中活塞的移动来推导刀杆的移动。由于活塞有一定的质量，限制了此种机构在高频响场合的使用；

(2)机电伺服变形式，典型案例是长沙一派机床公司及德国EMAG公司的异形孔镗床，可以实现“喇叭口+固定椭圆度”的异型销孔，此结构中刀杆的径向移动是依靠电机拖动楔形滑块移动，楔形滑块再推动刀杆，以此实现径向运动。此种方式可实现喇叭口形异形孔的镗削，并可通过调整主轴箱的角度，实现“喇叭口+固定椭圆度”的异形销孔的加工。但是楔形滑块机构存在摩擦及结构刚性问题，同样不适合高频响使用场合。

浙江大学、上海交通大学等，也进行了其它类型弹性变形方式的研究，并进行了试验，取得了一些成果，但尚未形成可应用于生产的成熟机构。日本神崎和龙泽公司采用NT公司弹性变形体实现了喇叭口异形销孔的镗削，但对于复杂三维空间曲面的高速精密镗削成形，目前尚未见报道。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床，其具有增加液压伺服刀杆系统作为第三虚拟轴，控制刀杆径向的移动，以实现非圆孔加工的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，包括偏心变形体和液压站，所述液压站包括与偏心变形体相连的伺服阀；伺服阀根据输入的电压信号控制液压油获得与电压信号呈线性关系的压强，液压油作用于偏心变形体内部的油腔，偏心变形体在液压油的作用下实现镗刀的径向位移补偿。

进一步的，所述伺服阀与电磁换向阀的一端相连，电磁换向阀的另一端连接溢流阀，溢流阀连接柱塞泵；

液压油从柱塞泵进入液压回路，依次经过溢流阀、电磁换向阀；当电磁换向阀断电时电磁换向阀左位接通，液压油顺着油路流回油箱，当电磁换向阀得电时，电磁换向阀右位接通，液压油顺着油路流到伺服阀。

进一步的，所述电磁换向阀与伺服阀之间的油路、伺服阀与偏心变形体之间的回路上分别设置压力表。

进一步的，所述柱塞泵的P2端连接至溢流阀的P端，柱塞泵的T2端连接至溢流阀的T端；所述柱塞泵的T4端连接至电磁换向阀的执行端，柱塞泵的T6端连接至伺服阀的T端，以此形成液压回路。

进一步的，所述偏心变形体周向侧面具有偏心槽，通过控制偏心槽与刀杆中心的偏移量调整偏心变形体的固有频率。

进一步的，所述偏心变形体的内部具有油腔，油腔通过压力油管连接液压站，根据压力大小驱动刀杆摆动响应的位移量。

进一步的，所述刀杆安装于偏心变形体的一端，偏心变形体的另一端固定在主轴系统内部。

进一步的，所述主轴系统包括与偏心变形体连接的主轴，所述主轴安装于主轴箱的内部，主轴箱的底部由主轴底座支撑。

进一步的，所述主轴远离偏心变形体的一端安装皮带轮。

一种机床，包括：

液压伺服刀杆系统；

工件夹紧机构，由滚珠丝杆机构驱动其在水平方向上移动；

工件定位机构，与所述压伺服系统中的主轴系统位置对应；

数控系统，其输出电压模拟量信号传递至伺服阀，控制伺服阀阀芯开口大小，进而使伺服阀输出一个与电压信号呈线性关系的压力信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用“数控系统+伺服阀+变形体”的方式，通过控制数控系统程序，输出电压信号作为伺服阀的控制信号，伺服阀根据输入的电压信号，控制液压油获得与电压信号呈线性关系的压强，液压油作用于弹性变形体中油腔内；变形体由于偏心结构在压力油的作用下，刀杆产生上下摆动，实现镗刀的径向位移补偿；本发明结合了机械式刀具补偿装置与液压伺服刀具补偿装置的特点，将刀具径向位移控制转化为数控系统的程序控制，并且由于伺服系统的高频响特点，能够实现非圆孔的加工，且具有控制逻辑清晰、抗干扰性强、精度高、高频响、微位移等特点；

(2)本发明不同于现有的“异型销孔镗削装置(专利号：ZL98112446.1)”方式，本发明采用“数控系统+伺服阀+变形体”取代“异型销孔镗削装置”中“纵向步进电机+拨杆+推杆”的机械机构，通过合理选取偏心变形体的刚度，适当放大偏心变形体的径向位移，提高压力控制分辨精度，实现伺服刀杆补偿量的精密控制；本发明采用了液压伺服控制方式，精简了机械结构，在原理上提高了控制精度；

(3)本发明不同于一种新型镗削刀具补偿装置(专利号：ZL2011101963794)，本发明采用“基于刚度不一致的偏心式弹性变形体”,液压油作用于变形体油腔内部，使得刀杆产生摆动，实现刀尖径向位移；采用新型液压伺服驱动装置取代GMA磁致伸缩驱动器，将直接控制对象转化为数控系统的程序，降低了控制难度；

(4)本发明不同于现有的“内外主轴偏心相对旋转”(专利号：ZL2014100637775)实现刀具径向进刀方法，本发明采用“基于刚度不一致的偏心式弹性变形体”，液压油作用于变形体油腔内部，使得刀杆产生摆动，实现刀尖径向位移；而“内外主轴偏心相对旋转”式进刀方法，是靠内外轴的相对偏心运动实现刀具径向进刀，机械传动环节多，影响了控制精度及效率。

(5)本发明在其它结构不变的情况下，通过合理优化偏心槽相对刀杆中心的偏心量，能够提高伺服刀杆系统的偏心变形体固有频率，满足非圆孔加工需求，与伺服阀匹配的液压站具备良好的过滤能力，使其能达到使用要求。

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申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的机床整体结构示意图；

图2为本发明的液压伺服刀杆系统结构示意图；

图3为本发明的压力控制系统结构示意图；

图4为本发明的偏心变形体结构示意图；

图5为机械仿形式异形销孔加工示意图；

图6为机械仿形式异形销孔加工A向剖视图；

图7为Z字形变形体结构简图；

图8为机电伺服变形式径向伺服系统示意图；

其中，1-机床床身，2-自动润滑装置，3-液压站，4-皮带轮，5-精密液体静压镗头，6-第一压力表，7-偏心变形体，8-刀杆，9-工件夹紧机构，10-工件定位机构，11-PC数控系统，12-移动滑台，13-伺服电机，14-滚珠丝杆，15-主轴箱，16-压力油管，17-油腔，18-伺服阀，19-主轴底座，20-柱塞泵，21-溢流阀，22-电磁换向阀，23-第二压力表，24-偏心槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在活塞异形孔加工设备不适合高频响使用场合的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统及具有该系统的机床。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2-图4所示，提供了一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，包括精密液体静压镗头5和液压站3，所述精密液体静压镗头5安装于主轴箱15的内部，主轴箱15的底部由主轴底座19支撑。

所述精密液体静压镗头5包括主轴、偏心变心体7、刀杆8和刀头，主轴通过轴承固定于主轴箱15的内部；所述主轴的一端连接偏心变形体7，主轴的另一端安装有皮带轮4；主轴的内部沿其轴向设有压力油管16。

所述偏心变形体7为一种弹性变形体，偏心变形体7的内部具有油腔17，所述油腔17与压力油管16连通，所述偏心变形体7通过压力油管16连接液压站3，根据压力大小驱动刀杆8摆动响应的位移量。

所述偏心变形体7周向侧面设置偏心槽24，沿偏心变形体7两侧设置的偏心槽24不对称；在其它结构不变的情况下，通过合理优化偏心槽24相对刀杆中心的偏心量，可将伺服刀杆系统的偏心变形体7固有频率提高至1318Hz，本申请中管路固有频率为160Hz，伺服阀固有频率为200Hz，通过键合图系统建模仿真分析，伺服刀架系统的固有频率≥150Hz，满足非圆孔加工需求，伺服阀匹配的液压站具备良好的过滤能力，使其能达到使用要求。

偏心变形体7利用刚度不对称原理，使得刀杆8两侧在油腔液压油受力时会产生位移差，驱使刀尖摆动，实现径向位移；相比于利用平行四边形原理的变形体，该变形体具有更好的刚度，刀尖径向位移量与液压油压力呈线性关系，便于控制，更适用于高频响使用场合。

所述偏心变形体7连接刀杆8，刀杆8上具有刀头。

所述液压站包括柱塞泵20、溢流阀21、电磁换向阀22、伺服阀18、第一压力表6和第二压力表23；伺服阀18用于连接执行元件端通过油管连接偏心变形体7，伺服阀18与偏心变形体7的油管之间设置第一压力表6。

伺服阀18的P端连接至电磁换向阀22用于连接执行元件的B端且此油路上设置第二压力表23，电磁换向阀22的A端连接柱塞泵20的T4端；所述电磁换向阀22供油端连接溢流阀21；所述溢流阀21的P端连接柱塞泵20的P2端，溢流阀21的T端连接柱塞泵20的T2端；柱塞泵20的T6端连接至电磁换向阀22的T端，形成液压回路。

由于非圆孔加工对系统的频响特性要求很高，比例阀的固有频率达不到要求，而伺服阀18的频响特性能满足非圆孔加工对系统高频响的要求，因此采用伺服阀18作为压力控制系统的控制阀。

液压伺服刀杆系统的工作过程如下：

液压油通过P2从柱塞泵20进入液压回路，先经过溢流阀21，然后到电磁换向阀22，当电磁换向阀22断电时电磁换向阀22左位接通，液压油顺着油路流回油箱；当PC数控系统11发出指令电磁换向阀22得电时，电磁换向阀22右位接通，顺着油路流到伺服阀18，通过安装在机床上的第二压力表23，方便查看压力。

镗削加工时，伺服阀18得电，根据输入的电压信号匹配一个对应的压力值，电磁换向阀22左位接通，顺着油路流向偏心变形体7。当加工完毕后，伺服阀18断电，伺服阀18左位接通，液压油顺着油路流回到油箱。

所述精密液体静压镗头5安装于机床床身1的上部，如图1所示，与所述精密液体静压镗头5相对的一侧安装有工件定位机构10；机床床身1的上部具有移动滑台12，移动滑台12安装工件夹紧机构9；所述移动滑台12的下部连接滚珠丝杆14，滚珠丝杆14由伺服电机13驱动。

工件定位机构10的一侧设有PC数控系统11，通过PC数控系统11直接输出电压信号，以作为伺服阀18的输入信号，精确地实现了对伺服阀18的实时控制。

所述工件定位机构10、工件夹紧机构9均为现有技术，此处不再赘述。

本申请的机床采用“数控系统+伺服阀+变形体”方式：

采用“数控系统+伺服阀+变形体”方式，通过PC数控系统11输出电压信号，又通过伺服阀18将电压信号转化为液压油压力信号，进而控制偏心变形体7的刀尖径向位移量在高频率下快速响应。

通过PC数控系统11输出电压模拟量信号，电压信号传递给伺服阀18，控制伺服阀18阀芯开口大小，进而使伺服阀18输出一个与电压信号呈线性关系的压力信号，液压油经过压力油管16进入到偏心变形体7的油腔17内，由于偏心结构的存在，刀杆8产生摆动，刀尖位移量与液压油压力呈线性关系实现了从数控程序到刀尖位移的转化，并且符合线性关系，控制更加简单，具备高频响微位移的特点，可以实现非圆孔的加工。

本申请主要用于镗削非圆型面异形孔，也可用于镗削刀具磨损补偿及镗削直径的调整。

本申请不同于现有的“异型销孔镗削装置(专利号：ZL98112446.1)”方式，本发明采用“数控系统+伺服阀+变形体”取代“异型销孔镗削装置”中“纵向步进电机+拨杆+推杆”的机械机构，通过合理选取偏心变形体的刚度，适当放大偏心变形体的径向位移，提高压力控制分辨精度，实现伺服刀杆补偿量的精密控制；本发明采用了液压伺服控制方式，精简了机械结构，在原理上提高了控制精度；

本申请不同于一种新型镗削刀具补偿装置(专利号：ZL2011101963794)，本发明采用“基于刚度不一致的偏心式弹性变形体”,液压油作用于变形体油腔内部，使得刀杆产生摆动，实现刀尖径向位移；采用新型液压伺服驱动装置取代GMA磁致伸缩驱动器，将直接控制对象转化为数控系统的程序，降低了控制难度；

本申请不同于现有的“内外主轴偏心相对旋转”(专利号：ZL2014100637775)实现刀具径向进刀方法，本发明采用“基于刚度不一致的偏心式弹性变形体”，液压油作用于变形体油腔内部，使得刀杆产生摆动，实现刀尖径向位移；而“内外主轴偏心相对旋转”式进刀方法，是靠内外轴的相对偏心运动实现刀具径向进刀，机械传动环节多，影响了控制精度及效率。

本申请在其它结构不变的情况下，通过合理优化偏心槽24相对刀杆8中心的偏心量，能够提高伺服刀杆系统的偏心变形体7固有频率，满足非圆孔加工需求，与伺服阀匹配的液压站具备良好的过滤能力，使其能达到使用要求。

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

Claims (9)

1.一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，包括偏心变形体和液压站，所述液压站包括与偏心变形体相连的伺服阀；伺服阀根据输入的电压信号控制液压油获得与电压信号呈线性关系的压强，液压油作用于偏心变形体内部的油腔，偏心变形体在液压油的作用下实现镗刀的径向位移补偿；

所述偏心变形体周向侧面设置偏心槽，沿偏心变形体两侧设置的偏心槽不对称，通过控制偏心槽与刀杆中心的偏移量调整偏心变形体的固有频率。

2.根据权利要求1所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述伺服阀与电磁换向阀的一端相连，电磁换向阀的另一端连接溢流阀，溢流阀连接柱塞泵；

液压油从柱塞泵进入液压回路，依次经过溢流阀、电磁换向阀；当电磁换向阀断电时电磁换向阀左位接通，液压油顺着油路流回油箱，当电磁换向阀得电时，电磁换向阀右位接通，液压油顺着油路流到伺服阀。

3.根据权利要求2所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述电磁换向阀与伺服阀之间的油路、伺服阀与偏心变形体之间的回路上分别设置压力表。

4.根据权利要求2所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述柱塞泵的P2端连接至溢流阀的P端，柱塞泵的T2端连接至溢流阀的T端；所述柱塞泵的T4端连接至电磁换向阀的执行端，柱塞泵的T6端连接至伺服阀的T端，以此形成液压回路。

5.根据权利要求1所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述偏心变形体的内部具有油腔，油腔通过压力油管连接液压站，根据压力大小驱动刀杆摆动响应的位移量。

6.根据权利要求1所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述刀杆安装于偏心变形体的一端，偏心变形体的另一端固定在主轴系统内部。

7.根据权利要求6所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述主轴系统包括与偏心变形体连接的主轴，所述主轴安装于主轴箱的内部，主轴箱的底部由主轴底座支撑。

8.根据权利要求7所述的一种镗削用高频响液压伺服刀杆系统，其特征在于，所述主轴远离偏心变形体的一端安装皮带轮。

9.一种镗床，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任一所述的液压伺服刀杆系统；

工件夹紧机构，由滚珠丝杆机构驱动其在水平方向上移动；

工件定位机构，与所述液压伺服系统中的主轴系统位置对应；

数控系统，其输出电压模拟量信号传递至伺服阀，控制伺服阀阀芯开口大小，进而使伺服阀输出一个与电压信号呈线性关系的压力信号。