CN110153448A - 双臂式五轴头结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了机床制造领域内的一种双臂式五轴头结构，包括C轴、A轴、主轴；C轴包括基座、芯轴、旋转座、C轴转子衬套、第一驱动电机、第一编码器，第一驱动电机的内转子连接于C轴转子衬套上，C轴转子衬套与芯轴连接，第一编码器连接于芯轴，芯轴底部与基座连接，芯轴顶部连接旋转座；A轴包括第一A轴转子衬套、第二A轴转子衬套、轴孔、第二驱动电机、第二编码器，轴孔内壁设有轴座，第二驱动电机的内转子分别与第一A轴转子衬套、第二A轴转子衬套相连接，第二编码器与第一A轴转子衬套连接；基座固锁于A轴的顶端，主轴连接于轴座上，C轴、A轴以及主轴同轴连接。本发明结构简单，稳定性好，大幅提高机床作业的精度与刚度。
Description
技术领域
本发明涉及机床制造领域，具体地，涉及一种双臂式五轴头结构。
背景技术
近年来五轴联动数控加工中心在各领域得到了越来越广泛的应用。在实际应用中，每当人们碰见异形复杂零件高效、高质量加工难题时，五轴联动技术无疑是解决这类问题的重要手段。越来越多的厂家倾向于寻找五轴设备来满足高效率、高质量的加工。
评价机床技术性能的指标最终可归结为加工精度和生产效率。加工精度包括被加工工件的尺寸精度、形状精度、位置精度、表面质量和机床的精度保持性。生产效率涉及切削加工时间和辅助时间，以及机床的自动化程度和工作可靠性。这些指标一方面取决于机床的静态特性，如静态几何精度和刚度；而另一方面与机床的动态特性，如运动精度、动刚度、热变形和噪声等关系更大。
经对现有技术的检索，中国实用新型专利CN201721560986.3，实用新型专利名称为一种五轴机床A轴多工位同步传动机构，包括机架、伺服电机和主轴；所述主轴设置在机架上；其特征在于：所述伺服电机固定在机架一侧；所述伺服电机的动力输出端设有主动轮；所述主轴设置至少2个，所述每个主轴下端均设有固定在机架上的蜗轮减速机；所述蜗轮减速机动力输入端设有从动轮；所述主动轮通过传动带与从动轮同步驱动连接；所述蜗轮减速机的动力输出端带动主轴旋转；所述主动轮通过传动带与从动轮同步驱动连接。但该实用新型在机床的静态特性与动态特性方面未能有明显改进，其精度控制不强。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双臂式五轴头结构。
本发明提供的一种双臂式五轴头结构，包括C轴、A轴、主轴；
所述C轴包括基座、芯轴、旋转座、C轴转子衬套、第一驱动电机、第一编码器，所述第一驱动电机的内转子连接于所述C轴转子衬套上，所述C轴转子衬套与所述芯轴连接，所述第一编码器连接于所述芯轴，所述芯轴底部与所述基座连接，所述芯轴顶部连接所述旋转座；
所述A轴包括第一A轴转子衬套、第二A轴转子衬套、轴孔、第二驱动电机、第二编码器，所述轴孔内壁设有轴座，所述第二驱动电机的内转子分别与所述第一A轴转子衬套、所述第二A轴转子衬套相连接，所述第二编码器与所述第一A轴转子衬套连接；
所述基座固锁于所述A轴的顶端，所述主轴连接于所述轴座上，所述C轴、所述A轴以及所述主轴同轴连接。
一些实施方式中，所述基座与所述A轴的结合面的垂直度≤0.01mm,所述基座与所述A轴的同心度≤0.01mm。
一些实施方式中，所述C轴转子衬套与所述芯轴结合面的同心度与垂直度均为0.01-0.02mm。
一些实施方式中，所述基座上设有钳夹，所述钳夹连接有钳夹底座，所述钳夹底座位于所述钳夹与所述芯轴之间。
一些实施方式中，所述芯轴与所述基座、所述芯轴与所述旋转座、所述钳夹与所述基座至少一处的连接部位设有弹性垫片。
一些实施方式中，所述旋转座连接有接头固定板，所述接头固定板采用归类分布的方式设置电线接头、油管接头以及气管接头。
一些实施方式中，所述接头固定板固定接头的装置为卡接式，所述卡接式固定装置为C型卡簧或卡箍。
一些实施方式中，所述接头固定板上固定不同类型的管线的卡槽的横截面的形状或\和直径大小不同。
一些实施方式中，所述第二驱动电机外侧设有压盖，所述压盖固定于所述A轴上，所述压盖为DD形压盖，所述压盖包括第一压盖、第二压盖。
一些实施方式中，所述第一压盖与所述第二驱动电机和\或所述第二压盖与所述第二驱动电机之间设有弹性垫片。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明C轴结构紧凑，结构连接稳定性好，能够满足五轴机床中对C轴在精度与刚度方面的要求。
2、本发明通过对基座与A轴的结合面以及C轴转子衬套与芯轴结合面两者的垂直度与同心度的控制，能够更好地满足安装精度，提高设备实用性能。
3、本发明通过支架结构将五轴机床C轴上的电线、气管、油管等管线进行有效的固定，能够防止电线、气管、油管等管线因频繁的往复摆动而造成的扭断现象。
4、本发明在芯轴与基座、芯轴12与旋转座以及钳夹与基座中至少一处的连接部位间设有弹性垫片，可有效降低因C轴的旋转而产生的震动力，起到减震降噪的良好效果，提高C轴的旋转精度。
5、本发明两个旋转轴C轴与A轴分别配以高扭矩力矩电机驱动，配合高精度角度编码器达到旋转的效果：C轴与A轴连接，在C轴固定的情况下，A轴与主轴可绕Z轴旋转±360°旋转；A轴与主轴连接，主轴可绕X轴旋转±110°。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明双臂式五轴头结构示意图
图2为C轴中接头固定板的结构示意图；
图3为C轴中管线固定板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-3所示，本发明提供一种双臂式五轴头结构，包括C轴1、A轴2、主轴3；
所述C轴1包括基座11、芯轴12、旋转座13、C轴转子衬套14、第一驱动电机41、第一编码器51，所述第一驱动电机41的内转子连接于所述C轴转子衬套14上，所述第一驱动电机41的外定子连接于所述C轴1的外套筒16上，所述C轴转子衬套14连接与所述芯轴12，所述第一编码器51连接于所述芯轴12，所述芯轴12底部与所述基座11连接，所述芯轴12顶部连接所述旋转座13。C轴配以高扭矩第一驱动电机，第一驱动电机包括安装在C轴转子衬套14上的电机转子、固定在C轴外套筒内的电机定子，电机转子带动芯轴12转动，再配合高精度编码器51，实现C轴的±360°旋转。C轴结构紧凑，结构连接稳定性好，能够满足五轴机床中对C轴在精度与刚度方面的要求。
所述A轴2包括第一A轴转子衬套21、第二A轴转子衬套22、轴孔、第二驱动电机42、第二编码器52，所述轴孔内壁设有轴座23，所述主轴3连接于所述轴座23上，所述第二驱动电机42的内转子分别与所述第一A轴转子衬套21、所述第二A轴转子衬套22相连接，所述第二驱动电机42的外定子连接于所述A轴2的鞍座内，所述第二编码器52连接于所述第一A轴转子衬套21。A轴2结构通过装配高扭矩力矩电机，第二驱动电机42包括外定子和安装在转子衬套上的内转子，所述外定子固定在鞍座内，内转子带动第一转子衬套21与第二转子衬套22，再配合连接于第二转子衬套22上的第二编码器52，完成对安装于轴座23内的主轴3在A轴2方向上的旋转动作，可使主轴3的旋转角度范围达到±110°。
所述基座11固锁于所述A轴2的顶端，所述C轴1、所述A轴2以及所述主轴3同轴连，所述主轴3连接于所述轴座23上。
本发明中，两个旋转轴C轴与A轴分别配以高扭矩力矩电机驱动，配合高精度角度编码器达到旋转的效果：C轴与A轴连接，在C轴固定的情况下，A轴与主轴可绕Z轴旋转±360°旋转；A轴与主轴连接，主轴可绕X轴旋转±110°。
如图2所示，C轴外套筒16设有套筒盖161，所述套筒盖161为DD形防护盖。套筒盖161采用DD形结构，可使得套筒盖161与外套筒16、第一驱动电机41等设备的接触更加贴合，同时在套筒盖161边缘设置一圈密封垫圈，在提高密封效果的同时，降低设备运转过程中的震动效应，具有良好的降噪效果。
所述旋转座13连接有管线支架结构，所述管线支架结构包括管线固定板1301、导柱1303、接头固定板1302，所述管线固定板1301与所述接头固定板1302通过所述导柱1303固定连接成多边形结构，所述导柱1303连接于所述旋转座13上。通过支架结构将五轴机床C轴上连接的电线、气管、油管等管线进行有效的固定，在C轴进行±360°正向与反向旋转时，能够防止电线、气管、油管等管线因频繁的往复摆动而造成的扭断问题。
所述管线支架结构外设有防护罩1304，所述防护罩1304连接于所述套筒盖161上。在管线支架结构外设置防护罩1304，提高操作的安全性能，同时可有效防止灰尘或其它异物的进入，同时将防护罩1304连接于套筒盖161上，可增加套筒盖161与外套筒16结合的牢固度。
所述基座11上设有钳夹15，所述钳夹15连接有钳夹底座151，所述钳夹底座151位于所述钳夹15与所述芯轴11之间。钳夹15与钳夹底座151采取此种设计方式的优点在于：一方面，钳夹15要求同心度较高，安装时需要调整螺丝，此种设计有空间操作，方便操作；另一方面，钳夹15为被动式，需要通气才能打开抱闸进行装配，此种设计气体可以较为方便的通过钳夹底座151通气给钳夹15，提高机械作业性能。
所述芯轴12与所述基座11、所述芯轴12与所述旋转座13、所述钳夹15与所述基座11三处的连接部位至少有一处的连接部位间设有弹性垫片。在芯轴12与基座11连接部位、芯轴12与旋转座13连接部位以及钳夹15与基座11的连接部位，三个连接部位中的至少一处的连接部位间设有橡胶垫、橡胶圈等弹性垫片，可有效降低因C轴的旋转而产生的震动力，起到减震降噪的良好效果，提高C轴的旋转精度。
所述第一编码器51为角度编码器。编码器51用于记录C轴旋转方向、旋转圈数以及限制C轴旋转角度。
所述第一驱动电机41的定子通过轴承连接在所述外套筒16内。电极定子通过轴承连接在外套筒16内，整体增强了力矩电机的稳定性，提高了力矩电机力的传递效率。
所述基座11与所述A轴2的结合面的垂直度≤0.01mm,所述基座11与所述A轴2的同心度≤0.01mm。基座11的结合面的垂直度与同心度在0.01mm内时，能够更好地满足安装精度，确保良好的机械性能。
所述C轴转子衬套14与所述芯轴12连接后的同心度与垂直度均为0.01-0.02mm。两者的同心度与垂直度在0.01mm-0.02mm之间时，具有较佳的机械性能，且两者安装环境一致，热胀冷缩的条件也一致。
所述第二转子衬套22、所述第一转子衬套21安装有轴承，所述轴承上安装有轴承座，所述第二驱动电机42内转子安装于所述轴承座11上。第二驱动电机42的内转子通过轴承上的轴承座连接于第一转子衬套21和第二转子衬套22，进而带动第一转子衬套21和第二转子衬套22转动，由于转子衬套与主轴的接触面积大，便于转动力的传递，同时设置轴承与轴承座可有效防止过载对第二驱动电机42内转子的损坏，降低维护成本。
所述第二驱动电机42外侧设有压盖，所述压盖固定于所述A轴上，所述压盖为DD形压盖，所述压盖包括第一压盖201、第二压盖202。压盖包括位于主轴两侧的第一压盖201和第二压盖202，进一步的将压盖设置成DD形，可有效贴合第二驱动电机42的外定子和内转子进行设置，确保第二驱动电机42得到有效的固定，保证主轴的旋转精度，另外，所述第一压盖4上连接有油路分配器5。
所述第一压盖201与所述第二驱动电机42之间和\或所述第二压盖202与所述第二驱动电机42之间设有弹性垫片。在第一压盖201与第二压盖202上设置一层弹性垫片，如弹性橡胶片，贴合第二驱动电机42时就可有效起到减震降噪的效果，进一步确保主轴3的旋转精度。
所述第一转子衬套21上设有钳夹，钳夹为被动式的，自然状态为抱死状态，当机床突然停电，停气的时候，能及时将A轴抱死，避免撞机等情况出现，确保操作安全。
所述第二编码器52为角度编码器，所述编码器52外设有防护盖。第二编码器52选择为角度编码器，其旋转精度更高，同时在第二编码器52外设置防护盖可编码器因碎屑飞溅等原因造成的设备损坏。
C轴旋转座上的接线结构，包括：管线固定板1301、接头固定板1302、导柱1303；所述接头固定板1302连接有电线接头、油管接头、气管接头，所述管线固定板1301上固定有电线、油管、气管；导柱1303连接接头固定板1302与管线固定板1301，三者组成多边形。
机床C轴在±360°旋转时，因多边形的固定结构对电线、油管、气管的固定作用，能够防止C轴正向与反向旋转时因管线的往复频繁摆动而造成的扭断现象。在一些实施方式中，C轴转头部的接线处采用插接并可转动，即以插接点进行转动，而省去线路转动的方式。
所述油管与所述气管固定于管线夹上，管线夹固定于所述管线固定板1301上。通过管线夹将油管、气管单独固定，有效防止油管线与电线间的接触，防止因二者发生破损后的可能产生的火灾隐患，确保设备的使用安全。
所述接头固定板1302固定接头的装置为卡接式，所述卡接式固定装置为C型卡簧或卡箍，所述卡箍可为螺栓连接固定的，也可为卡接固定，能够快速将电线接头、油管接头、气管接头固定于接头固定板1302上，方便快捷。
所述接头固定板1302上固定电线接头、油管接头与气管接头的卡槽的横截面的形状或\和直径大小不同。通过在接头固定板1302上开设直径大小不同的卡槽分别对应电线接头、油管接头以及气管接头，达到使三者能够轻松区分，提高了安装的效率与准确率。同样，也可采用在接头固定板1302上设置不同形状的卡槽，如圆形对接电线接头、三角形对接油管接头，四边形对接气管接头，也可达到提高安装效率与准确率的目的。
所述导柱1303、所述接头固定板1302与所述管线固定板1301连接成三角形或梯形。由于三角形与梯形的接头稳定性较好，在C轴旋转过程中能够很好的对旋转产生的力进行缓冲与分解，提高三者连接的稳固性。
所述导柱1303设有V形接头，所述接头固定板1302、所述管线固定板1301上设有相适配的V形槽。所述导柱1303与所述接头固定板1302、所述导柱1303与所述管线固定板1301分别通过V形接头和V形槽相对接时，可使导柱1303接头部分为连续的顺滑过渡面，相对于凸台与凹槽的对接方式，受力更加均匀，同时消除了垂直过渡面所对应的横向剪切力，提高了导柱1303与所述接头固定板1302、所述管线固定板1301对接处的稳固性。
所述导柱1303为S型导柱，所述接头固定板1302、所述管线固定板1301上设有相适配的曲线卡槽。导柱1303设计为S型，增大了导柱1303与接头固定板1302、管线固定板1301的接触面积，特别的当三者组成的四边形中，导柱1303为S型以朝向相对的方式设置，提高C轴正反转过程中的多边形的承载力。
所述导柱1303与所述接头固定板1302和\或所述导柱1303与所述管线固定板1301连接处设有弹性垫。在导柱1303与接头固定板1302的连接处以及导柱1303与管线固定板1301连接的横截面处设有弹性垫，可为覆盖整个接触面的橡胶圈，优选弹性环，可在导柱1303的接头、接头固定板1302或管线固定板1301的卡槽内开设有一个或多个环形槽，将弹性环放入槽内。在C轴正反转过程中，弹性垫可起到良好的缓冲作用，防止启动或正反转方向变更时突然的冲击力对三者接头部分造成的冲击损坏。
如图2所示，所述旋转座13连接有接头固定板1302，所述接头固定板1302采用归类分布的方式设置电线接头、油管接头以及气管接头。设计时将电线接头、油路接头、气路接头分别归类分布于接头固定板1302上，避免三者管线相互干扰。
如图3所示，所述管线固定板1301设有成对的管扣。通过管扣分别束住油管，气管与电缆，起到固定作用，同时防止对接接头松脱。
综上所述，本发明C轴结构紧凑，结构连接稳定性好，能够满足五轴机床中对C轴在精度与刚度方面的要求；本发明通过对基座与A轴的结合面以及C轴转子衬套与芯轴结合面两者的垂直度与同心度的控制，能够更好地满足安装精度，提高设备实用性能；本发明通过支架结构将五轴机床C轴上的电线、气管、油管等管线进行有效的固定，能够防止电线、气管、油管等管线因频繁的往复摆动而造成的扭断现象；本发明在芯轴与基座、芯轴12与旋转座以及钳夹与基座中至少一处的连接部位间设有弹性垫片，可有效降低因C轴的旋转而产生的震动力，起到减震降噪的良好效果，提高C轴的旋转精度；本发明两个旋转轴C轴与A轴分别配以高扭矩力矩电机驱动，配合高精度角度编码器达到旋转的效果：C轴与A轴连接，在C轴固定的情况下，A轴与主轴可绕Z轴旋转±360°旋转；A轴与主轴连接，主轴可绕X轴旋转±110°。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种双臂式五轴头结构，其特征在于，包括C轴(1)、A轴(2)、主轴(3)；
所述C轴(1)包括基座(11)、芯轴(12)、旋转座(13)、C轴转子衬套(14)、第一驱动电机(41)、第一编码器(51)，所述第一驱动电机(41)的内转子连接于所述C轴转子衬套(14)上，所述C轴转子衬套(14)与所述芯轴(12)连接，所述第一编码器(51)连接于所述芯轴(12)，所述芯轴(12)底部与所述基座(11)连接，所述芯轴(12)顶部连接所述旋转座(13)；
所述A轴(2)包括第一A轴转子衬套(21)、第二A轴转子衬套(22)、轴孔、第二驱动电机(42)、第二编码器(52)，所述轴孔内壁设有轴座(23)，所述第二驱动电机(42)的内转子分别与所述第一A轴转子衬套(21)、所述第二A轴转子衬套(22)相连接，所述第二编码器(52)与所述第一A轴转子衬套(21)连接；
所述基座(11)固锁于所述A轴(2)的顶端，所述主轴(3)连接于所述轴座(23)上，所述C轴(1)、所述A轴(2)以及所述主轴(3)同轴连接。
2.根据权利要求1所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述基座(11)与所述A轴(2)的结合面的垂直度≤0.01mm,所述基座(11)与所述A轴(2)的同心度≤0.01mm。
3.根据权利要求1所述双臂式五轴头结构，其特征在于，所述C轴转子衬套(14)与所述芯轴(12)结合面的同心度与垂直度均为0.01-0.02mm。
4.根据权利要求1所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述基座(11)上设有钳夹(15)，所述钳夹(15)连接有钳夹底座(151)，所述钳夹底座(151)位于所述钳夹(15)与所述芯轴(12)之间。
5.根据权利要求4所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述芯轴(12)与所述基座(11)、所述芯轴(12)与所述旋转座(13)、所述钳夹(15)与所述基座(11)至少一处的连接部位设有弹性垫片。
6.根据权利要求1所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述旋转座(13)连接有接头固定板(1302)，所述接头固定板(1302)采用归类分布的方式设置电线接头、油管接头以及气管接头。
7.根据权利要求6所述的双臂式五轴头结构，其特征是，所述接头固定板(1302)固定接头的装置为卡接式，所述卡接式固定装置为C型卡簧或卡箍。
8.根据权利要求6所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述接头固定板(1302)上固定不同类型的管线的卡槽的横截面的形状或\和直径大小不同。
9.根据权利要求1所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述第二驱动电机(42)外侧设有压盖，所述压盖固定于所述A轴(2)上，所述压盖为DD形压盖，所述压盖包括第一压盖(201)、第二压盖(202)。
10.根据权利要求9所述的双臂式五轴头结构，其特征在于，所述第一压盖(201)与所述第二驱动电机(42)和\或所述第二压盖(202)与所述第二驱动电机(42)之间设有弹性垫片。
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