CN113043069A - 一种任意角度分度转位机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意角度分度转位机构，包括传动机构、换挡机构和增力转位机构，传动机构包括传动轴、第一伞齿轮、第二伞齿轮、第三伞齿轮和第四伞齿轮，换挡机构包括上下设置的转位内齿轮和转位外齿轮，增力转位机构包括第五伞齿轮、第六伞齿轮、增力轴、转位盘、承托盘、刹车盘、拉环体和过渡盘；本发明任意角度分度转位机构具备换挡功能，可用于附件头A轴设计，实现附件头A轴转位运动的降速增力功效，并实现附件头A轴自动松夹、自动转位功能，具有分度精度高、转位平稳、负载小等优点。本发明转位机构的整体尺寸小，对于使用该转位机构的大系统来说，既不增加额外尺寸，又不增加提供驱动力所需成本，同时系统定位精度可得到大幅提升。

Description

一种任意角度分度转位机构

技术领域

本发明涉及一种加工中心附件头配件，具体是一种任意角度分度转位机构。

背景技术

市面上的附件头A轴转位机构，普遍存在转位负载大和定位不准的问题。A轴转位负载大，在转位时会出现爬行、卡顿等问题，直接导致定位不准的情况发生，在需精密定位的设计及产品加工中，这是很严重的问题，往往会增加设备故障率。也有的设计采用增加驱动力扭矩的方法，增加驱动力扭矩虽然可以克服A轴转位时的摩擦损耗，使A轴转动平稳，但会带来驱动机构尺寸过大、成本过高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种任意角度分度转位机构，该转位机构具备换挡功能，可用于附件头A轴设计，实现附件头A轴转位运动的降速增力功效，并实现附件头A轴自动松夹、自动转位功能，具有分度精度高、转位平稳、负载小等优点，可适用于非常规零件和模具的高精加工，满足机床加工中绝大多数零件角度要求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种任意角度分度转位机构，包括传动机构、换挡机构和增力转位机构；

所述的传动机构包括传动轴、第一伞齿轮、第二伞齿轮、第三伞齿轮和第四伞齿轮，所述的传动轴与机床主轴相连，所述的第一伞齿轮竖直架设在箱体内并同轴固定在所述的传动轴上，所述的第二伞齿轮横向架设在所述的箱体内，所述的第一伞齿轮与所述的第二伞齿轮啮合，所述的第三伞齿轮同轴固定在所述的第二伞齿轮的轴上，所述的第四伞齿轮竖直架设在附件头主轴箱内并同轴固定在附件头主轴上，所述的第三伞齿轮与所述的第四伞齿轮啮合，所述的附件头主轴箱设置在所述的箱体的前侧，所述的附件头主轴直立设置在所述的附件头主轴箱内；

所述的换挡机构包括上下设置的转位内齿轮和转位外齿轮，所述的转位内齿轮同轴固定在所述的传动轴的下端，所述的传动轴可上下移动，所述的传动轴带动所述的转位内齿轮向下运动到位时，所述的转位内齿轮与所述的转位外齿轮啮合；所述的传动轴带动所述的转位内齿轮向上运动到位时，所述的转位内齿轮与所述的转位外齿轮脱开；

所述的增力转位机构包括第五伞齿轮、第六伞齿轮、增力轴、转位盘、承托盘、刹车盘、拉环体和过渡盘，所述的第五伞齿轮竖直架设在所述的箱体内并位于所述的传动轴的下方，所述的第五伞齿轮与所述的第一伞齿轮同轴设置，所述的转位外齿轮同轴固定在所述的第五伞齿轮的上端，所述的第五伞齿轮与所述的第六伞齿轮啮合，所述的第六伞齿轮同轴固定在所述的增力轴上，所述的增力轴横向架设在所述的箱体内并位于所述的第五伞齿轮的下方，所述的增力轴的前端一体设置有第一外齿轮，所述的增力轴的后端连接有编码器，所述的过渡盘固定在所述的附件头主轴箱的后端并套设在所述的第三伞齿轮的外侧，所述的拉环体固定在所述的过渡盘的后端，所述的转位盘固定在所述的拉环体的后端并位于所述的刹车盘的后侧，所述的箱体内设有与所述的转位盘的后端面位置相对的承靠面，所述的承托盘设置在所述的转位盘的内侧并固定在所述的箱体内，所述的刹车盘可前后移动地设置在所述的拉环体的内侧，所述的刹车盘的前侧和后侧分别设有与外界供油系统相通的夹紧油腔和松开油腔，所述的转位盘的外侧设有第二外齿轮，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮啮合，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮的齿数比为n:1，且n大于1。

本发明任意角度分度转位机构具备换挡功能，可用于附件头A轴设计，实现附件头A轴转位运动的降速增力功效，并实现附件头A轴自动松夹、自动转位功能，具有分度精度高、转位平稳、负载小等优点。

本发明任意角度分度转位机构的传动机构，将机床主轴动力通过传动轴传递给第一伞齿轮，再通过第二伞齿轮传递至第三伞齿轮，通过第三伞齿轮传动至第四伞齿轮，最终由第四伞齿轮传动至附件头主轴，完成机构动力传递，实现附件头的加工功能。

本发明任意角度分度转位机构，通过换挡机构实现机构换挡功能，通过增力转位机构实现降速增力功能，使机床主轴动力传递至增力轴前端的第一外齿轮处，带动转位盘转动，从而通过拉环体、过渡盘带动附件头主轴箱转动。在机构需要分度转位时，转位内齿轮与转位外齿轮啮合，即可进行机构转位动力传递，使机床主轴动力从传动轴传递给转位内齿轮，再由转位外齿轮传递至第五伞齿轮，通过第六伞齿轮传递至增力轴，通过增力轴前端的第一外齿轮传递给转位盘外侧的第二外齿轮，通过转位盘传递给拉环体和过渡盘，带动附件头主轴箱和附件头主轴等部件做旋转运动，实现机构的分度转位。在机构分度转位结束后，夹紧油腔进油，推动刹车盘向后运动，由刹车盘推动转位盘向后运动，直至转位盘压紧承靠面，完成刹车动作，换挡完成。而在转位内齿轮与转位外齿轮脱开后，可进行机构动力传递，即机床主轴动力向附件头主轴的传递。

本发明任意角度分度转位机构的增力转位机构，换挡后可实现降速增力的效果。转位盘外侧的第二外齿轮与增力轴前端的第一外齿轮的齿数比为n:1，且n大于1，此设计带来两个巨大好处：第一个好处是A轴转位所需负载小，转动平稳，不会出现转位爬行等现象，这是由于本发明转位机构采取了“降速增力”的结构，通过设计第二外齿轮与第一外齿轮的较大的齿数比，实现了n:1的较大的降速比，使A轴转位所需摩擦力降低了n倍，从而大幅降低A轴转位的输出扭矩，达到转位平稳、无爬行的效果，同时转位动作速度的降低可通过提高附件头主轴的转速进行相应弥补，因而附件头的加工速度不受影响；第二个好处是提升了A轴转位精度和定位精度，本发明转位检测所用的编码器安装在增力轴的后端，在n:1的降速比前提下，如果附件头主轴箱转1°，第二伞齿轮的轴需要转n°，如此，相当于编码器精度提高了n倍，从而达到更好的转位精度，可适用于非常规零件和模具的高精加工，满足机床加工中绝大多数零件角度要求。

例如，若本发明转位机构的增力轴上安装的编码器单圈分辨率为8192，该编码器所能分辨的最小角度为360÷8192×60×60＝158.2″，其最小定位精度可达0.1°，第二外齿轮与第一外齿轮的齿数比设计为10:1的大齿数比时，降速比为10:1，A轴转位所需摩擦力降低了10倍，附件头主轴箱每转1°，第二伞齿轮的轴需要转10°，从而将编码器的最小定位精度0.1°又细化至0.01°，相当于编码器精度提高了10倍，从而本发明转位机构所能达到的分度转位精度为158.2″÷10＝15.82″，该精度比市面上很多木工加工行业所用五轴头精度要高一个数量级，配合本发明转位机构所采取的“降速增力”的结构，起到了降速增力的作用，转位平稳、定位可靠、夹紧力矩大，可保证A轴转位过程中的平稳性和定位精准性。

由于本发明转位机构第二外齿轮与第一外齿轮的齿数比设计空间大，可以设计为10:1甚至更大，从而本发明转位机构的转位负载在输入端降至十分之一甚至更多，同时转位精度可提升十倍甚至更多，对于需精密定位的机械转位系统而言，这是革命性的改进和提升。此外，本发明转位机构的整体尺寸小，对于使用该转位机构的大系统来说，既不增加额外尺寸，又不增加提供驱动力所需成本，同时系统定位精度可得到大幅提升。

作为优选，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮的齿数比为(5～20):1。(5～20):1的齿数比可满足大多数机械转位系统的精密定位需要，在实际应用中也可以根据需要设计选择其他的齿数比。

作为优选，所述的箱体内固定有第一轴承座、第二轴承座和第三轴承座，所述的第一轴承座的内侧设置有第一轴承，所述的第一伞齿轮的轴由所述的第一轴承支撑，所述的第二轴承座的内侧设置有第二轴承，所述的第二伞齿轮的轴由所述的第二轴承支撑，所述的刹车盘和所述的承托盘分别套设在所述的第二轴承座的外侧，所述的第二轴承座的前端的外侧螺纹连接有固定座，所述的固定座位于所述的拉环体的内侧并固定在所述的过渡盘的后端，所述的固定座与所述的拉环体之间设置有第一深沟球轴承，所述的夹紧油腔由所述的固定座、所述的第二轴承座和所述的刹车盘围成，所述的松开油腔由所述的第二轴承座和所述的刹车盘围成，所述的箱体和所述的拉环体上设有与外界供油系统相通的输油管路，所述的第三伞齿轮与所述的第二伞齿轮的轴通过矩形花键连接并通过压盖固定，所述的压盖通过螺钉固定在所述的第二伞齿轮的前端，所述的转位内齿轮与所述的传动轴的下端通过矩形花键连接并通过径向的若干螺钉固定，所述的箱体内设置有第二深沟球轴承和第三轴承，所述的第三轴承座的内侧设置有第三深沟球轴承，所述的增力轴的前端和后端分别由所述的第二深沟球轴承和所述的第三深沟球轴承支撑，所述的第五伞齿轮由所述的第三轴承支撑。上述设计采用第三深沟球轴承和承托盘承托，使得附件头主轴箱、过渡盘、拉环体、转位盘等组成的转动部件可顺畅地绕其中心线旋转，并能平衡附件头主轴箱等部件的偏载力矩。通过转位盘带动附件头主轴箱转位，并通过刹车盘液压刹车定位，刹车盘可在承托盘和固定座之间往复运动，可确保刹车盘夹紧和松开动作过程中，附件头主轴箱不发生前后运动，此种结构设计有利于减小传动轴的中心线与附件头主轴的中心线之间的间距尺寸，提升机构转位动作的可靠性。

进一步地，所述的箱体的前端开设有内孔，所述的拉环体、固定座、刹车盘、转位盘、承托盘和第二轴承座分别设置在所述的内孔内，所述的承靠面设于所述的内孔的后侧。

作为优选，所述的传动轴、第一伞齿轮、第二伞齿轮、第三伞齿轮、转位内齿轮、转位外齿轮和第五伞齿轮的内侧分别开设有沿轴向的中心通孔。上述部件的中心通孔的设计，便于转位机构的内部布线和走线，使转位机构的整体结构更紧凑、简洁。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明任意角度分度转位机构具备换挡功能，可用于附件头A轴设计，实现附件头A轴转位运动的降速增力功效，并实现附件头A轴自动松夹、自动转位功能，具有分度精度高、转位平稳、负载小等优点。本发明转位机构的第二外齿轮与第一外齿轮的齿数比设计空间大，可以设计为10:1甚至更大，从而本发明转位机构的转位负载在输入端降至十分之一甚至更多，同时转位精度可提升十倍甚至更多，对于需精密定位的机械转位系统而言，这是革命性的改进和提升。此外，本发明转位机构的整体尺寸小，对于使用该转位机构的大系统来说，既不增加额外尺寸，又不增加提供驱动力所需成本，同时系统定位精度可得到大幅提升。本发明转位机构可适用于非常规零件和模具的高精加工，满足机床加工中绝大多数零件角度要求。

附图说明

图1为实施例中任意角度分度转位机构的结构示意图；

图2为图1中A处放大图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明任意角度分度转位机构，应用于附件头A轴设计，如图所示，该转位机构包括传动机构、换挡机构和增力转位机构。

本实施例中，传动机构包括传动轴1、第一伞齿轮11、第二伞齿轮12、第三伞齿轮13和第四伞齿轮14，传动轴1与机床主轴(图中未示出)相连，第一伞齿轮11竖直架设在箱体15内并同轴固定在传动轴1上，第二伞齿轮12横向架设在箱体15内，第一伞齿轮11与第二伞齿轮12啮合，第三伞齿轮13同轴固定在第二伞齿轮12的轴上，第四伞齿轮14竖直架设在附件头主轴箱9内并同轴固定在附件头主轴91上，第三伞齿轮13与第四伞齿轮14啮合，附件头主轴箱9设置在箱体15的前侧，附件头主轴91直立设置在附件头主轴箱9内。

本实施例中，换挡机构包括上下设置的转位内齿轮21和转位外齿轮22，转位内齿轮21同轴固定在传动轴1的下端，传动轴1可上下移动，传动轴1带动转位内齿轮21向下运动到位时，转位内齿轮21与转位外齿轮22啮合；传动轴1带动转位内齿轮21向上运动到位时，转位内齿轮21与转位外齿轮22脱开。

本实施例中，增力转位机构包括第五伞齿轮31、第六伞齿轮32、增力轴33、转位盘34、承托盘35、刹车盘36、拉环体37和过渡盘38，第五伞齿轮31竖直架设在箱体15内并位于传动轴1的下方，第五伞齿轮31与第一伞齿轮11同轴设置，转位外齿轮22同轴固定在第五伞齿轮31的上端，第五伞齿轮31与第六伞齿轮32啮合，第六伞齿轮32同轴固定在增力轴33上，增力轴33横向架设在箱体15内并位于第五伞齿轮31的下方，增力轴33的前端一体设置有第一外齿轮41，增力轴33的后端连接有编码器39，过渡盘38固定在附件头主轴箱9的后端并套设在第三伞齿轮13的外侧，拉环体37固定在过渡盘38的后端，转位盘34固定在拉环体37的后端并位于刹车盘36的后侧，箱体15内设有与转位盘34的后端面位置相对的承靠面16，承托盘35设置在转位盘34的内侧并固定在箱体15内，刹车盘36可前后移动地设置在拉环体37的内侧，刹车盘36的前侧和后侧分别设有与外界供油系统(图中未示出)相通的夹紧油腔51和松开油腔52，转位盘34的外侧设有第二外齿轮42，第二外齿轮42与第一外齿轮41啮合，第二外齿轮42与第一外齿轮41的齿数比为10:1。

本实施例中，箱体15内固定有第一轴承座6、第二轴承座7和第三轴承座8，第一轴承座6的内侧设置有第一轴承61，第一伞齿轮11的轴由第一轴承61支撑，第二轴承座7的内侧设置有第二轴承71，第二伞齿轮12的轴由第二轴承71支撑，刹车盘36和承托盘35分别套设在第二轴承座7的外侧，第二轴承座7的前端的外侧螺纹连接有固定座72，固定座72位于拉环体37的内侧并固定在过渡盘38的后端，固定座72与拉环体37之间设置有第一深沟球轴承73，夹紧油腔51由固定座72、第二轴承座7和刹车盘36围成，松开油腔52由第二轴承座7和刹车盘36围成，箱体15和拉环体37上设有与外界供油系统相通的输油管路53，第三伞齿轮13与第二伞齿轮12的轴通过矩形花键连接并通过压盖17固定，压盖17通过螺钉固定在第二伞齿轮12的前端，转位内齿轮21与传动轴1的下端通过矩形花键连接并通过径向的若干螺钉18固定，箱体15内设置有第二深沟球轴承81和第三轴承82，第三轴承座8的内侧设置有第三深沟球轴承83，增力轴33的前端和后端分别由第二深沟球轴承81和第三深沟球轴承83支撑，第五伞齿轮31由第三轴承82支撑。

本实施例中，箱体15的前端开设有内孔19，拉环体37、固定座72、刹车盘36、转位盘34、承托盘35和第二轴承座7分别设置在内孔19内，承靠面16设于内孔19的后侧；传动轴1、第一伞齿轮11、第二伞齿轮12、第三伞齿轮13、转位内齿轮21、转位外齿轮22和第五伞齿轮31的内侧分别开设有沿轴向的中心通孔10。

在机构需要分度转位时，转位内齿轮21与转位外齿轮22啮合，即可进行机构转位动力传递，使机床主轴动力从传动轴1传递给转位内齿轮21，再由转位外齿轮22传递至第五伞齿轮31，通过第六伞齿轮32传递至增力轴33，通过增力轴33前端的第一外齿轮41传递给转位盘34外侧的第二外齿轮42，通过转位盘34传递给拉环体37和过渡盘38，带动附件头主轴箱9和附件头主轴91等部件做旋转运动，实现机构的分度转位。在机构分度转位结束后，夹紧油腔51进油，推动刹车盘36向后运动，由刹车盘36推动转位盘34向后运动，直至转位盘34压紧承靠面16，完成刹车动作，换挡完成。而在转位内齿轮21与转位外齿轮22脱开后，可进行机构动力传递，将机床主轴动力通过传动轴1传递给第一伞齿轮11，再通过第二伞齿轮12传递至第三伞齿轮13，通过第三伞齿轮13传动至第四伞齿轮14，最终由第四伞齿轮14传动至附件头主轴91，实现附件头的加工功能。

本实施例中的增力转位机构，换挡后可实现降速增力的效果。转位盘34外侧的第二外齿轮42与增力轴33前端的第一外齿轮41的齿数比为10:1，实现了10:1的较大的降速比，使A轴转位所需摩擦力降低了10倍，从而大幅降低A轴转位的输出扭矩，A轴转位所需负载小，转动平稳，不会出现转位爬行等现象，而转位动作速度的降低可通过提高附件头主轴91的转速进行相应弥补，因而附件头的加工速度不受影响。同时，由于第二外齿轮42与第一外齿轮41的齿数比为10:1，A轴转位精度和定位精度提高了一个数量级。本实施例中所用编码器39单圈分辨率为8192，该编码器39所能分辨的最小角度为360÷8192×60×60＝158.2″，其最小定位精度可达0.1°，第二外齿轮42与第一外齿轮41的齿数比设计为10:1的大齿数比时，降速比为10:1，A轴转位所需摩擦力降低了10倍，附件头主轴箱9每转1°，第二伞齿轮12的轴需要转10°，从而将编码器39的最小定位精度0.1°又细化至0.01°，相当于编码器39精度提高了10倍，从而该转位机构所能达到的分度转位精度为158.2″÷10＝15.82″，该精度比市面上很多木工加工行业所用五轴头精度要高一个数量级，配合该转位机构所采取的“降速增力”的结构，起到了降速增力的作用，转位平稳、定位可靠、夹紧力矩大，可保证A轴转位过程中的平稳性和定位精准性。

Claims (5)

1.一种任意角度分度转位机构，其特征在于，包括传动机构、换挡机构和增力转位机构；

所述的传动机构包括传动轴、第一伞齿轮、第二伞齿轮、第三伞齿轮和第四伞齿轮，所述的传动轴与机床主轴相连，所述的第一伞齿轮竖直架设在箱体内并同轴固定在所述的传动轴上，所述的第二伞齿轮横向架设在所述的箱体内，所述的第一伞齿轮与所述的第二伞齿轮啮合，所述的第三伞齿轮同轴固定在所述的第二伞齿轮的轴上，所述的第四伞齿轮竖直架设在附件头主轴箱内并同轴固定在附件头主轴上，所述的第三伞齿轮与所述的第四伞齿轮啮合，所述的附件头主轴箱设置在所述的箱体的前侧，所述的附件头主轴直立设置在所述的附件头主轴箱内；

所述的换挡机构包括上下设置的转位内齿轮和转位外齿轮，所述的转位内齿轮同轴固定在所述的传动轴的下端，所述的传动轴可上下移动，所述的传动轴带动所述的转位内齿轮向下运动到位时，所述的转位内齿轮与所述的转位外齿轮啮合；所述的传动轴带动所述的转位内齿轮向上运动到位时，所述的转位内齿轮与所述的转位外齿轮脱开；

所述的增力转位机构包括第五伞齿轮、第六伞齿轮、增力轴、转位盘、承托盘、刹车盘、拉环体和过渡盘，所述的第五伞齿轮竖直架设在所述的箱体内并位于所述的传动轴的下方，所述的第五伞齿轮与所述的第一伞齿轮同轴设置，所述的转位外齿轮同轴固定在所述的第五伞齿轮的上端，所述的第五伞齿轮与所述的第六伞齿轮啮合，所述的第六伞齿轮同轴固定在所述的增力轴上，所述的增力轴横向架设在所述的箱体内并位于所述的第五伞齿轮的下方，所述的增力轴的前端一体设置有第一外齿轮，所述的增力轴的后端连接有编码器，所述的过渡盘固定在所述的附件头主轴箱的后端并套设在所述的第三伞齿轮的外侧，所述的拉环体固定在所述的过渡盘的后端，所述的转位盘固定在所述的拉环体的后端并位于所述的刹车盘的后侧，所述的箱体内设有与所述的转位盘的后端面位置相对的承靠面，所述的承托盘设置在所述的转位盘的内侧并固定在所述的箱体内，所述的刹车盘可前后移动地设置在所述的拉环体的内侧，所述的刹车盘的前侧和后侧分别设有与外界供油系统相通的夹紧油腔和松开油腔，所述的转位盘的外侧设有第二外齿轮，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮啮合，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮的齿数比为n:1，且n大于1。

2.根据权利要求1所述的一种任意角度分度转位机构，其特征在于，所述的第二外齿轮与所述的第一外齿轮的齿数比为(5～20):1。

3.根据权利要求1所述的一种任意角度分度转位机构，其特征在于，所述的箱体内固定有第一轴承座、第二轴承座和第三轴承座，所述的第一轴承座的内侧设置有第一轴承，所述的第一伞齿轮的轴由所述的第一轴承支撑，所述的第二轴承座的内侧设置有第二轴承，所述的第二伞齿轮的轴由所述的第二轴承支撑，所述的刹车盘和所述的承托盘分别套设在所述的第二轴承座的外侧，所述的第二轴承座的前端的外侧螺纹连接有固定座，所述的固定座位于所述的拉环体的内侧并固定在所述的过渡盘的后端，所述的固定座与所述的拉环体之间设置有第一深沟球轴承，所述的夹紧油腔由所述的固定座、所述的第二轴承座和所述的刹车盘围成，所述的松开油腔由所述的第二轴承座和所述的刹车盘围成，所述的箱体和所述的拉环体上设有与外界供油系统相通的输油管路，所述的第三伞齿轮与所述的第二伞齿轮的轴通过矩形花键连接并通过压盖固定，所述的压盖通过螺钉固定在所述的第二伞齿轮的前端，所述的转位内齿轮与所述的传动轴的下端通过矩形花键连接并通过径向的若干螺钉固定，所述的箱体内设置有第二深沟球轴承和第三轴承，所述的第三轴承座的内侧设置有第三深沟球轴承，所述的增力轴的前端和后端分别由所述的第二深沟球轴承和所述的第三深沟球轴承支撑，所述的第五伞齿轮由所述的第三轴承支撑。

4.根据权利要求3所述的一种任意角度分度转位机构，其特征在于，所述的箱体的前端开设有内孔，所述的拉环体、固定座、刹车盘、转位盘、承托盘和第二轴承座分别设置在所述的内孔内，所述的承靠面设于所述的内孔的后侧。

5.根据权利要求1所述的一种任意角度分度转位机构，其特征在于，所述的传动轴、第一伞齿轮、第二伞齿轮、第三伞齿轮、转位内齿轮、转位外齿轮和第五伞齿轮的内侧分别开设有沿轴向的中心通孔。

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