CN116000808A

CN116000808A - 一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置

Info

Publication number: CN116000808A
Application number: CN202211671051.8A
Authority: CN
Inventors: 潘日; 刘斌; 范晋伟
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-12-25
Filing date: 2022-12-25
Publication date: 2023-04-25

Abstract

本发明公开了一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，包括底座、轴承端盖、顶尖、主轴、直线轴承、轴承座、力传感器、转接板、位移传感器、卡座、导轨气缸、气缸支架、刚性支架、直线导轨、换向阀、电子调压阀、气压传感器、限位开关；底座、轴承座、气缸支架、卡座用螺钉、销钉进行定位与连接，构成装置的外框架；直线轴承固定在轴承座中，用以实现顶尖与主轴的径向约束与轴向自由度；轴承端盖固定在轴承座端面；导轨气缸为双作用、双导轨气缸，通过螺钉与气缸支架连接；所述位移传感器、力传感器分别通过转接板、卡座固定，用以实现对顶尖的受力与位置监测；所述换向阀、电子调压阀、气压传感器为装置的气动控制组件。

Description

一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置

技术领域

本发明属于外圆磨床领域，涉及一种主动力控式的气动顶尖装置，更具体地，是一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置。

背景技术

外圆磨床是一种用于磨削的机械设备，可以加工工件的外圆表面层。外圆磨床不仅仅能加工圆柱体，它还可以加工各种具有旋转中心轴的物品，如圆形和圆锥形等。其较为广泛的加工方法，就是使用双顶尖或者单顶尖等来夹持工件进行磨削加工。

顶尖是机床中的部件之一，主要由顶针、壳体、夹紧装置、固定销以及轴承等部分组成，共有固定顶尖和活动顶尖这两大类。顶尖的一边可以顶管料或者中心孔的内孔，而另一边可以顶端面是锥形的工件，用夹紧装置来进行对工件的固定。

传统的固定顶尖以弹簧作为缓冲和预紧力的控制元件，顶尖通常安装在磨床尾座内，当旋转手轮使顶尖接触工件后，弹簧压缩量随顶尖的移动而增大，进而在锁紧后为工件提供一定的预紧力，在磨削过程中工件若是受热膨胀而伸长时，就可以自行进行补偿，防止工件顶至弯曲变形。

但如上所述，传统的弹簧预紧方式存在如下弊端：其一，顶尖传递给工件的预紧力与弹簧压缩量相关，而工件受热膨胀或震动等将导致弹簧的压缩量不恒定，进而导致预紧力稳定性较差；其二，因预紧力与弹簧压缩量、弹簧刚度相关，故顶尖对工件的预紧力调节需要通过转动手轮间接完成，控制的确定性差、精度低且操作繁琐；其三，对不同刚度的工件进行夹持时，弹簧预紧很容易出现装夹过松或过紧的情况，对工人操作的熟练度要求较高。

发明内容

本发明的根本目的在于提供一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其设计目的在于使顶尖对工件的装夹力可控、稳定且实现自动化的加载与卸载。本装置由高压空气作为动力源，驱动气缸实现顶尖对工件的自动夹紧与释放；本装置由控制器控制，根据内部的多种传感器与气缸完成自适应反馈控制，保证顶尖输出力的高精度与高稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，包括底座座、轴承座、轴承端盖、直线轴承、顶尖、主轴、转接板、卡座、力传感器、位移传感器、导轨气缸、气缸支架、刚性支架、直线导轨、换向阀、电子调压阀、气压传感器、限位开关；

所述轴承座用于固定直线轴承；

所述直线轴承过盈配合安装于轴承座内，用于支撑并约束主轴，使主轴可沿直线轴承轴线移动，且保证较小的摩擦阻力与较好的同心度；

所述主轴用于装夹锥柄顶尖；

所述轴承端盖安装于轴承座端面，防止灰尘与切屑进入主轴与直线轴承；

所述转接板用于连接主轴与力传感器，转接板传感器一侧与位移传感器顶端接触，作为位移传感器触发源；转接板主轴一侧在极限工位与轴承座接触用于限位；

所述限位开关安装在轴承座一侧，用于直接识别转接板的接触；

所述刚性支架安装在直线导轨上，用于承载力传感器和气缸杆末端；

所述直线导轨安装在底座上，用于承载刚性支架，并使其具备轴向移动自由度；

所述气缸支架用于固定导轨气缸；

所述卡座固定于气缸支架一侧，用于固定位移传感器；

所述底座用于连接轴承座、气缸支架，并固定于磨床尾座内；

所述力传感器用于采集顶尖的实时接触力，并将数据传回控制器；

所述位移传感器用于采集顶尖的实位置，并将数据传回控制器；

所述气缸用于带动顶尖与主轴完成轴向移动，实现对工件的加载与卸载；所述气缸为双作用气缸，气缸一侧施压完成对工件的加载，气缸另一侧施压完成对工件的卸载；所述气缸为导轨气缸，拥有两侧导轨，可限制导轨的旋转自由度，提供单一的直线运动自由度；

所述换向阀为三位五通换向阀，用于改变气压方向，为气缸任意一侧提供压力，所述换向阀为电磁换向阀，用于由控制器完成换向操作；

所述气压传感器用于获取气缸内部实时气压，并将数据反馈回控制器；

所述电子调压阀用于调整气缸内部气压，调压阀具备标准接口，用于由控制器完成调压操作；

所述控制器用于采集装置中的传感器数据，并由控制算法控制换向阀与调压阀完成对气缸的自适应控制；

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1.本发明用于外圆磨床的尾座中，将传统磨床顶尖的弹簧式加压方式更改为主动力控的气动式加压，将尾座丝杠的进给运动与输出的夹持力解耦，提高了对工件夹持力的控制精度确定性与稳定性；

2.本发明简化了外圆磨床尾座的操作方式，实现了顶尖对工件的自动加载与卸载；

3.本发明的顶尖装置可适应不同长度、刚度的工件加工需求；

4.本发明包含多种传感器与电控元件，易于实现磨床加工的自动化。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的主轴部分刨面图。

图3为本发明的电气图。

附图中各部件的标记如下：

1.电子比例阀；2.气缸支架；3.卡座；4.位移传感器；5.刚性支架；6.转接板；7.直线导轨；8.限位开关；9.底座；10.顶尖；11.轴承端盖；12.轴承座；13.主轴；14.力传感器；15.导轨气缸；16.直线轴承；17.橡胶垫；18.电磁换向阀；19.三位五通电磁换向阀(符号)；20.电子比例阀(符号)；21.电子气压表(符号)；22.气源(符号)；23.双作用气缸(符号)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本实施例提供了一种利用气动原理的主动力控式顶尖装置，其包括用于调节气压的电子比例阀1、用于固定导轨气缸并连接底座的气缸支架2、用于装夹位移传感器的卡座3、用于采集位置信息的位移传感器4、用于承载力传感器的刚性支架5、用于连接主轴与力传感器并作为限位元件的转接板6、用于承载刚性支架的直线导轨7、用于识别转接板接触的限位开关8、用于连接磨床尾座的底板9、用于装夹工件的顶尖10、用于密封防尘的轴承端盖11、用于安装直线轴承并连接底座的轴承座12、用于装夹顶尖的主轴13、用用采集接触力的力传感器14、用于伸缩运动的导轨气缸15、用于保证主轴直线移动的直线轴承16。

具体的，将底座9安装于磨床尾座中，轴承座12、气缸支架2分别使用螺丝和圆柱销与底座完成定位与连接，形成装置的基本框架；直线轴承16为循环滚珠式直线轴承，与轴承座12采用过盈配合，与主轴13采用间隙配合，靠循环滚珠完成低摩擦直线移动；导轨气缸15为双作用、双导轨气缸，双作用可实现气动的加载与卸载，双导轨则限制气缸15、主轴13的旋转自由度，并保证较高的直线运动精度，导轨气缸15两侧面与气缸支架内侧面间隙配合，并使用螺钉连接；转接板6用于连接主轴13、力传感器14，并在靠近主轴13一侧作为限位块，在靠近位移传感器4侧作为触发块；力传感器14为应变式单方向拉压力传感器，位移传感器4为回弹式直线位移传感器，分别用于实时采集主轴13的轴向力和轴向位移；卡座3由螺钉固定于气缸支架侧面，用于夹持位移传感器4；刚性支架5分别使用螺钉与力传感器14、气缸15、直线导轨7连接，用于支撑力传感器14和气缸15的伸出杆末端；直线导轨7使用螺钉与圆柱销与底座进行定位连接，用于承载刚性支架，并提供低摩擦、低噪音的轴向移动自由度；限位开关8使用螺钉安装在轴承座一侧，用于直接识别转接板与橡胶垫17的接触；橡胶垫17粘贴在轴承座端面，用于缓冲气缸的加速度，避免冲击对元件造成损坏。

如图3所示，本装置采用电气混合控制模式，电磁换向阀19为三位五通电磁换向阀，位1时导通气缸23的出程、位2时气缸23不导通、位3时导通气缸23的回程，换向阀19由装置的控制器通过电信号完成控制；电子调压阀20可调压范围为0.1-1Mpa，由控制器的电信号完成控制；气压表21为电子气压表，用于实时监测气缸23内部的气压变化；气源22为无水、无油、无杂质的压缩空气气源，用于为气动元件提供动力。图3中的符号均与图1、2中实物图对应，且图1中的电子比例阀包括图3中的电子调压阀与电子气压表。

本装置的主动力控制逻辑为：空载时，电磁换向阀在位1，电子比例阀输出较小压力，气缸无杆腔正压，推动顶尖以较小力伸出并抵达限位点；加载时，用户设定所需的预紧力后，若限位开关处于未触发状态，则控制器根据预紧力大小及各传感器实时数据，控制气动元件完成加压，若限位开关处于触发状态，则控制器识别为空载，不输出压力；卸载时，控制器收到用户指令后，先减小输出力大小，在用户确认安全后，换向阀改为位2，有杆腔正压，顶尖收回，完成卸载。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改：等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其特征在于，包括底座、轴承座、轴承端盖、直线轴承、顶尖、主轴、转接板、卡座、力传感器、位移传感器、导轨气缸、气缸支架、刚性支架、直线导轨、换向阀、电子调压阀、气压传感器、限位开关；

所述底座固定于外圆磨床尾座内；所述轴承座、轴承端盖用于固定、保护直线轴承；所述直线轴承用于约束主轴与顶尖；所述主轴用于安装顶尖；所述转接板、卡座用于固定力传感器和位移传感器；所述力传感器、位移传感器和接触开关用于采集顶尖的实时接触力和行程位置；所述气缸支架用于固定导轨气缸；所述刚性支架、直线导轨用于承载力传感器，增加系统刚度；所述导轨气缸用于带动主轴移动；所述换向阀、电子调压阀、气压传感器用于导轨气缸的气动控制与监测。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其特征在于，力传感器通过转接板安装于主轴、气缸杆端之间，用于采集主轴的轴向力信号F；位移传感器安装于气缸支架侧面，其测头与转接板的一个端面接触；限位开关安装于轴承座侧面，其测头与轴承座内测端面齐平。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其特征在于，转接板不仅用于安装力传感器，还作为位移传感器和限位开关的触发源。位移传感器检测其安装位置与转接板的相对距离获取位移信号L，限位开关由转接板直接触发获取接触信号DO。

4.根据权利要求3所述的一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其特征在于，，气缸为双作用气缸，由换向阀、电子调压阀控制实现气动方向的转换和气压调整，配合完成控制器的空载、加载、卸载模式切换。

当接触信号DO识别为1时，表明转接板与轴承座端面接触，装置达到最大行程位置，控制器识别为空载模式，控制器将输出力设定为最小输出力F₀；

当接触信号DO为0，位移信号L减小或增大并逐渐稳定，且装置被设定为加载模式时，控制器识别为正在装夹工件，输出力由空载时的F₀增大为设定的夹持力F_t，且力变化时间可控；

当装置被设定为卸载模式时，输出力由当前接触力减小至最小输出力(F0)，并改变输出力方向完成卸载。

5.根据权利要求1至4所述的一种用于数控精密磨床的主动力控顶尖装置，其特征在于，当装置处于加载模式且装夹有工件时，该装置通过分析力传感器、气压传感器采集的实时信息做反馈控制，使输出力稳定在设定输出力的合理误差范围内。

所述装置在通过输出力标定后，实现高精度的主动力控制，并根据工件刚度主动设置输出力，并具有缓冲减震效果。