CN1867426A - 固定并倾斜加工工具的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固定并在整个倾斜范围内基本绕顶点倾斜加工工具的装置。该装置包括具有形成基线和基座枢轴距离的枢轴的基座。该装置还包括连接于该基座枢轴的第一和第二枢转臂，和具有连接于该第一和第二枢转臂的枢轴的工具架。该工具架枢轴形成具有枢轴距离的工具架线，该枢轴距离不同于基座枢轴距离。该工具架设置成用于固定该机械加工工具。基线和选定枢转臂的相交部分形成控制角，使得改变该控制角将改变该工具架相对于该基线的倾斜量，并且相应地基本绕该顶点倾斜该加工工具的纵轴。

Description

固定并倾斜加工工具的装置

技术领域

五轴机床具有沿着三个正交轴(X、Y和Z)移动加工工具或工件，并绕第四和第五正交轴倾斜该加工工具的能力。由于能够倾斜加工工具，五轴机床在加工零件的生产中非常有用。例如，这些五轴机床使使用者能够在一件材料上完成多种切削、磨削或钻孔操作而不必停止操作并安装不同的专用加工工具。这样省去了与安排每种专用加工工具相关的附加时间和与将该加工工具安装于五轴机床相关的附加时间。因此，能够更快地更廉价地将工件变成被加工过的零件。

背景技术

相对于工件倾斜加工工具的能力在利用从喷嘴高速射出的粒子研磨性水射流加工工件中、在激光加工工件中以及喷涂工件中是非常有利的。图1A示出研磨性水射流12切削工件14，以及由此产生的该射流12沿着与其移动19相反的方向的偏转距离L。由于喷嘴10沿着由移动19所示的方向在工件14上移动，每个研磨性水射流的应用在一定程度上受到来自纵轴54的研磨性水射流12的水流的偏转18的影响。由于工件结构离开纵轴54，喷嘴10移动越快，研磨性水射流12弯曲越大。当喷嘴10的移动19为直线时，该研磨性水射流12的水流以齿轮加工工具的方式切削工件材料，该水流在该水射流12的水流进入该工件14的撞击位置后面的偏转距离L处离开该工件14的底部。在直线切削中，由于该水流的偏转18直接与该撞击位置13在一直线上并在其后面，该水流12能够快速移过该工件14，并且不影响切削精度。但是，在转弯切削中，由于它向转弯的外侧或内侧成喇叭形，该偏离距离L能够产生切削误差，留下或者切削出不希望的偏离斜度。

每个研磨性水射流应用还受该工件14切削边缘的斜角锥度的影响。图1B示出在工件14的切削边缘22a和22b由射流12形成的斜角锥度20。为了清楚起见，图1B中示出该射流12为截头圆锥形。射流切削，特别是研磨性水射流切削，通常在工件中产生不希望的成锥度的或成斜角的切削边缘22a和22b。斜角锥度的最宽部分18通常靠近撞击位置13。看起来很像铅笔削尖的端部的斜角锥度18被拖过工件14。斜角锥度20是材料厚度的函数，并且通常在薄材料中最大，其中斜角锥度20可达10度，在较厚的材料中，例如两英寸的板材中，尽管仍然相当大，但是该斜角锥度20小得多。斜角锥度20还是切削速度的函数。当切削速度变慢时斜角锥度20变小，并且然后当切削速度进一步变慢超过某个点时，该斜角锥度20与图1B斜角锥度相反，变成靠近撞击点13比较窄。通常只能通过沿着X轴相对于工件表面15倾斜喷嘴10来有效地消除斜角锥度20。在具体应用中为了消除斜角锥度所需要的倾斜量的确定不属于本发明的范围。

与斜角锥度20不同，偏转锥度可以通过减慢喷嘴10在工件14上的移动19来减小。为了切削具有各种转角和曲线的复杂的形状，必须不断地调整移动19的横向速度。此外，减小不希望的偏离锥度需要研磨性水射流12从表面15上连续地去掉材料，即便在该研磨性水射流12已经穿过该工件14的厚度之后。减小不希望的偏离锥度的另一种方法是使研磨性水射流12多次通过该工件14。这种方法增加切削工件的必要时间。

相对于工件表面15倾斜喷嘴10的能力为射流切削提供了许多优点。对于直线切削，喷嘴10和研磨性水射流12可以取向成垂直于工件表面15，而补偿倾斜沿着X轴，以使斜角锥度最小，因为偏转锥度不成为问题。在转角处的不希望的偏转锥度可以通过额外地倾斜喷嘴10减小。可选地，在仅具有补偿倾斜的第一切削中可以保持磨料射流移动19在工件14上的速度，以使斜角锥度20最小，横过工件14的随后的切削通过具有额外的倾斜量，以除去在前面的切削中产生的偏离锥度。这样比不产生偏离锥度的一次慢速切削通过要快些。

研磨性水射流切削从相对于工件表面15倾斜加工工具10还得到其他好处。例如，当加工工具10走内转角时，由于研磨性水射流12开始向外移动，研磨性水射流12在偏转距离L处偏转进入工件。这可以通过下述方式最小化，即研磨性水射流12在倾斜的情况下沿着移动方向19开始移动，仅送进射流的底部，直到该头部和喷嘴10能够向新的方向移动而没有偏离进工件中。因此，为了以相对于切削表面优选的角度有效地完成高速切削，喷嘴10可以安装于五轴机床上，该机床具有两个正交的水平移动轴(X和Y)，一个竖直移动轴(Z)，以及两个在喷嘴10处的倾斜正交轴。

遗憾的是，五轴机床通常很昂贵并占用很多生产资金。其昂贵的理由是要求五轴机器在非常精密的公差范围内能够切削、磨削或钻孔，同时在加工工件时常常需要承受高载荷。该高载荷来自砂轮、钻头或锯片与工件的接触力。由于这些用于从工件上去料的常规加工工具安装于该机床，并且与被加工的工件接触，该加工工具必须承受在其工作中所遇到的载荷。因此，常规的五轴机床必须坚固，因此其制造通常很昂贵。

当用研磨性水射流加工工件时，五轴机床在切削、磨削和钻孔过程中不必承受高载荷，因为喷嘴10与工件不接触。而是该五轴机床需要承受从该喷嘴10以高速喷出的研磨性水射流的反作用载荷。与常规的磨削砂轮、钻头和锯片产生的接触力相比，这种反作用载荷通常相当小，并且在切削过程中基本保持不变。因此，对于运行磨料射流加工工具，不需要常规五轴机床的坚固性。

因此，需要一种用于固定和倾斜加工工具的不昂贵的装置，该装置为使用者提供绕两个正交的加工轴相对于工件枢转加工工具的能力。

发明内容

本发明提供一种固定并倾斜机加工工具(machine tool)的装置。更具体地说，该装置的实施例用于相对于基座(base)固定和倾斜加工工具。该装置包括能够安装于机器的基座，该基座具有第一基座枢轴和第二基座枢轴，该两个基座枢轴形成具有基座枢轴距离的基线。该装置还包括连接于第一基座枢轴的第一枢转臂，连接于第二基座枢轴的第二枢转臂。工具架具有连接于该第一枢转臂的第一工具架枢轴和连接于该第二枢转臂的第二工具架枢轴，该两个工具架枢轴形成具有枢轴距离的工具架线，该枢轴距离不同于基座枢轴距离。该工具架设置成用于固定该机械加工工具。该基线和选定的枢转臂的交线形成控制角，使得改变该控制角使工具架相对于基线的倾斜量发生变化，并且基本上绕顶点相应地倾斜该加工工具的纵轴。该顶点可以通过将第一线延伸通过该第一基座枢轴和第一工具架枢轴以及将第二线延伸通过该第二基座枢轴和第二工具架枢轴二形成。该枢转臂可以具有相等的长度，并且连接于枢转臂的该枢轴仅允许圆柱运动。该装置可以包括改变控制角的致动器。在至少一个枢转臂上的枢轴可以约束该工具架绕该基座的旋转运动。该加工工具可以是切削工具，例如包括研磨性水射流切削工具的射流切削工具。

本发明的另一个实施例提供一种固定并在倾斜范围内基本绕顶点倾斜加工工具的装置。该装置包括能够安装于机器的基座，该基座具有第一、第二和第三基座枢轴，这些基座枢轴设置成形成基座三角形。该装置还包括分别连接于第一、第二和第三枢轴的第一、第二和第三枢转臂。该装置还包括具有分别连接于该第一、第二和第三枢转臂的第一、第二和第三工具架枢轴的工具架，这些工具架枢轴设置成形成工具架三角形，并且该工具架设置成用于固定该机械加工工具。每对枢转臂和由该对枢转臂连接的该加工工具三角形的边和基座三角形的边形成四边形。在这个图形中。工具架三角形边长小于基座三角形的边长，并且该基座三角形的一边和一个枢转臂之间的相交部分形成控制角，使得改变该控制角使得该工具架三角形相对于该基座三角形倾斜，其相应地基本绕该顶点倾斜该固定加工工具的纵轴。该顶点通过将第一线延伸通过该第一基座枢轴和该第一工具架枢轴、将第二线延伸通过该第二基座枢轴和该第二工具架枢轴、第三线延伸通过该第三基座枢轴和该第三工具架枢轴而形成。沿任何方向绕该固定加工工具纵轴的倾斜范围大于零并小于20度。

本发明的又一个实施例提供一种固定并且沿着X-Y轴在倾斜范围内基本绕顶点倾斜加工工具的装置。该装置包括能够安装于机器的基座，该基座固定成不能绕Z轴旋转并包括在倾斜范围内形成基本上球形的假想(virtual)引导表面并且其中心在顶点的元件。该装置还包括设置成刚性地固定该加工工具的工具架和设置成跟随该球形形状假想引导表面的跟随件，该工具架设置成用于固定该加工工具，该加工工具的纵轴与顶点相交。形成球形形状假想引导表面的元件可以包括多个枢转臂，每个臂具有枢转连接于基座的第一端，和枢转连接于该工具架的第二端，该第二端形成该球形的引导表面。该引导表面跟随件可以包括多个工具架枢轴，每个工具架枢轴连接于一个枢转臂的第二端。形成该球形形状引导表面的元件可以包括真实的(real)球形形状引导表面件。该工具架引导表面跟随件可以包括基本球形的跟随表面。该加工工具可以是切削工具，例如射流切削工具或研磨性水射流切削工具。沿着绕该固定加工工具纵轴的方向的倾斜范围可以大于零度并小于45度。

通过阅读下面的详细描述和观察相关附图将会明白作为本发明优点的这些和各种其他特征。

附图说明

相信具有新颖性的本发明的特征在权利要求中详细提出。通过参考下面结合附图的详细描述能够更好地理解本发明与其目的和优点，在该附图的多个图中，同样的附图标记表示同样的零部件，其中：

图1A示出研磨性水射流切削工件和由此产生的射流偏转；

图1B示出由射流形成的该工件的切削边缘中的斜角锥度；

图2A示出用于安装并沿着一个轴绕顶点倾斜加工工具的装置；

图2B示出用于安装并沿着一个轴绕顶点60倾斜加工工具50的装置70；

图3根据本发明的实施例示出该装置的第二种构形，其中控制角度的变化Δθ相对于X轴倾斜工具架；

图4根据本发明的实施例示出用于安装并沿着两个轴绕顶点倾斜加工工具的装置；

图5根据本发明的实施例示出被旋转致动器驱动的并连接于枢轴的两轴装置；

图6根据本发明的实施例示出用线性致动器驱动的两轴装置；

图7根据本发明的实施例示出用于安装并沿着两个轴绕顶点倾斜加工工具的球形两轴装置的剖视图。

具体实施方式

在本发明下面示例性实施例的详细描述中，参考构成本发明一部分的附图。该详细描述和附图示出实施本发明的具体的示例性实施例。足够详细地描述这些实施例以便本领域的技术人员能够实施本发明。应当理解，可以采用其他实施例，并且在不脱离本发明精神实质和范围的情况下可以进行各种变化。因此下面的详细描述不认为是具有限制的意思，本发明的范围由权利要求限定。

除非上下文中另有说明，在整个说明书和权利要求中，下面所用的术语明确地取与这里相关的意思。“一个”和“该”的意思包括多个。“在…中”的意思包括“在…中”和“在…上”。此外，除非另有说明或者与这里公开的不一致，对单数的记载也包括对复数的记载。

图2A根据本发明的所实施例示出用于安装并沿着一个轴绕顶点60倾斜加工工具50的装置30。该装置30以第一种构形的形式示出，其中该安装加工工具50的纵轴54垂直于工件14的表面15。装置30包括可安装于机器的基座32，工具架40，第一枢转臂35和第二枢转臂37，该基座32例如是固定成不能绕Z轴旋转的固定的X-Y工作台(table)。该基座32包括第一基座枢轴34和第二基座枢轴36，该第一基座枢轴34和第二基座枢轴36形成基线31并分开基座枢轴距离33。该工具架40包括第一工具架枢轴44和第二工具架枢轴46，该第一工具架枢轴44和第二工具架枢轴46形成工具架线41并分开工具架枢轴距离43。尺寸346是第二基座枢轴36和第二工具架枢轴46之间沿Z轴的距离。线62从第一基座枢轴34伸出通过第一工具架枢轴44，而线64从第二基座枢轴35伸出通过第二工具架枢轴45。线62和64在顶点60相交。控制角度θ是在由基线31、工具架线41，第一枢转臂35的纵轴和第二枢转臂37的纵轴所形成的四边形中形成的任何一个角。图2A将控制角θ示作由基线31和第二枢转臂37的纵轴相交形成的角度，使得改变控制角θ将改变工具架相对于基线的倾斜量，并且相应地基本绕该顶点倾斜加工工具的纵轴。

枢轴34、36、44和46可以是允许工具架40仅在X-Z平面内运动的圆柱轴承，例如铰链。在可选方案中，该枢轴34、36、44和46可以是允许在多个平面中运动的球轴承。在另一个可选方案中，部分地根据该工具架40所希望的可移动性该枢轴34、36、44和46可以包括圆柱轴承和球轴承两者。例如，枢轴36和46可以是允许工具架只绕Y轴运动的圆柱形轴承，而约束其绕X和Z轴运动。其余的轴承可以是球形轴承。在图2A所示的实施例中工具架枢轴距离43小于基座枢轴距离33。装置30的部件可以由诸如钢的任何非常刚性材料制造，以支撑基座30和被固定加工工具50的重量，抵抗由加工工具50产生的力，并且传递作用在该基座30上的控制运动。

该装置30可以关于顶点60描述为一个三角形，底边是基线31，一个边是在第一基座枢轴32和顶点60之间形成的线，第二个边是第二基线36和顶点之间形成的线。该装置30的元件也可以描述为一个四边形，其底边是底座线31，第一边是第一枢转臂35，第二边是第二枢转臂37，第三边是在第一和第二枢转臂35和37之间延伸的工具架线41。由于由该装置30的元件形成的几何关系，控制角的变化Δθ相应地改变形成在该四边形内绕枢轴(34、36、44、46)的其余三个角度，并且相对与该X-Z平面的X轴倾斜该工具架40。这还导致改变基座32的枢轴和工具架40的枢轴之间沿Z轴的距离，例如距离346。由控制角的变化Δθ赋予工具架40相对于X轴的倾斜度是该基座枢轴距离33、工具架枢轴距离43、该基座枢轴距离33和工具架枢轴距离43之间的差以及该枢转臂35和37的关系和绝对长度的函数。在该领域中任用于描述多边形的已知的数学模型可以用来描述由控制角的变化Δθ赋予该工具架40相对于X轴的倾斜量，并且该纵轴54相对于Z轴倾斜，并且加工工具末端52从顶点60移动。

该装置30的实际尺寸可以根据该装置30的功能、将被安装的加工工具50和工件14来选择。为了描述该装置30和安装在其上的加工工具之间的关系。图2示出安装加工工具50的工具架40，该安装的加工工具50具有相应于喷嘴10的加工工具末端52和纵轴54。虽然图2示出加工工具末端52靠近顶点60而纵轴54相交于顶点60，但是加工工具末端52与顶点60可以具有任何空间关系。图2示出本发明的一个实施例，其中形成一个大体上等边三角形。而且，枢转臂35和37示作相等并具有基座枢轴和顶点60之间的距离的大约百分之50。当枢转臂35和37相等时，该基线31大致平行于该工具架线41，该工具架枢轴距离43是该基线41的大约一半，并且该装置30的元件在第一种构形中形成一个梯形。在本发明的另一个实施例中，除了该工具架枢轴距离43总是不同于该基座枢轴距离33之外，该装置30的元件可以具有任何选择的尺寸。虽然顶点60示作位于该工件表面15和该末端52之间，但是根据所希望的功能，该顶点60可以在工件14中，而且，根据所希望的功能，该末端52还可以位于该工件表面15和该顶点60之间，或者在该顶点60和工具架40之间。

在另一个实施例中，枢转臂35和37在允许加工工具完成其功能的同时制造成尽可能长。这个实施例使末端52在整个倾斜范围内从顶点60的移动最小。在又一个实施例中，枢转臂可以是由两个或更多个实际枢转臂的工作情况形成的假想的枢转臂。例如，枢转臂35与其连接的枢轴33和34可以由两个间隔开的枢转臂与其所连接的位于两个X-Z平面内离Y轴的零点一定距离的枢轴的工作情况形成。

图2A还示出该装置30的几何模型。绕枢轴34提供的第一枢转臂35形成一个圆弧R35，而绕枢轴36提供的第二枢转臂37形成圆弧R37。绕X-Z平面中的顶点60提供的工具架40的枢轴44和46形成具有半径R(未示出)圆弧RV。当枢转臂具有相同的长度时，半径R是线64的长度和枢转臂的长度之间的差。圆弧R35和R37结合以在工具架40相对于X轴的小倾斜角度内相对于顶点60形成圆形的假想引导线。当该工具架40将被倾斜时，该圆弧RV在该纵轴54的整个小角度上可以视为相对于由圆弧R35和R37形成的该圆形假想引导线并由其引导移动。在诸如至多约5度的小倾斜角度中，加工工具末端52将绕该顶点60枢转，具有从该顶点60非常小的位移。由于该小角度在20和45度之间的范围内进一步增大，该加工工具末端52将基本绕顶点60枢转，经过一定的位移。该位移的量是该装置30的几何图形的函数。由于该装置30和加工工具50相对于X-Y-Z轴机器可以用制造成具有比较低的质量，当该倾斜角在20到45度的范围内时，该末端52从顶点60的位移能够被迅速地轻易地补偿

进一步说明该几何模型，该装置30的几何形状也可以被设计成三个球，每个球具有与另外两个球接触的圆周部分。该两个球的圆周部分假想成形成圆弧R35和R37，其可以被想象成两个假想的引导件。该第三个球可以被假想为具有半径R和形成圆弧RV的圆周部分。工具架50的枢轴44和46可以假想成绕顶点60旋转并且位于圆弧RV上。该第三个球也可以假想为具有比另外两个球小的半径。记住这些，第三个球的圆弧RV可以假想成对着另外两个球的圆弧R35和R37旋转或倾斜。在第三个球的中心的顶点60的位置不偏移。利用这个模型，能够看到，被工具架40固定的加工工具50的纵轴54(第三个球)在小倾斜角度范围内仍然与相交于顶点60(或第三个球旋转)。当倾斜增加时，由于枢轴44和46结构上限制于R35和R37，并远离该圆弧RV，由这个几何模型提供的近似值不反映该加工工具该末端52从顶点60增加的位移。

对于诸如在下面的附图中所描述的两轴倾斜装置，该几何图形可以用有四个球类似地设计，每个且接触另外三个球。三个枢转臂可以假想成形成三个球，该三个球具有球形的假想引导表面。该工具架可以想像成形成该第四个并且优选较小的球，并形成半径为R的假想球，其中心在顶点60上。该第四个球可以被形成假想引导表面跟随件的三个枢轴件形象化，该假想引导表面跟随件接触由三个球形成的该假想引导表面。该第四个球可以相对于另外三个球旋转或倾斜同时保持结接触，并且顶点60的位置不偏移。利用这个模型，如同具有一个倾斜轴的装置，它像利用枢转臂的两倾斜轴装置一样能够同样被看见。由于倾斜增加，如同在单倾斜装置一样，由这个几何模型提供的近似值不反映末端52的增加的位移。

图2B示出根据本发明的实施例用于安装并沿着一个轴绕顶点60倾斜加工工具50的装置70。除了基座32位于顶点60和工具架40之间，工具架枢轴距离43大于基座枢轴距离33之外，装置70的部件基本上类似于图2A所示的装置30的部件。在基座32上设置孔39，该孔使得末端52能够位于靠近顶点60并且在倾斜范围内能够移动。所示的安装部分38用于将诸如X-Y-Z工作台的基座32安装于机器上，该X-Y-Z工作台固定成不能绕Z轴旋转。除了在工具架40和顶点60之间的基座32的实际位移之外，该装置70主要起类似于装置30的作用。

图3根据本发明的实施例示出该装置30的第二种构形，其中控制角度的变化Δθ相对于X轴倾斜工具架40。在第二种构形中，工具架线41由控制角度的变化Δθ相对于X轴倾斜。由于由装置30的元件形成的几何关系，控制角度的变化Δθ将该装置30移动到第二种构形，并相对于X轴从第一种构形倾斜工具架线41。安装在工具架40上的加工工具，例如加工工具50，其具有沿X轴绕顶点60相应地倾斜的纵轴54。相对于Z轴的倾斜量将等于工具架40相对于X轴的倾斜量。对于小倾斜角度而言加工工具末端52沿X轴从顶点60稍稍相应地移动，该小倾斜角度的大小是由装置30的元件所形成的几何关系和加工工具末端52相对于该顶点的位置的函数。

在操作中，该装置30的实施例在至少一个枢转臂(35、37)的两端用圆柱形轴承，用于枢轴(34、44)或(36、46)以抵制该工具架绕X轴和Z轴的旋转运动，并允许绕Y轴(在X-Z平面内)的受控运动。该控制角度的变化Δθ由旋转致动器(未示出)施加，该致动器连接在该基座32和第二枢转臂37之间并且是可操作的以绕第二基座枢轴36旋转该第二枢转臂37。该控制角度的变化Δθ也可以由连接在该基座32和第二枢转臂37之间适当位置的线性致动器(未示出)施加，以改变尺寸346并相对于Z轴移动该第二工具架枢轴37。可选地，该线性致动器可以在同样适当的位置连接于该第二枢转臂37或工具架40，而不是第二工具架枢轴46。示为50的研磨性水射流切削工具由工具架40安装。在图2所示的第一种构形中，喷嘴10设置成使其纵轴54垂直于第一和第二工具架枢轴44和46之间的连线并位于其中点。该喷嘴10还进一步设置成使得研磨性水射流12的出口靠近顶点60并垂直于工件表面15，而顶点60在该工件表面15和该喷嘴10之间。该研磨性水射流移动19取向成沿着Y轴送进该喷嘴10。

当希如图3所示沿着X轴并相对于Z轴倾斜该研磨性水射流12的纵轴52时，该控制角度的变化Δθ利用旋转或线性致动器施加于该装置30，由于控制角度的变化Δθ的结果，该工具架线41相对于X轴倾斜，增加该纵轴54相对于X轴和工件表面15的入射角。加工工具末端52沿X轴从顶点60的任何相应的位移可以通过沿相反方向移动该基座32补偿。

对于沿任何方向在大约20到45度范围内的倾斜角，喷嘴10和其纵轴52基本绕顶点60倾斜，并且喷嘴10仅从在顶点60处的原点位置稍稍移动。该装置30的几何形状接近于位于该顶点60处的圆柱形轴承，其轴垂直于附图的平面。仅以很小的基座32加速度，加工工具50能够绕顶点迅速倾斜，补偿加工工具末端52沿X轴从顶点60的位移。这一特征在基座32由大移动结构安装的机器中特别重要，在这种机器中大加速度或者不可能，或者引起结构的振动。

在不太优选的可选实施例中，该致动器被省去并且控制角度的变化Δθ由操作者用连接于第二枢转臂37或工具架40的手柄(未示出)手动施加。还设置用于固定该控制角度θ的机构，例如锁销机构。

在又一个实施例中，两个装置30可以以任何方式组合以提供工具架40的两轴倾斜，以代替图2和图3所示的仅仅一个装置。例如，组合可以包括类似于装置30的另一个装置，并在Y-Z平面取向成具有另一个基座，该基座包括位于Y-Z平面内并垂直于基座32的另一对基座枢轴。该第二装置具有第二工具架，该第二工具架具有位于Y-Z平面的另一对枢轴。该第二工具架刚性地连接于基座30，使得相对于Y轴倾斜该第二工具架将相应地相对于Y轴倾斜基座30和工具架40。

图4根据本发明的实施例示出用于安装并沿着两个轴绕顶点60倾斜加工工具50的装置100。该两轴装置100以第一种构形示出，其中安装加工工具50的纵轴54将垂直于工件14的表面15。该双轴装置100包括：能安装于机器的基座110，诸如固定成不能绕Z轴旋转的X-Y工作台、工具架140、以及枢转臂132、134和136。该基座110包括第一、第二和第三基座枢轴112、114和116，每个基座枢轴分别被分开以装置30的方式形成枢轴线的基座枢轴距离。工具架140包括第一、第二和第三工具架枢轴142、144和146，每个被工具架枢轴分别被分开以装置30的方式形成枢轴线的工具架枢轴距。枢转臂132、134和136分别连接在相应的基座枢轴112、114和116与工具架枢轴142、144和146之间。

该枢轴可以是允许工具架140相对于基座110在多个平面内运动的球轴承。但是如果仅仅用球轴承，需要限制工具架140不能相对基座110绕Z轴旋转。这种旋转可以用本领域已知的任何方式限制。在图4所示的实施例中，该旋转通过将万向接头用作允许两个自由度的枢轴116和146来限制，即绕X轴和Y轴旋转，但是限制绕Z轴旋转。该两轴装置100的部件可以用诸如钢的任何非常刚性的材料制造，其适合支撑该装置100和被安装加工工具150的重量、抵抗由杆安装的加工工具产生的力，并传递施加于该基座110的控制运动。

该两轴装置100可以描述为具有三角形基座平面的四面体，该三角形基座平面形成在枢轴112、114和116之间，而三个平侧面相交于顶点60。该四边形的第一平面由线31、62和64以类似于装置30的方式形成。该四边形的另外两个平面由三角形基座其他边和基座枢轴112与顶点60之间的链线同样地形成。工具架140可以描述为由与该四边形的侧面相交的枢轴142、144和146形成的三角形加工工具平面。该两轴装置100以类似于图2和图3中的装置30的单轴倾斜的方式沿着X轴和Y轴绕顶点60倾斜安装在该加工工具平面中的加工工具50。

图4的两轴装置100具有两个自由度，其对应于沿着X轴和Y轴的两个倾斜角。有许多方式致动该两轴装置100以在自动机构中产生这些角度。图5根据本发明的实施例示出用连接于顶点116的旋转致动器180和182驱动的两轴装置100。该旋转致动器180和182设置成分别沿着X方向和Y方向改变该枢轴116的万向节的控制角θ，并绕顶点60倾斜工具架140。

图6根据本发明的实施例示出用线性致动器186和188驱动的两轴装置。该基座110刚性地连接于顶板115，并且该基座110和顶板115两者连接于用于安装于机器的安装座184，诸如X-Y-Z工作台，该X-Y-Z工作台固定成不能绕Z轴旋转。该工具架140以可移动方式连接于具有致动器连杆187和189的顶板115，每个连杆在其端部被支撑在球形轴承上。如前所述，该枢转臂136分别用上、下万向节116和146连接于该基座110和工具架140之间。可改变的尺寸346a是在顶部连杆枢轴149a和工具架连杆枢轴149之间沿着Z轴测量的该连杆187和其致动器186的长度。正如装置30的情况一样，改变尺寸346a的长度将改变控制角θ(未示出)。连杆189和致动器188沿着Z轴也具有可改变的尺寸，该可改变的尺寸改变该装置100的另一个控制角θ(未示出)。如果一个致动器被加长而另一个被缩短同样的量，那末沿X尺度发生倾斜。

万向节116和146形成轭，其提供绕该轭的X轴和Y轴的两个旋转自由度，但是防止绕垂直于该轭的Z轴的旋转运动。因此该万向节116和146施加一限制使基座110不能相对于该工具架140绕Z轴旋转。工具架140以类似于图2的装置30单方向倾斜的方式在两个方向绕假想枢轴点60倾斜。

图7根据本发明的实施例示出用于安装并沿着两个轴绕顶点60倾斜加工工具50的球形两轴装置200的剖视图。该球形两轴装置200以第一构形和第二构形两种方式示出，其中在第一种构形中该安装加工工具150的纵轴54垂直于工件14的表面15，在第二种构形中，该纵轴54绕顶点60倾斜。如这里所见，所述的球形结构只包括一个完全球的一部分，例如部分半球。

该两轴装置200包括可安装于诸如X-Y工作台的机器的基座232，工具架240和工具架引导件260。该基座232包括第一和第二工具架支撑件234和236，该工具架支撑件设置成用于安装该引导件260。该工具架引导件260包括具有其半径为R的球形引导表面的下支撑266和上支撑264以及分别在上支撑262和下支撑266上的切断区268和269，其允许被工具架240安装的加工工具50的倾斜运动270而没有阻碍。工具架240包括用于跟随下支撑266球形引导表面262的其半径为R的球形引导表面242，和通过与该上支撑264的切断区268的周边接触限制运动270的止动件248。该两轴装置200的部件用诸如钢的任何非常刚性的材料制造，其适于支撑该装置200和安装的加工工具50的重量，抵抗由安装的加工工具50产生的力，并传递施加于该基座232的控制运动。

在运行中，线性致动器(未示出)可以连接于该工具架240和基座232的部分之间以提供沿X轴和Y轴的倾斜运动。例如，一个线性致动器可以连接于顶部248和支撑件234之间以提供沿X轴的倾斜运动。另一个线性致动器可以以提供沿Y轴的倾斜运动的方式连接于顶部248和基座232的部分之间。该球形两轴装置以基本上类似于这里描述的其他实施例的方式操作。该工具架引导件260的球形引导表面262的中心设置成靠近顶点60。切削工具50的喷嘴设置成使得其纵轴54初始垂直于并通过该顶点60。切削工具50的喷嘴还进一步设置成使得该研磨性水射流12的出口靠近该顶点60，并且该顶点60位于该工件表面15和该喷嘴之间。

为了进行切削，该研磨性水射流的移动19取向成沿着Y轴送进喷嘴10。当希望在X-Y平面内倾斜该研磨性水射流时，利用线性致动器将倾斜运动270提供给适当地安装的工具架260。该下支撑266的球形引导表面262在整个倾斜运动270的范围内保持该工具架240的球形引导表面242与该球形引导表面262适当地接触。当希望在X-Y平面内倾斜研磨性水射流时，利用另一个线性致动器将适量的倾斜运动270提供给该工具架260。正如装置100的情况一样，装置200可以同时沿两个方向倾斜以满足切削要求。

在一个可选实施例中，工具架260可以包括多个轴承，其设置成允许工具架260相对于球形引导表面262并绕顶点60运动。该轴承将完成由该球形引导表面242提供的引导功能。

虽然参考一些实施例相当详细地描述肋本发明，但是，其他实施例也是可能的。因此权利要求的精神实质和范围不应限制于这里包含的实施例的描述。意图是本发明存在于权利要求中。

Claims (35)

1.一种相对于基座固定并倾斜加工工具的装置，包括：

(a)能够安装于机器的基座，该基座具有第一基座枢轴和第二基座枢轴，该两个基座枢轴形成具有基座枢轴距离的基线；

(b)连接于第一基座枢轴的第一枢转臂；

(c)连接于第二基座枢轴的第二枢转臂；以及

(d)工具架，其具有连接于该第一枢转臂的第一工具架枢轴和连接于该第二枢转臂的第二工具架枢轴，该两个工具架枢轴形成具有枢轴距离的工具架线，该枢轴距离不同于基座枢轴距离，并且该工具架设置成用于安装该机加工工具。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该工具架枢轴距离小于该基座枢轴距离。

3.如权利要求1所述的装置，其中，该工具架枢轴距离大于该基座枢轴距离。

4.如权利要求1所述的装置，其中，该基线与选定的枢转臂的相交部分形成控制角，使得改变该控制角将改变该工具架相对于该基线的倾斜量，并且相应地倾斜该加工工具的纵轴。

5.如权利要求4所述的装置，其中，在相对于该基线的整个倾斜范围内倾斜该工具架，将相应地基本绕由第一线和第二线的交点形成的顶点倾斜该加工工具的纵轴，该第一线形成在第一基座枢轴和第一工具架枢轴之间，该第二线形成在该第二基座枢轴和第二工具架枢轴之间。

6.如权利要求5所述的装置，其中，该工具架相对于该基座的倾范围小于45度。

7.如权利要求5所述的装置，其中，该工具架相对于该基座的倾范围小于20度。

8.如权利要求1所述的装置，其中，该枢转臂具有相等的长度。

9.如权利要求1所述的装置，其中，连接于一个枢转臂的枢轴只允许圆柱运动。

10.如权利要求1所述的装置，其中，在至少一个枢转臂上的枢轴约束该工具架绕该基座的旋转运动。

11.如权利要求1所述的装置，其中，一个枢转臂是由另外两个枢转臂组合形成的假想枢转臂。

12.如权利要求1所述的装置，还包括改变该控制角的致动器。

13.如权利要求12所述的装置，其中该致动器是线性致动器。

14.如权利要求12所述的装置，其中该致动器是旋转致动器。

15.如权利要求1所述的装置，还包括第三枢轴组件，该第三枢轴组件包括连接在第三基座枢轴和第三工具架枢轴之间的第三枢转臂。

16.如权利要求1所述的装置，其中该加工工具包括切削工具。

17.如权利要求16所述的装置，该切削工具包括射流切削工具。

18.如权利要求16所述的装置，该切削工具是研磨性水射流切削工具。

19.一种安装并倾斜加工工具的装置，该装置包括：

(a)能够安装于机器的基座，该基座具有第一基座枢轴、第二基座枢轴和第三基座枢轴，这些基座枢轴设置成形成基座三角形；

(b)连接于第一基座枢轴的第一枢转臂；

(c)连接于第二基座枢轴的第二枢转臂；

(d)连接于第三基座枢轴的第三枢转臂；以及

(e)工具架，其具有连接于该第一枢转臂的第一工具架枢轴、连接于该第二枢转臂的第二工具架枢轴、连接于该第三枢转臂的第三工具架枢轴，这些工具架枢轴设置成形成工具架三角形，并且该工具架设置成用于固定该加工工具，

每对枢转臂和由该对枢转臂连接的该加工工具三角形的边和基座三角形的边形成四边形，其中该工具架三角形的边长不同于基座三角形的边长。

20.如权利要求19所述的装置，其中，在该基座三角形的一边和一个枢转臂之间的相交部分形成控制角，使得改变该控制角将相对于该基座三角形倾斜该工具架三角形，并相应地倾斜该加工工具的纵轴。

21.如权利要求20所述的装置，其中该顶点由第一线、第二线和第三线的交点形成，该第一线形成在该第一基座枢轴和该第一工具架枢轴之间，该第二线形成在该第二基座枢轴和该第二工具架枢轴之间，该第三线形成在该第三基座枢轴和该第三工具架枢轴之间，并且改变该控角将在倾斜范围内基本绕该顶点相对于该基座三角形相应倾斜该被安装的工具的纵轴。

22.如权利要求21所述的装置，其中该工具架三角形相对于该基座三角形沿着任何方向的倾斜范围都大于零度并小于45度。

23.如权利要求21所述的装置，其中该工具架三角形相对于该基座三角形沿着任何方向的倾斜范围都大于零度并小于20度。

24.如权利要求21所述的装置，其中该工具架三角形的边长小于该基座三角形的边长。

25.如权利要求21所述的装置，其中，能够对连接于一个枢转臂的枢轴进行操作以约束该工具架绕该基座的旋转运动。

26.如权利要求19所述的装置，其中该被安装的加工工具是切削射流。

27.一种固定并且沿着X、Y轴在整个倾斜范围内倾斜加工工具的装置，该装置包括：

(a)能够安装于机器的基座，其固定成不能绕Z轴旋转并包括一元件，该元件在整个倾斜范围内形成基本上球形的假想引导表面，所述倾斜范围的中心位于一顶点；和

(b)工具架，其置成刚性地安装该加工工具，并包括设置成跟随该球形假想引导表面的跟随件，该工具架设置成用于安装该加工工具，其中该加工工具的纵轴与所述顶点相交。

28.如权利要求27所述的装置，其中形成球形假想引导表面的元件包括多个枢转臂，每个臂都具有枢转连接于该基座的第一端，和枢转连接于该工具架的第二端，该第二端形成该球形引导表面。

29.如权利要求28所述的装置，其中该引导表面跟随件包括多个工具架枢轴，每个工具架枢轴连接于一个枢转臂的第二端。

30.如权利要求27所述的装置，其中形成该球形引导表面的元件包括真实的球形引导表面件。

31.如权利要求30所述的装置，其中该工具架引导表面跟随件包括基本球形的跟随表面。

32.如权利要求27所述的装置，其中该加工工具包括切削工具。

33.如权利要求27所述的装置，其中该加工工具包括射流切削工具。

34.如权利要求27所述的装置，其中该加工工具包括研磨性水射流切削工具。

35.如权利要求26所述的装置，其中该倾斜范围在绕该固定加工工具纵轴的任何方向上都大于零度并小于45度。

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