CN214640817U - 一种数控电火花刻伤测量一体化机头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数控电火花刻伤测量一体化机头，包括外壳、测量机构和刻伤机构，测量机构包括激光发射头和激光接收器，刻伤机构包括丝杠组件、微型步进电机、柔性机构、刀柄和刀片；丝杠组件的正牙螺母和反牙螺母配合夹住柔性机构；刀柄安装在柔性机构上，刀片安装在刀柄上，刀柄和刀片在初始位置时与待加工钢管的侧壁存在缝隙，以让激光发射头发射的激光穿过该缝隙。本实用新型通过柔性机构的弹性变形带动刀片实现进、退刀，重复定位精度高，可实现刀片的微米级运动，进、退刀深度的精度控制高。测量机构对刻槽深度进行测量，数控系统能实时、准确地知道加工时的刻槽实际深度，提高了整体加工的可靠性和可控性，也提高了整体加工精度。

Description

一种数控电火花刻伤测量一体化机头

技术领域

本实用新型属于电火花刻伤机领域，更具体地，涉及一种数控电火花刻伤测量一体化机头。

背景技术

在无损检测中，刻伤机具有广泛应用，用来制作标准的人工伤。电火花刻伤机具有自动化程度高、加工精度高、刻槽尺寸和方向任意等优点，已很好解决了管外和大口径管的内部刻伤作业。但针对小口径钢管，由于刻伤机头尺寸较大，进不了管内，对内径小于20mm的小口径钢管无法实现管内刻伤。目前主要采用，刻伤机外置、细杆悬臂梁带石墨刀片进入管内完成刻伤。但因悬臂刚度不够以及空间位置误差，很难保证刻伤精度，更主要的，刻出来的伤无法计量。

在电火花加工的过程中，刀片损耗是产生刻伤误差的主要原因。目前的刻伤机通常采用开环下补偿进给量的方法来解决。这种方法需要针对不同材料、不同尺寸的刀片进行试验获得修正系数、进行数值调整，最终带来的误差较大。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种数控电火花刻伤测量一体化机头，可解决数控电火花刻伤过程中刀片损耗的测量问题，尤其是小口径管内刻伤及测量难题，实现刀片损耗和刻槽深度的实时自动测量，确保刻伤精度。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，包括外壳、测量机构和刻伤机构，其中：

所述测量机构包括配套使用的激光发射头和激光接收器并且它们均安装在所述外壳上；

所述刻伤机构包括丝杠组件、微型步进电机、柔性机构、刀柄和刀片，并且：

所述丝杠组件包括正反牙丝杠、正牙螺母和反牙螺母，所述正反牙丝杠可转动安装在所述外壳上，所述正牙螺母和反牙螺母分别安装在所述正反牙丝杠的正牙部分和反牙部分；

所述微型步进电机安装在所述外壳上，以用于驱动所述正反牙丝杠实现正反转；

所述柔性机构安装在所述正牙螺母和/或所述反牙螺母上，并且所述正牙螺母和所述反牙螺母配合夹住该柔性机构，以控制所述柔性机构的弹性变形；

所述刀柄安装在所述柔性机构上，所述刀片安装在所述刀柄上，所述刀片在初始位置时与待加工的钢管的侧壁存在缝隙，以让激光发射头发射的激光穿过该缝隙。

优选地，所述刀柄通过永磁体安装在所述柔性机构上，以便旋转刀柄来调整刀片的方位。

优选地，所述柔性机构的弹性变形使刀片实现微米级运动，所述刀片的总行程不小于3毫米，所述刀片的最大进刀深度不小于2毫米，所述刀片的重复运动精度不大于2微米。

优选地，还包括安装在所述外壳底部内侧的防油垫，以用于隔绝油滴和火花。

优选地，还包括长杆，所述长杆的一端固定连接在所述外壳上而另一端外露于所述外壳，以便于将所述刻伤机构和测量机构放入待加工钢管内。

优选地，所述柔性机构具有对称面并且该对称面为所述正反牙丝杠的一横截面。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本实用新型通过正反牙丝杠的转动来带动正牙螺母和反牙螺母相互靠近或相互远离，正牙螺母和反牙螺母相互靠近可挤压柔性机构从而实现进刀，相互远离可以拉伸柔性机构从而实现退刀，刀片的重复定位精度高，而且可实现微米级运动，其行程和进、退刀深度的精度控制高。

2)本实用新型采用柔性机构的变形来带动刀柄、刀片实现进、退刀，减少了运动副的数量，消除了因多运动副而造成的运动累加误差，提高了整体精确度，同时柔性机构不存在机构件的机械摩擦，使整个刻伤机构几乎没有摩擦损耗，润滑要求低，易于维护。

3)本实用新型使用测量机构对刻槽深度进行测量，数控系统能够通过测量机构来实时、准确地知道加工时的刻槽实际深度，使得数控系统可以依此调整剩余的加工量，提高了整体加工的可靠性和可控性，也提高了整体加工精度；同时在加工完毕后，数控系统可直接得出刻槽深度，无需进行手动测量，使整个刻伤过程实现自动化。

4)本实用新型的柔性机构采用对称的设计，确保了其变形时的稳定性，减少了因不稳定变形而造成的进给误差。

5)本实用新型使用柔性机构带动刀柄、刀片的移动和采用微型步进电机作为驱动的来源，极大地缩小了机头体积，使整个机头能够被完整地放入内径小于20mm的小口径钢管中进行刻伤作业。

6)本实用新型使用永磁体将刀柄固定在柔性机构上，保证刀柄固定的同时简化了刀柄和刀片的拆装，也减小了刀柄的整体体积；同时便于刀柄进行任意角度的旋转，实现在任意方向上进行刻伤的需求。

附图说明

图1是本实用新型的主视图；

图2是本实用新型的剖视图；

图3是本实用新型的刻伤机构的立体示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种数控电火花刻伤测量一体化机头，包括外壳2、测量机构和刻伤机构，其中：

所述外壳2上设置有上盖1，上盖1盖在外壳2上，可对外壳2内部的构件起到一定的防护作用。

所述测量机构包括配套使用的激光发射头11和激光接收器3并且它们均安装在所述外壳2上。激光发射头11优选采用激光二极管。

所述刻伤机构包括丝杠组件、微型步进电机12、柔性机构8、刀柄5和刀片6，所述丝杠组件包括正反牙丝杠4、正牙螺母7和反牙螺母13，所述正反牙丝杠4可转动安装在所述外壳2上，所述正牙螺母7和反牙螺母13分别安装在所述正反牙丝杠4的正牙部分和反牙部分。正反牙丝杠4的正牙部分和反牙部分的螺纹旋向相反。

所述微型步进电机12安装在所述外壳2上，以用于驱动所述正反牙丝杠4实现正反转。正反牙丝杠4的正、反转可驱动正牙螺母7和反牙螺母13相互靠近、相互远离。本实用新型采用微型步进电机12，缩小了整体体积，使得本实用新型的机头可进入内径小于20mm的小口径钢管实现管内刻伤。

所述柔性机构8安装在所述正牙螺母7和/或所述反牙螺母13上，并且所述正牙螺母7和所述反牙螺母13配合夹住所述柔性机构8，以控制所述柔性机构8的弹性变形。

所述刀柄5安装在所述柔性机构8上，所述刀片6安装在所述刀柄5上，并且所述刀片6在初始位置时与待加工的钢管14的侧壁存在缝隙，以让激光15发射头11发射的激光15穿过该缝隙。所述刀片6的初始位置是指刀片6进入待加工的钢管14后还未进行刻伤工作时的位置。

本实用新型的微型步进电机12提供高精度输入给正反牙丝杠4，正牙螺母7和反牙螺母13可在相互靠近时挤压柔性机构8和相互远离时拉伸柔性机构8，柔性机构8通过自身的形变，将正牙螺母7和反牙螺母13的水平横向运动转化为刀柄5和刀片6的纵向竖直运动，从而实现刀片6的竖直运动，即可实现刀片6的进、退刀。

微型步进电机12的转轴的转动量可通过数控系统控制，其可接受数字控制信号(电脉冲信号)并转化为相对应的转动量，而微型步进电机12的转轴的转动量与柔性机构8的变形量是相对应的，柔性机构8的变形量又与刀片6的移动量(进刀量和退刀量)是相对应的，可在微型步进电机12运转时，预先通过现有的位移测量机构测量刀片6的移动量，该移动量与微型步进电机12的转动量拟合出函数关系，此后可根据微型步进电机12的转轴的转动量换算获得刀片6的移动量。

进一步，所述刀柄5通过永磁体安装在所述柔性机构8上，以便旋转刀柄5来调整刀片6的方位。刀片6靠近钢管内壁的一端为弧形并且弧度与钢管14的弧度一致。

进一步，还包括安装在所述外壳2底部内侧的防油垫9，以用于隔绝油滴和火花。使用防油垫9来隔绝加工过程中飞溅的油滴、火花、尘埃和废铁屑，能够有效保护内部的运动机构，延长刻头的使用寿命，减少更换成本。优选地，所述刀片6穿过所述防油垫9。

进一步，还包括长杆10，所述长杆10的一端固定连接在所述外壳2上而另一端外露于所述外壳2，以便于将所述刻伤机构和测量机构放入待加工的钢管14内。

进一步，所述柔性机构8具有对称面并且该对称面为所述正反牙丝杠4的一横截面，柔性机构8确保了其变形时的稳定性，减少了因柔性机构8的不稳定变形而造成的进给误差。

测量机构中，激光发射头11产生激光15，该激光15沿钢管14母线并尽量贴着钢管14的内壁，而且该激光15指向刀片6和钢管14之间的缝隙，在刀片6下降的过程中，由于缝隙的存在会形成衍射效应，在刀片6的初始位置，刀片6底部未接触钢管14的内壁，此时激光接收器3能够接收到激光发射头11发射的激光信号；而刀片6底部进刀时可移动到完全遮住激光15的位置，使激光接收器3刚好接收不到激光信号，此时可将刀片6的此位置作为初始位置；测量刻槽深度时，可控制刀片6上升到激光接收器3重新刚好接收到激光信号时的上升距离即为此时的刻槽深度。

本实用新型的工作过程如下：

1)整个刻伤机构由长杆10送入钢管14内部，在确定刻伤位置之后使用磁铁将长杆10及刻伤机头固定在钢管14内壁上。

2)调整激光发射头11使激光15沿着钢管14的母线并指向刀片6底部和钢管14内壁之间的缝隙。测量机构的激光15调整完毕后，控制微型步进电机12正转使刀片6竖直向下移动，同时监测激光接收器3是否接受到激光信号。当激光接收器3接收到激光信号时微型步进电机12开始驱动正反牙丝杠4旋转工作。当刀片6下降到刚好使激光接收器3未接收到激光信号时，数控系统将此时刀片6底部的位置视为刀片6底部的零位，同时也是加工零位。

3)加工零位确定后，给刀片6通脉冲电流，数控系统控制微型步进电机12旋转，使刀片6下移开始执行刻伤动作，可将刀片6从加工零位开始下移进行刻伤工作的下移量记为h₁，h₁为数控系统根据微型步进电机12的转动量换算而得。

4)开始刻伤后可随时执行测量操作。测量时，数控系统控制刀片6上升直到激光接收器3再次刚好接收到激光信号，数控系统记录下此时刀片6的上升距离h₂，h₂为数控系统根据微型步进电机12的转动量换算得到进给量，h₂即为实时刻伤深度；由于刀片6存在磨损，因此h₂＜h₁，h₁-h₂的值即为刀片6底部的损耗量。

5)重复进行上述的“对刀→刻伤→测量”步骤，直到刻槽深度达到设计值。

本实用新型的数控电火花刻伤测量一体化机头能够实现闭环下的刻伤和刀片6损耗补偿，在小尺寸和体积的数控运动机构的同时，增加刀片6位置测量功能，在刀片6每次进刀和退刀的过程中监控刀片6在数控系统里的状态位置，一方面实时修正刀片6的磨损量；另一方面，测量每次放电开始时的刻槽深度，可精确测量整体刻槽深度。

应理解，以上为本实施例的不同特征的许多不同的实施例或例子。以上描述的构件与安排的特定例子，以简化说明实施例。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制具体的实施方式，举例来说，元件尺寸并不限于所揭露的范围或数值，而可依制程条件和/或装置所需的性质而定。

再者，在说明中，第一特征形成在第二特征的上方或之上，这可能包含第一特征与第二特征以直接接触的方式形成的实施例，这也可能包含额外特征可能形成在插入第一特征与第二特征的实施例，这使得第一特征与第二特征可能没有直接接触，为了简单与清楚说明，可依不同比例任意绘制各种特征。

再者，在此可能会使用空间相对用语，例如“底下”、“下方”、“较低”、“上方”、“较高”等等，以方便说明如附图所绘示的一元件或一特征与另一(另一些)元件或特征的关系。

这些空间上相对的用语除了涵盖在附图中所绘示的方向，也欲涵盖装置在使用或操作中不同的方向。设备可能以不同方式定位(例如旋转90度或在其他方位上)，而在此所使用的空间上相对的描述同样也可以有相对应的解释。

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

Claims (6)

1.一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，包括外壳、测量机构和刻伤机构，其中：

所述测量机构包括配套使用的激光发射头和激光接收器并且它们均安装在所述外壳上；

所述刻伤机构包括丝杠组件、微型步进电机、柔性机构、刀柄和刀片，并且：

所述丝杠组件包括正反牙丝杠、正牙螺母和反牙螺母，所述正反牙丝杠可转动安装在所述外壳上，所述正牙螺母和反牙螺母分别安装在所述正反牙丝杠的正牙部分和反牙部分；

所述微型步进电机安装在所述外壳上，以用于驱动所述正反牙丝杠实现正反转；

所述柔性机构安装在所述正牙螺母和/或所述反牙螺母上，并且所述正牙螺母和所述反牙螺母配合夹住该柔性机构，以控制所述柔性机构的弹性变形；

所述刀柄安装在所述柔性机构上，所述刀片安装在所述刀柄上，所述刀片在初始位置时与待加工的钢管的侧壁存在缝隙，以让激光发射头发射的激光穿过该缝隙。

2.根据权利要求1所述的一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，所述刀柄通过永磁体安装在所述柔性机构上，以便旋转刀柄来调整刀片的方位。

3.根据权利要求1所述的一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，所述柔性机构的弹性变形使刀片实现微米级运动，所述刀片的总行程不小于3毫米，所述刀片的最大进刀深度不小于2毫米，所述刀片的重复运动精度不大于2微米。

4.根据权利要求1所述的一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，还包括安装在所述外壳底部内侧的防油垫，以用于隔绝油滴和火花。

5.根据权利要求1所述的一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，还包括长杆，所述长杆的一端固定连接在所述外壳上而另一端外露于所述外壳，以便于将所述刻伤机构和测量机构放入待加工钢管内。

6.根据权利要求1所述的一种数控电火花刻伤测量一体化机头，其特征在于，所述柔性机构具有对称面并且该对称面为所述正反牙丝杠的一横截面。

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