一种水轮机定子钻孔用的打点定位机构的制作方法

本实用新型涉及水轮机组制造技术领域，具体涉及一种水轮机定子钻孔用的打点定位机构。

背景技术：

随着人们节能环保意识的增强，作为绿色能源的水力发电正在大力发展，在水力发电领域，水轮机组是关键的部分，其通常包括定子、可转动地设置在定子内的转子，在转子的边缘设有若干磁极线圈，当水库的水位差形成的水流带动转子转动时，即可生成电能。对于大型的水轮机组而言，通常采用立式结构，也就是说，其中的定子和转子的轴线使竖直设置的。为了实现定子的组装，我们需要在定子上加工多个穿心螺杆孔，所有的螺杆孔中心位于和定子的轴线同轴的同一个圆上。我们知道，钻孔的钻头与铣床用的铣刀不一样，其只能承受轴向的作用力，而无法承受侧向的作用力，因此，当我们需要在一个工件表面钻孔时，需要先在孔位的中心处用圆锥形的打点顶针压出一个圆锥形的点位，俗称打点。开始钻孔时，先将钻头对准圆锥形的点位，然后使钻头轴向下移，钻头的尖端部即可定位在圆锥形的点位内，以便于准确定位所需加工孔位的中心位置，并避免钻头在钻孔时因出现侧向滑移导致孔位出现偏差、以及加工孔轴线的倾斜。

在现有技术中，我们通常采用如下方法给需要钻孔的工件打点，对于小型的单件加工零件，我们可由钳工通过划线用的高度卡尺在工件表述需要钻孔的位置画出x、y两个方向的十字交叉线，然后用铁锤敲击打点顶针，进而在十字交叉线的交叉点位置打出圆锥形的点位；对于较大型或批量加工的零件，我们可将零件放置在数控加工中心的工作台面上，然后将打点顶针固定在加工中心的主轴上，即可快速方便地定位到需加工孔位的准确位置，并根据计算得到的孔位在z轴方向的坐标沿着轴向下移主轴，使打点顶针在工件表面打出圆锥形的点位。

该方式虽然具有快速高效、位置精度高的优点，但是在用于大型水轮机组定子的打点时，却存在如下问题：首先，大型水轮机组的定子外形尺寸大，重量重，难以放到现有的数控加工中心上进行打点，或者，如果采用超大型的加工中心进行简单的打点作业，会极大地增加成本，难以普及推广。因此，很多时候，人们还是用尺子在工件上测量、划线等纯手工的方式进行打点，从而严重影响效率；其次，数控加工中心是通过控制主轴在x、y两个方向的移动来实现精确定位的，也就是说，加工中心是采用直角坐标系的，所需加工孔的中心是根据其x、y坐标值来确定其位置的，而定子上的多个螺杆孔是围绕定子的轴线呈周向分布的，也就是说，其优选的坐标系为包括半径和角度的极坐标。因此，当我们在数控加工中心上确定孔位时，需要先通过三角函数公式计算出孔位的x、y坐标值，既造成程序的复杂，同时容易产生较大的误差。特别是，定子所需加工的螺杆孔不在同一加工面上，其高度存在差异，因此，当我们通过数控加工中心打点时，需要针对不同孔位的高度设置主轴不同的z轴坐标，从而造成编程的麻烦。特别是，对于尚未完成加工的定子毛坯而言，其表面的高度并不确定，及时使完成表面加工的定子，由于其尺寸大，在加工、组装时，仍然会造成钻孔表面的高度存在较大误差，而打点形成的圆锥形点位的深度极小，因此，上述误差会造成最后形成的点位深度过深或过浅，进而严重地影响打点的质量，并影响后续钻孔的质量。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有水轮机定子钻孔前的打点方法所存在的效率低、成本高、精度差的问题，提供一种水轮机定子钻孔用的打点定位机构，可显著地提升工作效率，降低加工成本，并有效地提升打点的精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种水轮机定子钻孔用的打点定位机构，包括基座、可转动地设置在基座上的装载平台、设置在装载平台上方的顶针固定机构、设置在顶针固定机构上的打点顶针，所述装载平台上设有用于夹持定子的定位夹持装置，在基座上设有驱动装载平台在水平面内转动的驱动机构，所述顶针固定机构包括水平移动机构和竖直升降杆，所述打点顶针可轴向移动地设置在竖直升降杆的下端，并在竖直升降杆上设置抵压打点顶针的压力元件，竖直升降杆的上端可横向移动地连接在水平移动机构上，从而使竖直升降杆可在水平移动机构上由初始位置移动至打点位置，当竖直升降杆位于初始位置时，所述打点顶针的中心位于装载平台的转动轴线上，并且竖直升降杆的水平移动轨迹位于装载平台的径向上。

如前所述，所需加工的螺杆孔是位于一个与定子的中心同轴的圆上的，特别是，定子为圆形结构，因此，其需要加工的孔更适合用极坐标标注孔位。由于本实用新型包括一个可转动的装载平台，需要为定子打点时，可先将定子吊装到装载平台上，并通过定位夹持装置使定子在装载平台上可靠定位在起始位置并牢固夹持，以避免其产生移位，此时，竖直升降杆下端的打点顶针的中心位于装载平台的转动中心上。因此，所需加工孔位的极坐标中的极径即为孔位相对装载平台转动中心的距离，而极角即为孔位相对装载平台转动中心转过的角度。因此，我们可通过驱动机构使装载平台带动定子转动一个与极角相等的角度，然后使竖直升降杆水平移动一个与极径相等的距离至打点位置；接着使竖直升降杆下端的打点顶针下移，即可在定子上打出与第一个孔位对应的圆锥形的点位。需要为第二个孔位打点时，则只需转动装载平台一个角度，即可方便地为第二个孔位打点。当然我们也可为几个中心不在同一个圆上的孔位打点，此时，在使装载平台转过一个角度后，只需重新移动竖直升降杆的位置即可。

作为优选，在竖直升降杆的下端设有口小里大的阶梯孔，所述打点顶针适配在阶梯孔的小孔内，在打点顶针的内端设有位于大孔内的限位盘，所述压力元件为设置在大孔内抵压限位盘的压簧。

压簧可对限位盘形成一个初始压力，给定子打点时，当各点位的高度不一致时，我们可按照点位的最低高度以及挤压余量确定打点顶针的下移位置。需要打点时，竖直升降杆使打点顶针下移，打点顶针的尖端抵触定子表面，此时定子的表面会反向挤压打点顶针，从而使打点顶针克服压簧的弹力向上移动，即可避免针对每一个高度不同的点位重新确定打点顶针的下移位置和尺寸，压簧所形成的弹力可使每个点位都具有合适的深度，进而有利于后续的钻孔。

可以理解的是，具有初始预紧力的压簧可使打点顶针在定子表面形成基本一致的压力，从而打出深度接近的点位。此外，当我们需要给表面未加工的定子毛坯打点时，各点位的实际高度尺寸不确定，因此难以通过计算的方式精确设定打点顶针的下移距离和尺寸，而弹性连接的打点顶针则可有效地解决这一技术问题，确保打点工作的顺利进行。

作为优选，所述压力元件包括设置在竖直升降杆下端的主油缸、并排连接在主油缸旁侧的辅助油缸，所述打点顶针设置在主油缸向下伸出的活塞杆端部，主油缸的上部为设有液压油的主工作腔，可上下升降地设置在辅助油缸内的辅助活塞在辅助油缸的下部分隔出辅助工作腔，在辅助活塞上侧设有配重块，主工作腔和辅助工作腔之间通过管路连通。

在本方案中，打点顶针的压力来自于主油缸。由于主油缸上侧的主工作腔的压强是由辅助油缸产生的，而辅助油缸的液压油压强由辅助活塞上的配重块的重量所决定。也就是说，与辅助油缸的液压油压强相等的主油缸的液压油压强是固定不变的，从而使主油缸可对打点顶针形成一个恒定的压力，进而确保打出点位具有一致的深度和大小，确保打点质量符合设计要求。特别是，我们可通过调整配重块的重量，方便地调整打点顶针对定子表面的压力，进而适应不同材质、不同表面硬度的定子的打点工作。

作为优选，所述主工作腔的横截面面积为辅助工作腔横截面面积的2-4倍。

打点时，当定子表面抵触打点顶针并使打点顶针上移时，主工作腔逐渐变小，相应地，辅助工作腔逐渐变大。由于辅助工作腔的横截面小于主工作腔的横截面，而辅助工作腔和主工作腔内液压油的压强是相同的，因此，我们可设置较小的辅油缸，并且能产生足够的压强，进而使主油缸对打点顶针产生足够的压力。也就是说，通过辅助油缸和主油缸之间的压力放大关系，在确保打点顶针可对定子表面形成足够压力的前提下，还可显著地缩小辅助油缸的体积，并减小配重块的外形尺寸和重量。

作为优选，所述水平移动机构包括水平导轨，所述竖直升降杆的上端可移动地设置在水平导轨上，在水平导轨上位于远离初始位置的竖直升降杆外侧可移动地设有限位块，移动导轨上设有水平移动刻度。

需要打点时，我们可根据所需打点的点位极径坐标，将限位块移动到与极径对应的水平移动刻度位置并加以固定，然后向外移动竖直升降杆直至贴靠限位块，再转动装载平台，即可使打点顶针快捷准确地定位到点位的坐标处，从而确保打点的精度，并有利于简化打点程序，提高打点效率。

作为优选，在装载平台的边缘设有转动角度刻度，在基座上设有基准角度刻度。

通过转动角度刻度与基准角度刻度的比对，可方便地得到装载平台的转动角度。可以理解的是，对于直径超过9米的大型水轮机组的定子而言，所述装载平台的周长接近30米，相应地，我们可将装载平台的边缘的转动角度刻度精度设置到度、甚至分这一精度等级，进而精确定位打点顶针的位置，确保钻孔后孔位的精度。

作为优选，所述装载平台的中心处竖直地设有与基座转动连接的转轴，转轴上设有减速齿轮，所述驱动机构包括减速齿轮组，减速齿轮组的输出端与减速齿轮传动连接，减速齿轮组的输入端与驱动手柄传动连接，驱动手柄与转轴之间的减速比为n∶1，其中n为4-10之间的整数。

通过减速齿轮组的减速，一方面有利于驱动手柄的省力，另一方面，如果我们需要使装载平台转动诸如0.5度这样的小角度时，驱动手柄需要转动的角度为0.5n，由于n为4-10之间的整数，因此，驱动手柄的转动角度在2-5度之间，有利于精确控制装载平台的转动角度。

因此，本实用新型具有如下有益效果：可显著地提升工作效率，降低加工成本，并有效地提升打点的精度。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图。

图2是打点顶针和竖直升降杆的一种连接结构示意图。

图3是打点顶针和竖直升降杆的另一种连接结构示意图。

图4是驱动机构的一种结构示意图。

图中：1、基座2、装载平台21、转轴22、减速齿轮23、减速齿轮组24、驱动手柄3、打点顶针31、限位盘4、竖直升降杆41、限位螺母42、阶梯孔43、压簧5、气主油缸51、主工作腔6、辅助油缸61、辅助工作腔62、辅助活塞63、配重块7、水平移动机构71、支架72、水平导轨73、限位块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示，一种水轮机定子钻孔用的打点定位机构，其适用于为加工定子上的螺杆孔时的先期打点。具体包括基座1、可转动地设置在基座上的圆形装载平台2、设置在装载平台上方的顶针固定机构、设置在顶针固定机构上的打点顶针3，装载平台的转动轴竖直设置，装载平台的上表面为水平的承载面，当装载平台在基座上转动时，承载面即可在水平面内转动。此外，在装载平台上设置用于夹持定子的定位夹持装置（图中未示出），并在基座上设置驱动装载平台在水平面内转动的驱动机构，以便使放置到装载平台上的定子可靠定位并夹持，并通过驱动机构使装在平台带动定子转动过一个需要的角度。

另外，顶针固定机构包括水平移动机构7和竖直升降杆4，打点顶针可轴向移动地设置在竖直升降杆的下端，并在竖直升降杆上设置抵压打点顶针的压力元件，从而对打点顶针形成一个初始预紧力。竖直升降杆的上端可横向移动地连接在水平移动机构上，从而使竖直升降杆可在水平移动机构上由初始位置移动至打点位置。当竖直升降杆位于初始位置时，打点顶针的中心位于装载平台的转动轴线上，并且竖直升降杆的水平移动轨迹位于装载平台的径向上。

需要说明的是，本实用新型采用极坐标标注所需加工的螺杆孔的位置。我们知道，极坐标具有极径和极角二个坐标参数，并且极坐标具有一个确定极径的原点、确定极角的角度起始基准。我们可将极坐标的原点设置在定子的中心，而角度起始基准则可设置在定子上过其中一个孔位中心的径向上，并在基座上设置相应的基准点。需要为定子打点时，可先将定子吊装到装载平台上，并通过定位夹持装置使定子在装载平台上可靠定位在起始位置并牢固夹持，以避免其产生移位，此时，定子的中心与装载平台的转动中心重合，定子上的角度起始基准与基座上的基准点对应。也就是说，竖直升降杆下端的打点顶针的中心位于定子的中心——即极坐标的原点上。

对于所有螺杆孔的孔位均位于同一个圆上的情况，也就是说，各孔位的极径相等。我们可通过驱动机构使装载平台带动定子转动一个与孔位的极角相等的角度，然后使竖直升降杆水平移动一个与孔位的极径相等的距离至打点位置；接着使竖直升降杆下端的打点顶针下移，即可在定子上打出与孔位对应的圆锥形的点位。需要为另一个孔位打点时，只需转动装载平台一个角度，即可方便地为另一个孔位打点。当然，我们也可为几个中心不在同一个圆上的孔位打点，此时，在使装载平台转过一个角度后，只需重新移动竖直升降杆的位置即可。

需要说明的是，如图2所示，竖直升降杆可以是一个气缸，而打点顶针则设置在该气缸向下伸出缸体的活塞杆端部，以方便地控制打点顶针的升降。优选地，该气缸的活塞杆上端可向上伸出缸体，并在上段的活塞杆上螺纹连接两个限位螺母41，其中下侧的限位螺母用于限定活塞杆向下移动的距离，而上侧的限位螺母可使下侧限位螺母实现自锁，避免其产生自行转动而移位，确保打点顶针下移距离的准确可靠。

作为一种优选方案，我们可在竖直升降杆的下端设置口小里大的阶梯孔42，打点顶针为适配在阶梯孔的小孔内的圆柱体，其下端则为圆锥形的硬质合金尖端，打点顶针位于阶梯孔内的内端设置位于大孔内的限位盘31，压力元件为设置在大孔内抵压限位盘的压簧43，从而使打点顶针的限位盘限位在大、小孔的台阶处。

压簧对限位盘形成一个初始压力，给定子打点时，当各点位的高度不一致时，我们可按照点位的最低高度以及挤压余量确定打点顶针的下移位置。当需要给高度较高的点位打点时，定子的表面会挤压打点顶针，从而使打点顶针克服压簧的弹力向上移动，从而避免针对每一个点位重新确定打点顶针的下移位置和尺寸，并且确保每个点位都具有合适的深度，进而有利于后续的钻孔。

可以理解的是，具有初始预紧力的压簧可使打点顶针在定子表面形成基本一致的压力，从而打出深度接近的点位。此外，当我们需要给表面未加工的定子毛坯打点时，各点位的实际高度尺寸不确定，因此难以通过计算的方式实现设定打点顶针的下移距离和尺寸，而弹性连接的打点顶针则可有效地解决这一技术问题，确保打点工作的顺利进行。

作为另一种优选方案，如图3所示，压力元件包括设置在竖直升降杆下端的主油缸5、并排连接在主油缸旁侧的辅助油缸6，打点顶针设置在主油缸向下伸出的活塞杆端部，主油缸的活塞在主油缸的上部分隔出设有液压油的主工作腔51，可上下升降地设置在辅助油缸内的辅助活塞62在辅助油缸的下部分隔出辅助工作腔61，在辅助活塞上侧设有配重块63，主工作腔和辅助工作腔之间通过管路连通。

在本方案中，打点顶针的压力来自于主油缸。由于主油缸上侧的主工作腔的压强是由辅助油缸产生的，而辅助油缸的液压油压强由辅助活塞上的配重块的重量所决定。也就是说，与辅助油缸的液压油压强相等的主油缸的液压油压强是固定不变的，从而使主油缸可对打点顶针形成一个恒定的压力，进而确保打出点位具有一致的深度和大小，确保打点质量符合设计要求。特别是，我们可通过调整配重块的重量，方便地调整打点顶针对定子表面的压力，进而适应不同材质、不同表面硬度的定子的打点工作。当然，辅助油缸的缸体上部可开口设置，以便于配重块的放置和更换。此外，配重块可设置成中心具有通孔、并套设在辅助油缸的活塞杆上的圆柱。

优选地，我们可使主工作腔的横截面面积为辅助工作腔横截面面积的2-4倍，从而使辅助工作腔的横截面远小于主工作腔的横截面。由于，辅助工作腔和主工作腔内液压油的压强是相同的，因此，我们只需设置较小的辅油缸，即可产生足够的压强，进而使主油缸对打点顶针产生足够的压力。也就是说，通过辅助油缸和主油缸之间的压力放大关系，在确保打点顶针可对定子表面形成足够压力的前提下，还可显著地缩小辅助油缸的体积，并减小配重块的外形尺寸和重量。

为了方便控制竖直升降杆的移动位置，水平移动机构包括下端固定连接在基座上的支架71，设置在支架上端的水平导轨72，竖直升降杆的上端可移动地设置在水平导轨上。此外，在水平导轨上位于远离初始位置的竖直升降杆外侧可移动地设有限位块73，移动导轨上设置水平移动刻度。

需要打点时，我们可根据所需打点的点位极坐标中的极径参数，将限位块移动到与极径对应的水平移动刻度位置并加以固定，然后向外移动竖直升降杆直至贴靠限位块，并使竖直升降杆固定。再转动装载平台，即可使打点顶针快捷准确地定位到点位的极坐标处，从而确保打点的精度，并有利于简化打点程序，提高打点效率。

需要说明的是，水平导轨一侧可设置燕尾槽，竖直升降杆的上端以及限位块均滑动连接在燕尾槽内，从而使竖直升降杆以及限位块可沿着水平导轨水平移动。此外，在竖直升降杆以及限位块设置紧固螺钉，当竖直升降杆或者限位块移动到位时，拧紧紧固螺钉即可使竖直升降杆或者限位块固定在水平导轨上。

进一步地，我们可在圆形的装载平台的边缘设置从0至359度的转动角度刻度，并在基座上设置基准角度刻度。当我们将定子定位在装载平台上时，定子的角度起始基准与基座上的基准角度刻度对准。

这样，打点时，需要打点的点位的极角即为装载平台应该转动的角度，我们只需通过驱动机构使装载平台带动定子转过一个与极角相等的角度即可，此时基准角度刻度刚好对准与极角相等的转动角度刻度，因而可极大地方便地装载平台转动角度的控制。

最后，如图4所示，我们可在装载平台的中心处竖直地设置与基座转动连接的转轴21，转轴上设置减速齿轮22，驱动机构包括减速齿轮组23，减速齿轮组的输出端与减速齿轮传动连接，减速齿轮组的输入端与驱动手柄24传动连接。当我们转动驱动手柄时即可通过减速齿轮组、减速齿轮带动装载平台转动，进而带动定子转动。

优选地驱动手柄与转轴之间的减速比为n∶1，其中的n为4-10之间的整数。通过减速齿轮组的减速，一方面有利于驱动手柄的省力，另一方面，如果我们需要使装载平台转动诸如0.5度这样的小角度时，驱动手柄需要转动的角度为0.5n，由于n为4-10之间的整数，因此，驱动手柄的转动角度在2-5度之间，有利于精确控制装载平台的转动角度。

可以理解的是，我们可在装载平台和基座之间设置圆形滚动槽，并在滚动槽内设置滚珠，以便使基座对装载平台形成良好的支撑，并减小装载平台转动时的摩擦力。另外，装载平台也可通过步进电机以及相应的减速机构驱动，既可精确控制转动角度又可减轻操作人员的工作强度。