开槽机床的制作方法

本发明公开一种开槽机床，属于加工设备的领域，特别涉及一种加工槽类特征的机床。

背景技术

现有技术中，加工槽类特征需要设计与槽宽同向的进给机构，结构复杂、成本高、占用空间多不便于携带收纳；

现有技术加工槽类特征时，需要机床沿槽的深度方向和长度方向运动，槽较深的情况下还要多次沿深度方向进给，加工效率低；

现有技术只能加工拉伸特征的槽，无法加工出外口小内部大的梯形槽(沿槽长度方向的剖面)，梯形孔通常应用于连接、木材连接应用的榫卯结构等；

现有技术的钻铣床受结构限制无法克服上述弊端；

现有技术机器人手臂在焊接、组装、搬运以及服务业的应用越来越广泛，并且具有承担部分数控机床加工的能力，特别是在木材、塑料、有色金属的加工领域应用优势较大，机器人手臂在加工槽特征时，目前还是较多的依靠铣刀沿槽的深度方向和长度方向运动，这种精细的动作对机器人手臂的运动精度要求较高，编程复杂。

综上，迫切需要设计一种机床或附件，解决现有技术中的问题：

1、加工槽类特征的机床结构复杂、成本高、占用空间大不便于携带收纳；

2、加工槽类特征效率低；

3、无法加工出外口小内部大的梯形槽；

4、现有钻铣床无法升级；

5、机器人手臂加工槽类特征精度要求高、编程复杂。

技术实现要素：

本发明主要旨在解决现有技术中：加工槽类特征的机床结构复杂、成本高、占用空间大不便于携带收纳；加工槽类特征效率低；无法加工出梯形槽的问题，提供一种摆动式机床。

为了实现上述目的，所述的方案如下：

提供一种开槽机床，其特征是，由动力头和床身组成；动力头驱动夹头绕一个固定的轴线摆动，摆动的幅度可以调节；床身引导动力头和待加工物做可控的相互运动；床身可以保持动力头和待加工物的相对位置。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，动力头由保持架、底板、动力模块、摆动模块和变幅模块组成；保持架绕固定在底板上的轴线做摆动运动；动力模块与保持架第一端固连，动力模块驱动夹头旋转；摆动模块与保持架第二端固连，摆动模块驱动摆动轴绕一个固定在保持架上的轴线转动，摆动轴沿固定在底板上的直线做往复直线运动；变幅模块可以调节并保持这个固定在保持架上的轴线与保持架的摆动轴线的距离。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，摆动模块驱动摆动轴绕一个固定在保持架上的轴线转动；这个固定在保持架上的轴线与保持架的摆动轴线平行；这个固定在保持架上的轴线与摆动轴平行；这个固定在保持架上的轴线与夹头旋转轴线相交。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，摆动轴沿固定在底板上的直线做往复直线运动，固定在底板上的直线与保持架的摆动轴线相交。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，保持架是内部有空腔的拉伸体，内部的空腔用于容纳动力模块、摆动模块和变幅模块；底板呈板状，底板的第一端固连摆动支撑，摆动支撑第一端与底板固连，摆动支撑第二端设有一个圆孔，保持架第一端的侧面设有一个圆柱凸轴，摆动支撑第二端的圆孔与保持架第一端圆柱凸轴旋转配合。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，动力模块包括电机、夹头、减速器；电机的壳体与保持架的第一端固连，电机的第一驱动轴与减速器的输入端连接，减速器的输出端轴与夹头同轴固连。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，摆动模块包括传动架、曲柄、摆动轴、滑槽；传动架与保持架第二端固连，传动架具有输入端和输出端，输出端的轴线与保持架和底板摆动连接的轴线平行，输出端与摆动轴通过曲柄固连，摆动轴的轴线与输出端的轴线平行但是不重合；传动架的输入端由动力模块驱动，传动架输入端接受的扭矩传递给输出端驱动摆动轴绕输出端的轴线旋转；摆动轴在固设在底板上的滑槽中滑动。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，变幅模块包括变幅导轨、变幅滑块、制动器、变幅螺杆、数控电机；变幅导轨沿平行于夹头轴线的方向固设在保持架的内部，变幅滑块沿变幅导轨导引的方向滑动，传动架与变幅滑块固连；变幅螺杆第一端与传动架上对应的螺纹副配接，变幅螺杆第二端与端盖转动连接，端盖固设在保持架的第二端，数控电机的输出端与变幅螺杆第二端同轴固连。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，床身包括基板、第一导向装置、第二导向装置和夹具；第一导向装置与动力头固连，第一导向装置引导动力头沿直线运动并可以精确的控制位移；第二导向装置和夹具固连，第二导向装置引导夹具沿直线运动并可以精确的控制位移；夹具用来夹持待加工物；第一导向装置和第二导向装置各自引导的方向相互垂直，第一导向装置引导的方向与夹头做摆动动作时的对称线平行，第二导向装置引导的方向与保持架摆动的轴线平行。

进一步地，所述的开槽机床，其特征是，还可以包括第三导向装置；第三导向装置引导的方向与第一导向装置引导的方向垂直，第三导向装置引导的方向还与第二导向装置引导的方向垂直，第三导向装置引导夹具和动力头沿直线运动并可以精确的控制夹具和动力头相对位移。

本发明结构简单紧凑、加工效率高、可以加工外口小内部大的梯形槽，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是动力头侧视图及局部剖视图；

图2是动力头顶视图；

图3是动力头立体视图，且剖切保持架以利于表达内部结构；

图4是动力头运动几何关系示意图；

图5是动力头应用数控电机的方案；

图6是应用动力头的床身立体视图；

图7是动力头与床身结合的立体视图；

图8是动力头与钻铣床结合的立体视图；

图9是动力头与机器人手臂结合的立体视图。

图中标记为：

1、动力头；

11、保持架；111、端盖；

12、摆动支撑；

13、底板；

141、电机；142、减速器；143、夹头；144、刀具；145、第二驱动轴；

151、传动架；152、第一齿轮；153、第二齿轮；1531、第二齿轮轴；154、曲柄；155、摆动轴；156、滑槽；

161、变幅导轨；162、变幅滑块；163、制动器；164、变幅螺杆；165、变幅手轮；166、数控电机；

2、定距工装；

3、床身；

31、基板；

321、第一导轨；322、第一滑块；3231、第一丝杆；3232、第一手轮；

331、第二导轨；332、第二滑块；3331、第二丝杆；3332、第二手轮；

341、卡钳体；342、卡钳爪；343、装夹丝杆；

4、钻铣床；

5、机器人手臂。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1、图2和图3所示，动力头1驱动夹头143绕一个固定的轴线摆动，摆动的幅度可以调节。

进一步的，动力头1由保持架11、底板13、动力模块、摆动模块和变幅模块组成。

保持架11绕固定在底板13上的轴线做摆动运动，动力模块与保持架11第一端固连，动力模块驱动夹头143旋转，摆动模块与保持架11第二端固连，摆动模块驱动摆动轴155绕一个固定在保持架11上的轴线转动，这个固定在保持架11上的轴线与保持架11的摆动轴线平行，这个固定在保持架11上的轴线与摆动轴155平行，进一步的，这个固定在保持架11上的轴线还与夹头143旋转轴线相交；摆动轴155沿固定在底板13上的直线做往复直线运动，进一步的，固定在底板13上的直线与保持架11的摆动轴线相交。

更进一步的，变幅模块可以精确的调节并保持这个固定在保持架11上的轴线与保持架11的摆动轴线的距离。

当动力模块驱动夹头143旋转时，摆动模块驱动摆动轴155绕一个固定在保持架11上的轴线转动，并且摆动轴155沿固定在底板13上的直线做往复直线运动，使得保持架11绕固定在底板13上的轴线做摆动运动，夹头143的端面也随着保持架11一起做摆动运动，床身3或其他进给装置的推动动力头1进给，夹头143夹持的刀具144的端面扫略出槽特征。

具体的，

动力头1，方案一，如图1、图2和图3所示，

保持架11是内部有空腔的拉伸体，内部的空腔用于容纳动力模块、摆动模块和变幅模块，底板13呈板状，保持架11与底板13摆动连接，进一步的，底板13的第一端固连摆动支撑12，摆动支撑12侧视呈l形，摆动支撑12第一端与底板13固连，摆动支撑12第二端设有一个圆孔，保持架11第一端的侧面设有一个圆柱凸轴，摆动支撑12第二端的圆孔与保持架11第一端圆柱凸轴旋转配合，这个圆柱凸轴与摆动支撑12第二端的圆孔径向只有微小的配合间隙，这个圆柱凸轴的高度微小的超出圆孔的高度，圆柱的端面上设有螺柱，螺母旋紧在圆柱端面的螺柱上，实现保持架11与摆动支撑12的摆动连接关系。

动力模块包括电机141和夹头143，还可以包括减速器142和第二驱动轴145。电机141的第一驱动轴与夹头143同轴固连，电机141的壳体与保持架11的第一端固连，进一步的，电机141的第一驱动轴与减速器142的输入端连接，减速器142的输出端轴与夹头143同轴固连；减速器142将电机141的第一驱动轴的扭矩减速放大后驱动夹头143转动，夹头143夹持刀具144转动产生切削运动，进一步的，刀具144是铣刀。作为优选，夹头143的轴线与保持架11和摆动支撑12的摆动轴线相交；更进一步的，夹头143的轴线与保持架11和摆动支撑12的摆动轴线相交并垂直。

摆动模块包括传动架151、曲柄154、摆动轴155、滑槽156，还可以包括第一齿轮152、第二齿轮153、第二齿轮轴1531。传动架151与保持架11第二端固连，传动架151具有输入端和输出端，输出端的轴线与保持架11和底板13摆动连接的轴线平行，输出端与摆动轴155通过曲柄154固连，摆动轴155的轴线与输出端的轴线平行但是不重合，传动架151的输入端由动力模块驱动，具体的，传动架151的输入端与电机141的第二驱动轴连接，由电机141驱动；传动架151的输入端也可以用额外的电机驱动；传动架151输入端接受的扭矩传递给输出端驱动摆动轴155绕输出端的轴线旋转，作为优先，传动架151输出端的轴线与夹头143的轴线相交。更详细的，传动架151与保持架11的内壁固连，传动架151设有两个孔，其轴线相互垂直并相交，这两个孔上分别设置第一齿轮152和第二齿轮153，他们相互啮合优选圆锥齿轮，第一齿轮152驱动第二齿轮153转动，且第一齿轮152的转速高于第二齿轮153，第一齿轮152与电机141的第二驱动轴145固连，第一齿轮152由电机141驱动，第二齿轮153与第二齿轮轴1531同轴固连，第二齿轮轴1531与曲柄154的第一端固连，曲柄154的第二端与摆动轴155固连，第二齿轮轴1531的轴线与摆动轴155的轴线平行，第二齿轮轴1531的轴线与夹头143垂直并相交。摆动轴155在固设在底板13上的滑槽156中滑动，滑槽156与摆动轴155之间配合的径向间隙微小，滑槽156的长度方向优选直线，且过保持架11和底板13摆动轴线，进一步的，滑槽156是一个板状的中部具有槽特征的板件，通过装配的方式固设在底板13的上表面，这样便于安装调试。

为了使得夹头143摆动的幅度可调，即为了可以加工不同长度的槽，设计变幅模块以精确的调节并保持摆动模块与保持架11的摆动轴线的距离。变幅模块包括变幅导轨161、变幅滑块162、制动器163、变幅螺杆164、变幅手轮165。变幅导轨161沿平行于夹头143轴线的方向固设在保持架11的内部，变幅滑块162沿变幅导轨161导引的方向滑动，传动架151与变幅滑块162固连；第一齿轮152与电机141的第二驱动轴145沿轴线是滑动配合且能供传递扭矩，优选选单键槽配合，可选花键配合等其他功能类似的方式；变幅螺杆164第一端与传动架151上对应的螺纹副配接，变幅螺杆164第二端与端盖111转动连接，端盖111固设在保持架11的第二端，变幅手轮165与变幅螺杆164第二端同轴固连，变幅手轮165圆周设有刻度，端盖111也设有标线，转动变幅手轮165从而精确的移动传动架151，为了传动架151能够停留在设定位置，变幅滑块162上设置制动器163，可以实现变幅滑块162与变幅导轨161之间相对位置的制动和解除。第二驱动轴145和制动器163穿过了保持架11，为了不影响摆动模块的移动，保持架11在第二驱动轴145和制动器163运动扫略区域设置长槽避让。

当动力头1摆动幅度较小时，床身3或其他进给装置的推动动力头1进给，刀具144铣削出一定深度的槽，然后在变幅模块的调节下动力头1摆动幅度增大，将上述的槽进一步扩大，但是由于动力头1摆动幅度在增大的过程中，并没有进给动作，这时即加工出外口小内部大的梯形槽(沿槽长度方向的剖面)，最后在变幅模块的调节下动力头1摆动幅度减小，动力头1退刀，将刀具144带出梯形槽，完成梯形槽的加工。

如图4所示，为了能精确的得出传动架151的移动量与刀具144摆动包络的长度(即此时加工的槽长度)之间的关系，做以下解析。图4中，水平方向的点划线是刀具144做摆动动作时的对称线；a值是刀具144装夹在夹头143后，刀具144端面与保持架11的摆动轴线的距离；b值是传动架151输出端的轴线与摆动轴155的轴线距离；m值是传动架151输出端的轴线与保持架11的摆动轴线的距离，可以在动力头1出厂时测量此值，再将变幅手轮165或其他变幅测量装置置零，此后只需知道变幅手轮165或其他变幅测量装置驱动传动架151运动的位移量，即可得知m值；r值是刀具144的半径；θ值是保持架11的摆动角度的一半；l值是刀具144摆动包络的长度(即此时加工的槽长度)。问题转化为求解l值与m值之间的关系即l＝f(m)，解析结果如下。

如图1至图4所示，l＝f(m)的关系中，除了a值和r值以外，其余参数m和b都是可以通过动力头1的制造和生产、以及出厂前的调试来保证的，r值可以通过外径测量设备方便的测量获得，刀具144的重复装夹会导致实际a值与预设值的不相符，为了避免这个问题出现，设计定距工装2便于装配刀具时获得与预设值相符的a值。定距工装2由两个支撑腿和限位面组成，支撑腿和限位面之间有确定稳固的距离关系，保持架11第一端设有与定距工装2的支撑腿配合的支撑面，支撑面与保持架11摆动轴线具有确定稳固的距离关系。安装刀具144时，将定距工装2的支撑腿与保持架11对应的支撑面贴合，将刀具144的端面与定距工装2的限位面贴合，即使得刀具144端面与保持架11的摆动轴线的距离与预设值相符。

动力头1，方案二，如图5所示，

在动力头1方案一的基础上，将变幅螺杆164由变幅手轮165驱动，更换由数控电机166驱动，数控电机166可以是步进电机、伺服电机等可以将电信号转换为精确的转动角度的电机，数控电机166的输出端与变幅螺杆164的第二端同轴固连，数控电机166壳体与端盖111固连。由于数控电机166具有自锁的特性，故可以取消制动器163。另外，数控电机166可以执行上位机发出的指令驱动传动架151移动，上位机计算l＝f(m)的关系，可以迅速的调节刀具144位于需求的l值的状态；还有一个好处，使用不同规格的刀具144、重新装夹刀具后，只要将刀具直径r值、实测的刀具144端面相对保持架11摆动轴线距离a值，输入上位机，就可以更新l＝f(m)的关系，使得与动力头1实际几何关系匹配。

应用上述动力头1方案一或方案二的机床，

如图6和图7所示，机床由动力头1和床身3组成。

床身3引导动力头1和待加工物做可控的相互运动；床身3可以保持动力头1和待加工物的相对位置。

具体的，床身3包括基板31、第一导向装置、第二导向装置和夹具。第一导向装置与动力头1固连，第一导向装置引导动力头1沿直线运动并可以精确的控制位移；第二导向装置和夹具固连，第二导向装置引导夹具沿直线运动并可以精确的控制位移，夹具用来夹持待加工物；第一导向装置和第二导向装置各自引导的方向相互垂直，第一导向装置引导的方向与夹头143做摆动动作时的对称线平行，第二导向装置引导的方向与保持架11摆动的轴线平行。

更具体的，基板31由下板和垂直于下板的侧板组成，第一导向装置包括第一导轨321、第一滑块322、第一丝杆3231和第一手轮3232。第一导轨321与下板固连，第一滑块322在第一导轨321上沿直线滑动，第一丝杆3231第一端与第一滑块322螺纹连接，第一丝杆3231第二端与第一导轨321转动连接，第一手轮3232与第一丝杆3231第二端同轴固连，第一手轮3232圆周设有刻度，转动第一手轮3232实现对第一滑块322位移的精确控制，动力头1的底板与第一滑块322固连，第一滑块322运动的方向与刀具144做摆动动作时的对称线平行。第二导向装置包括第二导轨331、第二滑块332、第二丝杆3331和第二手轮3332。第二导轨331与侧板固连，第二滑块332在第二导轨331上沿直线滑动，第二丝杆3331第一端与第二滑块332螺纹连接，第二丝杆3331第二端与第二导轨331转动连接，第二手轮3332与第二丝杆3331第二端同轴固连，第二手轮3332圆周设有刻度，转动第二手轮3332实现对第二滑块332位移的精确控制，夹具与第二滑块332固连，第二滑块332运动的方向与保持架11摆动的轴线平行。夹具包括卡钳体341、卡钳爪342和装夹丝杆343，卡钳体341和卡钳爪342在装夹丝杆343作用下夹持待加工物，卡钳体341与第二滑块332固连。

床身3还可以包括第三导向装置，第三导向装置引导的方向与第一导向装置引导的方向垂直，第三导向装置引导的方向还与第二导向装置引导的方向垂直，第三导向装置引导夹具和动力头1沿直线运动并可以精确的控制夹具和动力头1相对位移。更具体的，优选，第三导向装置设置在第一导向装置与动力头1之间；次选，第三导向装置设置在第二导向装置与夹具之间。

如图8所示，现有技术中的钻铣床4(钻床或者铣床，又或者兼具钻铣功能的机床)的现有结构与上述的床身3的结构是类似的，将动力头1当做单独的附件，动力头1的底板13与钻铣床4的z轴升降机构固连，扩展了现有钻铣床4的应用范围，起到了对现有钻铣床4升级的作用。

当钻铣床4是数控机床时，动力头1的数控电机166受控于钻铣床4的控制器。

如图9所示，机器人手臂5是现有技术中依靠数控指令精确运动的机构，动力头1的底板13与机器人手臂5远端的手部固连，动力头1的数控电机166受控于机器人手臂5的控制器，使得机器人手臂5加工槽类特征精度高、编程简单。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。