一种用于数控机床的可变角度和增速传动的刀柄机构的制作方法

1.本发明属于数控加工技术领域，特别是涉及一种可用于数控机床的用于数控机床的可变角度的刀柄机构，具体来说，是基于锥齿轮传动和伺服电动缸的工作原理，提出一种兼具增速功能和数控机床三轴变四轴功能的装置。


背景技术：

2.面对数控技术及其装备高速、高精密、高效化的发展趋势及市场对产品形状要求复杂多样化、质量要求严格化的现实，多轴数控加工技术在生产中的优势凸显，然而，市场上也有很多的三轴数控机床升级四轴装置，但大多结构复杂，制造难度和成本高。
3.在使用微型铣刀和钻头加工或者是进行高速切削加工时，必须通过超高速的刀具旋转提高表面加工质量，同时也提高加工效率。如果机床主轴本身的转速达不到要求，就不得不借助其他设备来提高转速。主轴增速器即可大幅提升机床主轴刀具转速，从而使高速铣削、雕刻加工及孔钻削成为可能，而且还能获得更好的加工表面光洁度和精密度，并提高机床的加工效率。因此，主轴增速器被广泛应用于精密模具、微电子、医疗器械、精密仪器、航空能源等工业制造领域。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是提供一种用于数控机床的可变角度和增速传动的刀柄机构，基于锥齿轮传动原理，结合伺服电动缸动作实现刀柄轴与刀具安装轴之间的夹角变化，从而形成一种兼具主轴增速功能和刀具方位角动态可变的新型主轴刀柄装置，可以在三轴数控机床上实现四轴加工中心的刀具增速切削功能，极大提升传统三轴数控机床的加工能效，具有重要的工程应用价值。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种用于数控机床的可变角度和增速传动的刀柄机构，包括与数控机床的主轴套接的刀柄轴、用于套接刀具的刀具安装轴、实现所述刀具安装轴增速运动的传动组件、实现所述刀柄轴和所述刀具安装轴转动的转动组件以及实现所述刀具安装轴轴向运动的驱动组件；
6.所述刀柄轴和所述刀具安装轴分别通过第一轴承座、第二轴承座安装于数控机床。
7.进一步地说，所述转动组件包括中间轴、以及套接于所述中间轴的第一转动绞、第二转动绞、第三转动绞和第四转动绞；
8.第一转动绞和第四转动绞通过刀柄轴轴臂与所述刀柄轴连接，实现所述刀柄轴绕所述中间轴的轴线方向转动；
9.第二转动绞和第三转动绞通过刀具安装轴轴臂与所述刀具安装轴连接，实现所述刀具安装轴绕所述中间轴的轴线方向转动。
10.进一步地说，所述传动组件包括安装于所述刀柄轴端部的刀柄轴锥齿轮、安装于所述刀具安装轴端部的刀具安装轴锥齿轮、安装在所述中间轴上的中间轴第一锥齿轮和中
间轴第二锥齿轮，所述刀柄轴锥齿轮与所述中间轴第二锥齿轮啮合，所述刀具安装轴锥齿轮与所述中间轴第一锥齿轮啮合。
11.进一步地说，所述驱动组件包括伺服电动缸、第一电动缸推拉转动副和第二电动缸推拉转动副，所述第一电动缸推拉转动副、所述第二电动缸推拉转动副分别通过推拉杆与第一轴承座、第二轴承座连接；
12.所述伺服电动缸的缸体端通过所述第二电动缸推拉转动副与所述第一轴承座的推拉杆铰接，所述伺服电动缸的伸缩杆端通过第一电动缸推拉转动副与所述第二轴承座的推拉杆铰接。
13.进一步地说，所述刀柄轴、所述刀具安装轴分别通过轴承与所述第一轴承座、第二轴承座转动连接。
14.进一步地说，所述刀具安装轴套接螺旋铣刀，并通过刀具夹头实现刀具安装轴与螺旋铣刀两者的固定连接。
15.进一步地说，所述刀柄轴的端部加工有用于与数控机床的主轴连接的莫氏锥面。
16.本发明的有益效果：
17.本发明基于锥齿轮传动原理实现主轴刀柄增速功能，同时结合伺服电动缸作动机构动态调节刀具安装轴与刀柄轴绕中间轴轴线的夹角，可以突破在三轴数控加工中心上只能实现刀具与工件之间沿x、y、z方向相对平动的运动局限，使三轴数控加工中心也能实现绕上述中间轴轴线的刀具方位角变动，从而在切削功能上达到四轴数控机床的功能，同时通过主轴刀具增速，显著提升三轴数控加工中心的加工能效。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图之一；
19.图2是本发明的结构示意图之二。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
21.实施例：一种用于数控机床的可变角度和增速传动的刀柄机构，整个机构的输入轴为刀柄轴1，输出轴为刀具安装轴15，并且两轴轴线相交，刀柄轴和刀具安装轴分别通过第一轴承座3、第二轴承座17安装于数控机床。所述刀柄轴、所述刀具安装轴分别通过轴承与所述第一轴承座、第二轴承座转动连接。
22.所述刀具安装轴套接螺旋铣刀16，并通过刀具夹头21实现刀具安装轴与螺旋铣刀两者的固定连接。
23.所述刀柄轴的端部加工有用于与数控机床的主轴连接的莫氏锥面。
24.图1中，刀柄轴轴臂2通过第一转动铰4和第四转动铰7与中间轴20沿轴线铰接，因此刀柄轴轴臂2可绕着中间轴20的轴线相对转动；刀具安装轴轴臂12通过第二转动铰5和第三转动铰6与中间轴20沿轴线铰接，因此刀具安装轴轴臂12也可绕着中间轴20的轴线相对转动。刀柄轴1与中间轴20 的轴线垂直相交；刀具安装轴15与中间轴20的轴线垂直相交。
25.刀柄轴锥齿轮8安装于刀柄轴1端部，与安装在中间轴20上的中间轴第二锥齿轮9
啮合；刀具安装轴锥齿轮11安装于刀具安装轴15端部，与安装在中间轴20上的中间轴第一锥齿轮10啮合。本机构主轴动力由刀柄轴1输入，经由刀柄轴锥齿轮8与中间轴第二锥齿轮9、中间轴第一锥齿轮10与刀具安装轴锥齿轮11组成的二级锥齿轮副增速传动，从而实现对主轴刀具的增速传动。
26.图2中，刀柄轴轴臂2和刀具安装轴轴臂12上的推拉杆14分别与伺服电动缸13的缸体和伸缩杆用转动副铰接，刀柄轴与刀具安装轴分别通过轴承支承于刀柄轴轴臂和刀具安装轴轴臂的轴承座上。伺服电动缸13可通过电动缸第一电动缸推拉转动副18、第二电动缸推拉转动副19将伸缩杆的伸缩运动变换为刀具安装轴15绕中间轴20的摆动，从而使刀具安装轴15与主轴刀柄轴1之间的夹角动态可调，可实现从三轴数控加工中心向四轴数控加工中心的功能升级。
27.由于刀具安装轴轴臂12与中间轴20通过第二转动铰5、第三转动铰6相铰接，因此刀具安装轴15和刀具安装轴轴臂12整体可绕中间轴20的轴线相对摆动，且这种相对摆动不会影响刀具安装轴锥齿轮11与中间轴第一锥齿轮 10的啮合关系，故整个机构的总传动比可保持不变。
28.两对锥齿轮副用于传递主轴动力，实现从刀柄轴至刀具安装轴的增速传动，且无论是刀柄轴1连同刀柄轴轴臂2绕中间轴20转动，还是刀具安装轴 15连同刀具安装轴轴臂12绕着中间轴20转动都不会改变各齿轮之间的啮合关系及传动比，使三轴数控加工中心也能实现绕上述中间轴轴线的刀具方位角变动，从而在切削功能上达到四轴数控机床的功能，即实现数控加工中心的转型升级。
29.对本发明的刀柄轴锥齿轮增速器进行转速分析，可知刀柄轴锥齿轮8安装于刀柄轴1上，所以两者具有相同的转速；中间轴第二锥齿轮9、中间轴第一锥齿轮10均安装于中间轴20上，所以这三者具有相同的转速；同理，刀具安装轴锥齿轮11安装于刀具安装轴15上，所以两者具有相同的转速。
30.主轴刀柄增速器的增速比为：
[0031][0032]
其中，ω1,ω8,ω9,ω
10
,ω
11
,ω
15
——分别为刀柄轴1的转速、刀柄轴锥齿轮8的转速、中间轴第二锥齿轮9的转速、中间轴第一锥齿轮10的转速、刀具安装轴锥齿轮11的转速、刀具安装轴15的转速以及螺旋铣刀16的转速，单位为 r/min；
[0033]
z8,z9,z
10
,z
11
——分别为刀柄轴锥齿轮8的齿数、中间轴第二锥齿轮9的齿数、中间轴第一锥齿轮10的齿数、刀具安装轴锥齿轮11的齿数。
[0034]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。