可換刀快刀裝置的製作方法

2023-07-03 19:38:11

本實用新型涉及快刀伺服加工技術領域，尤其涉及一種可換刀快刀裝置。

背景技術：

光學微結構廣泛應用於軍事和民用行業，與生產和生活關係緊密，由於微結構光學元件表面為形狀複雜的高精度、非對稱表面，傳統加工方法如靠模仿形、研磨拋光等，有的效率很低，有的不能滿足技術指標要求。近年來發展起來的一些微結構表面製造技術，如電子束直寫技術、雷射束直寫技術、光刻技術、蝕刻技術、沉積和影像蝕刻技術、LIGA技術等，存在一定的局限，如對材料和設備要求高、刻蝕圖形邊緣不清晰、難以製作大F數的微透鏡陣列、加工精度的一致性較差、工藝可控性不好、對環境有汙染等。

快刀伺服車削加工能同時滿足超精密加工高精度、高效率的要求，是解決微結構光學元件加工困難的有效途徑。針對光學微結構應用的廣泛和作用的巨大，快刀伺服車削加工迅速發展起來。各國都在快刀伺服車削加工技術上投入了大量的人力物力，以期佔領技術上的高地。

採用超精密車削技術加工微結構，具有其它方法所不具備的許多優勢，例如，能夠加工出真正的三維結構，加工零件的輪廓精度達到亞微米級，無須後續拋光處理即可達到納米級表面粗糙度，加工效率高，可加工的零件尺度相對較大等。因此隨著超精密加工技術的發展，使用超精密切削的方法加工微結構表面成為微製造領域非常重要的發展方向，受到了國內外的廣泛重視。傳統超精密車削僅限於加工迴轉對稱型零件，無法滿足微光學等複雜面形零件的加工要求。針對這種情況，一些學者對車削加工的進刀方式進行了改進，發展了超精密快刀伺服車削加工技術，通過採用高頻響、高精度的刀具驅動裝置，在主軸角度反饋的基礎上，金剛石刀具實時跟蹤工件面形的變化，以實現光學微結構等複雜面形零件的精密高效加工。這種方式可以重複加工具有複雜形狀的各種異形元件，一次加工即可獲得很高的零件尺寸精度、形狀精度和很低的表面粗糙度，能夠實現光學微結構的高效率、高精度、柔性化加工，且經濟性好。

由於一些零件加工工藝的要求，在超精密快刀伺服車削加工時，需要有粗加工和精加工等加工工序，或者由於零件是由多種不同材料構成，導致在加工這類零件時，需要在加工過程中進行換刀操作，當換刀完成後，還需要重新對刀，這就使得零件的加工精度受到影響。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種可換刀快刀裝置，能夠在換刀後也能保證零件的加工精度。

為了實現上述目的，本實用新型提供了一種可換刀快刀裝置，所述可換刀快刀裝置包括底座、安裝在所述底座上的直線電機、滑動件、用於檢測所述滑動件的滑動位移的光柵尺和驅動所述滑動件轉動的驅動組件，所述滑動件包括固定部分和可以在所述固定部分上滑動的滑動部分，所述固定部分可轉動地安裝在所述底座上，所述驅動組件能夠驅動所述滑動件的固定部分轉動，當所述固定部分轉動時，所述滑動部分隨著所述固定部分一起轉動，所述滑動部分的一端可轉動地連接在所述直線電機的輸出軸上，所述滑動部分的另一端固定安裝有刀盤，所述直線電機的輸出軸的運動方向與所述滑動部分的滑動方向平行或重合，所述刀盤上安裝有至少兩把刀具。

優選地，所述直線電機為音圈電機。

優選地，所述滑動件的固定部分和滑動部分分別為滾珠花鍵母和安裝在所述滾珠花鍵母上的滾珠花鍵軸。

優選地，所述刀具的數量為三把，三把所述刀具圍繞所述刀盤的軸線均勻分布。

優選地，所述驅動組件包括固定套裝在所述滑動件的固定部分上的大齒輪、與所述大齒輪嚙合的小齒輪和驅動所述小齒輪轉動的電機。

優選地，所述驅動組件還包括齒輪限位機構。

優選地，所述齒輪限位機構包括固定安裝在所述底座上的導軌、安裝在所述導軌上的導軌滑塊、安裝在導軌滑塊上並且能夠固定所述大齒輪或小齒輪的定位件和用於驅動所述導軌滑塊滑動的驅動件。

優選地，所述驅動件的輸出軸通過杆端關節軸承與所述導軌滑塊或定位件連接。

優選地，所述定位件為能夠與所述大齒輪或小齒輪嚙合的齒條。

優選地，所述電機為伺服電機，所述驅動件為氣缸，所述小齒輪通過漲緊套固定安裝在所述電機的輸出軸上。

本實用新型與現有技術的不同之處在於，本實用新型提供的可換刀快刀裝置通過將直線電機的輸出軸與滑動件的滑動部分連接，並將刀盤安裝在滑動部分的另一端，直線電機可以通過滑動部分驅動刀盤上的刀具產生高頻響、小範圍的快速精密進刀運動，該進刀運動與高精度的主軸迴轉和徑向進給運動配合，可以完成複雜面形零件的精密高效加工；在加工過程中，當需要換刀時，可以通過驅動組件驅動所述滑動件的固定部分轉動，固定部分能夠帶動滑動部分隨之一起轉動，從而帶動安裝在滑動部分上的刀盤轉動，當刀盤上安裝的需要更換的刀具旋轉到位時，停止轉動滑動件的固定部分，然後繼續加工即可，因此，本實用新型提供的可換刀快刀裝置可以只進行一次對刀就能夠完成零件的加工，在換刀後也能保證零件的加工精度，實現複雜光學面形的高效高精度加工。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的一種實施方式的可換刀快刀裝置的結構示意圖；

圖2是圖1中沿A-A方向的剖視圖；

圖3是圖1中沿B-B方向的剖視圖；

附圖標記說明：

1-底座；2-音圈電機；3-刀盤；4-刀具；5-滾珠花鍵母；6-滾珠花鍵軸；7-大齒輪；8-小齒輪；9-電機；10-導軌；11-導軌滑塊；12-定位件；13-驅動件；14-杆端關節軸承；15-光柵尺讀數頭；16-讀數頭支架；17-光柵尺安裝板；18-電機座。

具體實施方式

下面結合附圖和實施方式對本實用新型進一步說明。但這些例舉性實施方式的用途和目的僅用來例舉本實用新型，並非對本實用新型的實際保護範圍構成任何形式的任何限定，更非將本實用新型的保護範圍局限於此。

在本實用新型中限定了一些方位詞，在未作出相反說明的情況下，所使用的方位詞如「上、下、左、右」是指本實用新型提供的可換刀快刀裝置在正常使用情況下定義的，並與附圖2中所示的上下左右方向一致。「內、外」是指相對於各零部件本身輪廓的內外。這些方位詞是為了便於理解而採用的，因而不構成對本實用新型保護範圍的限制。

在本實用新型中，當零部件被稱為「固定」在另一個零部件上，它可以直接在另一個零部件上，或者也可以存在居中的零部件。當一個零部件被認為是「連接」另一個零部件，它可以是直接連接到另一個零部件或者可能同時存在居中零部件。當一個零部件被認為是「設置」在另一個零部件上，它可以是直接設置在另一個零部件上或者可能同時存在居中零部件。

適當參考圖1、圖2所示，本實用新型提供的基本實施方式的可換刀快刀裝置可以包括底座1、安裝在所述底座1上的直線電機、滑動件、用於檢測所述滑動件的滑動位移的光柵尺和驅動所述滑動件轉動的驅動組件，所述滑動件包括固定部分和可以在所述固定部分上滑動的滑動部分，所述固定部分可轉動地安裝在所述底座1上，所述驅動組件能夠驅動所述滑動件的固定部分轉動，當所述固定部分轉動時，所述滑動部分隨著所述固定部分一起轉動，所述滑動部分的一端可轉動地連接在所述直線電機的輸出軸上，所述滑動部分的另一端固定安裝有刀盤3，所述直線電機的輸出軸的運動方向與所述滑動部分的滑動方向平行或重合，所述刀盤3上安裝有至少兩把刀具4。

在上述基本實施方式中，所述直線電機固定在底座1的右端，所述滑動件的固定部分通過軸承可轉動的安裝在底座1的左端，即所述固定部分可以繞著沿左右方向的軸線轉動，但不能沿左右方向移動。所述滑動件的滑動部分可以在固定部分上沿著左右方向高精度的滑動，所述滑動部分的左端固定有刀盤3，滑動部分的右端可以通過軸承與直線電機的輸出軸的左端連接，滑動部分的右端也可以通過其他連接件與直線電機的輸出軸轉動連接，以減少或避免滑動部分轉動時，直線電機的影響。其中所述直線電機的輸出軸的運動方向與所述滑動部分的滑動方向可以平行，也可以重合，優選直線電機的輸出軸的運動方向與滑動部分的滑動方向重合。所述光柵尺的標尺光柵通過光柵尺安裝板17固定安裝在刀盤3或者滑動部分上，光柵尺的光柵尺讀數頭15通過讀數頭支架16安裝在所述固定部分上，從而當直線電機驅動安裝在滑動部分上的刀盤上的刀具做高頻運動時，光柵尺就可以採集到刀具移動的數據，從而可以通過光柵尺實現刀具的精確定位。其中安裝在刀盤3上的刀具可以適應精密快刀伺服加工的刀具，一般採用金剛石刀具。

上述基本實施方式提供的可換刀快刀裝置在使用時，將其固定在工具機上，工具機的主軸帶動安裝在其上的待加工工件迴轉和徑向進給，同時通過直線電機驅動滑動件的滑動部分在固定部分上快速運動，從而驅動安裝在刀盤上的刀具做高頻響、小範圍的快速精密進刀運動，以完成複雜面形工件的精密高效加工。在加工過程中，當需要換刀時，可以通過驅動組件驅動所述滑動件的固定部分轉動，固定部分帶動滑動部分隨之一起轉動，從而帶動安裝在滑動部分上的刀盤3轉動，當刀盤3上安裝的需要更換的刀具4旋轉到位時，停止轉動滑動件的固定部分，然後繼續加工即可。因此，上述的可換刀快刀裝置通過一次加工即可獲得很高的尺寸精度、形狀精度和很低的表面粗糙度，能夠實現複雜光學面形的高效高精度加工。

在本實用新型中，為了進一步保證工件的加工效果，優選地，所述直線電機為音圈電機2，音圈電機2通過電機座18固定安裝在底座1上。音圈電機2是一種反應頻率很快的直驅式電機，其具有零磁滯、零磁槽效應，高響應、高精度、高加速、高速度、力特性好、控制方便、體積小、行程大、解析度無限小等優點，因此在本實用新型中通過使用音圈電機2，既能夠實現複雜微結構零件加工所需要的高頻響，也可以滿足加工高陡度複雜面形所需要的大行程(相對於壓電陶瓷驅動的方式)，可以更好地保證工件的加工效果。同時，通過對音圈電機的控制方法進行優化，可以進一步提高跟蹤精度和工作頻響。

在本實用新型中，所述滑動件是保證高精度加工和快速換刀的關鍵部件。其可以選用現有的任何能夠高精度滑動並能夠傳遞轉矩的結構。

在本實用新型的一個優選實施方式中，如圖2所示，所述滑動件的固定部分和滑動部分分別為滾珠花鍵母5和安裝在所述滾珠花鍵母5上的滾珠花鍵軸6。滾珠花鍵母5固定於軸承的內圈中(具體為通過軸承套和鎖母固定在軸承內圈中)，滾珠花鍵軸6的右端通過連接件與音圈電機的輸出軸連接在一起，滾珠花鍵軸6的左端安裝刀盤3，這樣在音圈電機驅動下，金剛石刀就可以做高頻切削。

所述滑動件為通過滾珠花鍵軸6和滾珠花鍵母5形成的滾珠花鍵副，滾珠花鍵軸6和滾珠花鍵母5可以進行相對直線運動，當滾珠花鍵母5利用其中的鋼球在經過精密磨削的滾珠花鍵軸6上作直線運動的同時，也可以傳遞扭矩。當扭矩由滾珠花鍵母5施加到滾珠花鍵軸6上，扭矩方向上的滾珠同時平穩、均勻傳遞載荷。因此，通過選用滾珠花鍵副作為本實用新型的滑動件，能夠實現刀具高頻響、高精度的運動，並且能夠保證換刀後的刀具定位精度。

當然在本實用新型中，所述滑動件還可以採用其他結構，例如可傳遞扭矩的直線導軌，此時直線導軌的固定元件(導軌)的外表面應當固定套裝有能夠安裝在軸承內圈中的套筒，以實現直線導軌可以轉動地安裝在底座1上。其中，底座1和安裝直線導軌的軸承之間可以設置安裝軸承座的支架，以便於軸承的安裝固定。

在本實用新型中，安裝所述刀盤3上刀具4的數量至少為兩把，即，刀盤3上安裝的刀具4的數量可以是兩把、三把或者更多把。刀具4在刀盤3上的布置方式可以根據換刀的控制方式具體設定，但至少應當與刀盤3的軸線的距離相等。

在本實用新型的優選實施方式中，所述刀具4的數量為三把，三把所述刀具4圍繞所述刀盤3的軸線均勻分布，從而使得所述驅動組件每次旋轉120度，就可以更換一把刀具，使得換刀的控制方式更加簡便。

所述驅動組件為用於驅動滑動件旋轉的結構，因此可以採用任何能夠精確控制轉動角度的輸出旋轉運動的結構。如通過電機驅動同步帶的形式。

在本實用新型中，優選地，參考圖3所示，所述驅動組件包括固定套裝在所述滑動件的固定部分上的大齒輪7、與所述大齒輪7嚙合的小齒輪8和驅動所述小齒輪8轉動的電機9。

具體地，大齒輪7固定安裝在滑動件的固定部分上，或者固定在軸承套的後端面上，電機9固定安裝在底座上，小齒輪8通過漲緊套15直接與電機9的輸出軸連接。這樣通過電機9旋轉就可以帶動滑動件(如滾珠花鍵母和滾珠花鍵軸)旋轉，從而可以帶動刀盤旋轉，實現換刀。由於通過小齒輪8帶動大齒輪7旋轉，因此可以更為精確的控制刀盤3的轉動角度。在該實施例方式中，為了保證刀具4的精確定位，所述電機9的輸出軸在不轉動時應當可以鎖死，即電機9的輸出軸在刀具轉動到位時能夠保持不轉動。

在上述實施方式的基礎上，本實用新型進一步改進為：所述驅動組件還包括齒輪限位機構。通過設置齒輪限位機構，以進一步保證刀具的定位精度。

所述齒輪限位機構可以採用現有的各種適當地限位的結構，例如，可以在大齒輪7或者小齒輪8的需要定位的位置上設置相應的定位孔，當大齒輪7或者小齒輪8轉動到位後，通過定位銷實現大齒輪7或者小齒輪8的定位。

在本實用新型的一個優選實施方式中，參考圖3所示，所述齒輪限位機構包括固定安裝在所述底座1上的導軌10、安裝在所述導軌10上的導軌滑塊11、安裝在導軌滑塊11上並且能夠固定所述大齒輪7或小齒輪8的定位件12和用於驅動所述導軌滑塊11滑動的驅動件13。

定位件12可以為任何能夠卡住齒輪的結構，優選地，所述定位件12為能夠與所述大齒輪7或小齒輪8嚙合的齒條。通過使用齒條與大齒輪7或小齒輪8嚙合，可以實現大齒輪7或者小齒輪8更加精確地定位。在本實用新型中，所述定位件12優選用於固定大齒輪7。

當需要換刀時，通過驅動件13驅動導軌滑塊11在導軌上遠離大齒輪7或小齒輪8滑動，使得定位件12與大齒輪7或小齒輪8脫離，然後通過驅動組件驅動刀盤3旋轉，使刀具4轉動到位，再通過驅動件13驅動導軌滑塊11在導軌10上朝著大齒輪7或者小齒輪8滑動，從而帶動安裝在導軌滑塊11上的定位件12(如齒條)滑動到大齒輪7或者小齒輪8的處，與大齒輪7或小齒輪8卡合(例如嚙合)，從而實現大齒輪7或者小齒輪8的固定。

在本實用新型中，所述驅動件13用於驅動所述導軌滑塊11運動，因此可以採用現有的任何輸出直線運動的機構，本實用新型中優選使用氣缸。

所述驅動件13可以直接和所述導軌滑塊11或定位件12連接，以驅動導軌滑塊11滑動。

在本實用新型的一個優選實施方式中，所述驅動件13的輸出軸通過杆端關節軸承14與所述導軌滑塊11或定位件12連接。通過杆端關節軸承14連接所述驅動件13和導軌滑塊11或定位件12，可以避免可換刀快刀裝置在進行高頻切削時將作用力通過大齒輪7、定位件12、導軌滑塊11傳遞到驅動件13上，而導致驅動件13的安裝位置發生的變化，因此通過設置杆端關節軸承14可以保證快速換刀時刀具4的定位精度。

進一步地，用於驅動所述小齒輪8轉動的所述電機9為伺服電機，從而可以實現更加精確地換刀定位。

在本實用新型的優選實施例中，通過音圈電機2驅動滾珠花鍵軸6高頻運動，通過齒輪傳動帶動滾珠花鍵軸6做旋轉運動，實現自動換刀，到位後通過氣缸帶動定位件12精確定位。並且安裝高精度光柵尺採集數據可以精確定位刀具4的位置。因此，本實用新型提供的可換刀快刀裝置配合高精度的工具機主軸迴轉和徑向進給運動實現了一次加工即可獲得很高的尺寸精度、形狀精度和很低的表面粗糙度。

以上實施方式的先後順序僅為便於描述，不代表實施方式的優劣。

最後應說明的是：以上實施方式僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施方式對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施方式所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施方式技術方案的精神和範圍。