雙擺頭及具有該雙擺頭的五軸運動系統的製作方法

2023-06-23 00:13:31

專利名稱：雙擺頭及具有該雙擺頭的五軸運動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及機械加工設備領域，特別地，涉及一種雙擺頭。此外，本發明還涉及一種包括上述雙擺頭的五軸運動系統。
背景技術：
目前，應用於機械加工中心上的雙擺頭，都採用盤式伺服電機作為C軸驅動裝置A 軸驅動裝置，雙擺頭工作時，盤式伺服電機的輸出軸直接與被驅動的裝置相連，帶動加工工具進行精確的加工。此種雙擺頭雖然加工精度較高，但是價格昂貴，無法應用到加工精度要求不高、低成本需求強烈的機械加工領域。例如，對於無模鑄造成形機，由於加工工件為砂塊，加工精度要求不高，若採用現有的雙擺頭，使得無模鑄造成型機的整體成本提高，無法滿足鑄件的單件、小批量的生產需求。因此，有必要提供一種成本較低雙擺頭，以適應小規模、低成本、精度要求不高的生產的需要。另外，安裝在雙擺頭上的加工工具，如銑刀等一般都由一個驅動裝置進行驅動，在加工工具進行作業時，驅動裝置處於高速運轉的狀態，會產生較多的熱量，使驅動裝置自身及周圍環境的溫度升高，容易影響驅動裝置的使用壽命。而且，對於無模鑄造成形機一類的加工設備，在對工件進行加工過程的過程中，會產生廢屑，對加工工具造成汙染，影響加工工具及整個加工設備的工作質量。

發明內容
本發明目的在於提供一種雙擺頭及具有該雙擺頭的五軸運動系統，以解決現有雙擺頭成本高、不能應用到無模鑄造成形機以及其他加工精度要求低、低成本加工需求強烈的加工設備上的技術問題。為實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種雙擺頭，包括C軸驅動裝置，具有C軸驅動軸；A軸驅動裝置，通過第一傳動機構與C軸驅動軸相連，並隨C軸驅動軸同步旋轉，並具有A軸驅動軸；加工裝置安裝座，通過第二傳動機構與A軸驅動裝置的輸出軸相連，並隨A軸驅動軸的轉動而擺動。進一步地，第一傳動機構包括C軸驅動裝置安裝座，C軸驅動裝置設置在C軸驅動裝置安裝座內；旋轉臺，設置於C軸驅動裝置安裝座的下方，與C軸驅動軸相連並隨C軸驅動軸同步轉動。進一步地，C軸驅動裝置安裝座具有與C軸驅動軸同軸的軸向階梯安裝孔，C軸驅動裝置的外殼卡在軸向階梯安裝孔的外階梯上，旋轉臺具有延伸至軸向階梯安裝孔內的凸起部，凸起部套設於C軸驅動軸的外周並與C軸驅動軸相連，凸起部的外周與軸向階梯安裝孔的內壁之間設置有滾子軸承。進一步地，A軸驅動軸貫穿加工裝置安裝座，第二傳動機構包括套設在A軸驅動軸的第一端的傳動法蘭，傳動法蘭與A軸驅動軸鍵連接，傳動法蘭的朝向加工裝置安裝座的端面與加工裝置安裝座固定連接。
進一步地，旋轉臺的下方設置有A軸驅動裝置安裝座，A軸驅動裝置的外殼固定在 A軸驅動裝置安裝座的外側，A軸驅動軸貫穿A軸驅動裝置安裝座，傳動法蘭設置於A軸驅動裝置安裝座的第一側壁與加工裝置安裝座的第一側壁之間。進一步地，A軸驅動裝置安裝座的第二側壁的中部設置有與A軸驅動軸同軸的通孔，A軸驅動軸的第二端設置在通孔內，A軸驅動裝置安裝座的第二側壁與加工裝置安裝座的第二側壁之間設置有固定在加工裝置安裝座的第二側壁上的支撐法蘭，支撐法蘭具有延伸至通孔內並位於A軸驅動軸外周的支撐部，支撐部的外周與通孔的內壁之間設置有深溝球軸承。進一步地，A軸驅動裝置安裝座還包括底座，A軸驅動裝置安裝座的第一側壁與底座一體成型，A軸驅動裝置安裝座的第二側壁可拆卸地與底座相連。進一步地，C軸驅動裝置和A軸驅動裝置均為伺服電機。進一步地，加工裝置安裝座的上方設置有進氣口，下方設置有出氣口，進氣口通過第一輸氣管路與冷卻氣體供給源相連。進一步地，加工裝置安裝座的下方設置有加工裝置，加工裝置的上方設置有朝向加工裝置的吹氣嘴，吹氣嘴通過第二輸氣管路與冷卻氣體供給源的相連。根據本發明的另一個方面，還提供了五軸運動系統，包括XYZ三軸運動單元，還包括上述雙擺頭，該雙擺頭設置在XYZ三軸運動單元中的Z軸運動單元上。進一步地，雙擺頭的C軸驅動裝置通過C軸驅動裝置安裝座固定在Z軸運動單元中的Z軸運動滑塊上。本發明具有以下有益效果1.本發明提供的雙擺頭，利用第一傳動機構將C軸驅動裝置的輸出軸的動力傳遞給A軸驅動裝置，帶動A軸驅動裝置同步旋轉，再利用第二傳動機構，將A軸驅動裝置輸出軸的動力傳遞給加工裝置安裝座，進而可以採用普通的伺服電機代替盤式伺服電機實現動力的傳遞，從而實現降低雙擺頭的製造成本的目的。2.由於在加工裝置安裝座上設置便於冷卻氣體流通的進氣口和出氣口，因而能夠有效降低加工裝置的工作溫度，並在加工裝置的上方設置朝向加工裝置的吹風嘴，同時能夠對加工裝置進行清潔機降溫，提高加工裝置及其驅動裝置的使用壽命，提高雙擺頭及具有該雙擺頭的物質運動系統的工作效率。除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。 下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。


構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖1是本發明優選實施例的雙擺頭的剖視結構示意圖；圖2是本發明優選實施例的雙擺頭的整體結構示意圖；圖3是本發明優選實施例的加工裝置與冷卻氣體供給裝置之間的結構示意圖；以及圖4是本發明優選實施例的五軸運動系統的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。如圖1所示，根據本發明的一個方面，提供了一種雙擺頭，旨在主要應用於單件加工、批量小、精度要求不高並且對成本控制較為嚴格的機械加工設備中。該雙擺頭包括C軸驅動裝置21，具有C軸驅動軸211 ；A軸驅動裝置23，通過第一傳動機構與C軸驅動軸211相連，並隨C軸驅動軸211同步旋轉，並具有A軸驅動軸231 ； 加工裝置安裝座25，通過第二傳動機構與A軸驅動裝置22的輸出軸相連，並隨A軸驅動軸 231的轉動而擺動。本發明提供的雙擺頭利用第一傳動機構和第二傳動機構能將C軸驅動裝置21和 A軸驅動裝置23的輸出動力傳遞到下一級需要帶動的部件上，無需如盤式伺服電機一樣直接由驅動軸驅動需要帶動的部件轉動，這樣，就可以採用普通的伺服電機代替盤式伺服電機，雖然加工精度有所下降，但是製造成本會顯著下降，而且，對於無模鑄造成形機等加工精度要求相對低一些的加工設備而言，已經完全能夠滿足要求。第一傳動機構可以包括C軸驅動裝置安裝座213，C軸驅動裝置21設置在C軸驅動裝置安裝座213內；旋轉臺215，設置於C軸驅動裝置安裝座213的下方，與C軸驅動軸 211相連並隨C軸驅動軸211同步轉動。具體地說，C軸驅動裝置安裝座213具有與C軸驅動軸211同軸的軸向階梯安裝孔，C軸驅動裝置21的外殼卡在軸向階梯安裝孔的外階梯上，旋轉臺215具有延伸至軸向階梯安裝孔內的凸起部215a，凸起部215a套設於C軸驅動軸211的外周並與C軸驅動軸 211相連，凸起部215a的外周與軸向階梯安裝孔的內壁之間設置有滾子軸承217。滾子軸承217可以為圓錐滾子軸承，旋轉臺215的上部可以安裝有一對圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承上方用制動螺母218鎖緊，下方通過C軸驅動裝置安裝座213的肩臺固定。利用滾子軸承217可以實現旋轉臺215與C軸驅動裝置安裝座213之間的相對轉動，進而將C軸驅動軸211的驅動力傳遞給旋轉臺215。旋轉臺215的外側還設置有罩蓋 219。A軸驅動軸231貫穿加工裝置安裝座25，也可以說，加工裝置安裝座25從側面套設置在A軸驅動軸231上，此種情況下，第二傳動機構可以包括套設在A軸驅動軸231的第一端(圖1中加工裝置安裝座25左側)的傳動法蘭257，傳動法蘭257與A軸驅動軸231 鍵連接，傳動法蘭257的朝向加工裝置安裝座25的端面與加工裝置安裝座25的第一側面 (圖1中加工裝置安裝座25的左側外側面)固定連接。也就是說，傳動法蘭257通過花鍵與A軸驅動軸231同軸同步旋轉，加工裝置安裝座25在傳動法蘭257的帶動下，隨著A軸驅動軸231的旋轉而實現擺動(沿圖1中垂直於紙面的方向擺動)，進而帶動設置在加工裝置安裝座25內的加工裝置隨A軸驅動軸的旋轉而擺動。為了實現A軸驅動裝置23與旋轉臺215之間的連接，旋轉臺215的下方連接有A 軸驅動裝置安裝座，A軸驅動裝置安裝座具有開口向下的凹槽，A軸驅動裝置23的外殼固定在A軸驅動裝置安裝座的外側，加工裝置安裝座25設置在A軸驅動裝置安裝座的凹槽內。 A軸驅動軸231貫穿A軸驅動裝置安裝座(A軸驅動軸231依次從A軸驅動裝置安裝座的左側和加工裝置安裝座25的左側穿入，再從加工裝置安裝座25右側和A軸驅動裝置安裝座的右側穿出)，傳動法蘭257設置於A軸驅動裝置安裝座的第一側壁(左側壁)233與加工裝置安裝座25的第一側面(左側面)之間。為了起到對A軸驅動軸231的支撐作用，A軸驅動裝置安裝座的第二側壁235的中部設置有與A軸驅動軸231同軸的通孔，A軸驅動軸231的第二端設置在通孔內，A軸驅動裝置安裝座的第二側壁(右側壁)235與加工裝置安裝座25的第二側壁之間設置有固定在加工裝置安裝座25的第二側壁上的支撐法蘭259，支撐法蘭259具有延伸至第二側壁235 的通孔內並位於A軸驅動軸231外周的支撐部。為了支撐部能夠與通孔的內壁之間不會發生幹擾，使支撐部能夠隨著A軸驅動軸231的旋轉而旋轉，支撐部的外周與通孔的內壁之間可以設置深溝球軸承軸承258。深溝球軸承258的一側由A軸驅動裝安裝座的第二側壁235 的肩臺固定，另一側由軸承端蓋250固定，軸承端蓋250通過螺栓固定於第二側壁235上。A軸驅動裝置安裝座還包括底座，為了便於加工裝置安裝座25的安裝和拆卸，A軸驅動裝置安裝座的第一側壁233與底座一體成型構成L形基座，第二側壁235與L形基座之間為分體可拆卸連接。如圖2所示，為了起到對A軸驅動裝置23的保護作用，防止切削後的廢砂屑對A 軸驅動裝置23的汙染，A軸驅動裝置23的外側還可以設置有防護罩，該防護罩可以包括設置在A軸驅動裝置23的本體一側(第一側壁233的外側)的左防護罩237和設置在A軸驅動裝置23的A軸驅動軸的末端一側(第二側壁235的外側)的右防護罩239，左防護罩 237與L形基座233相連，右防護罩239與第二側壁235相連。第二傳動機構可以包括套設在A軸驅動軸231的第一端的傳動法蘭257，傳動法蘭 257與A軸驅動軸231鍵連接，傳動法蘭257的第二端面與加工裝置安裝座25的第一側面固定連接。通過上述的多個動力傳動機構，C軸驅動裝置21和A軸驅動裝置23採用普通的伺服電機即可，分別利用圓錐滾子軸承和深溝滾子軸承258就可以實現兩個伺服電機的動力的穩定輸出，結構簡單，易於實現，無需採用高精度的盤式伺服電機，大大降低了雙擺頭的製造成本。如圖3所示，由於加工裝置安裝座25內通常會設置高速運轉的驅動裝置，例如，對於無模鑄造成形機而言，加工裝置安裝座25內就會設置有用於驅動切削刀具的電主軸。驅動裝置在進行工作時，會產生較大的熱量，為了降低驅動裝置，如電主軸所處環境的溫度， 加工裝置安裝座25的頂面設置有進氣口，冷卻氣體供給源40的輸氣端通過第一輸氣管41 與進氣口相連。通過冷卻氣體供給源40以及設置於加工裝置安裝座25的頂面的進氣口， 可以將冷卻氣體吹送至驅動裝置所處的空間內，可以有效地降低驅動裝置的工作溫度，提高電主軸等驅動裝置的使用壽命。冷卻氣體供給源可以提供高壓冷卻氣體。為了使經過熱交換後的氣體從加工裝置安裝座25中排除，實現對驅動裝置降溫的效果，加工裝置安裝座25的下端面上還可以設置出氣口，以便於形成流通通路，降低加工裝置安裝座25內的溫度。通過在驅動裝置所在的空間內輸入高壓冷卻氣體，可以對驅動裝置進行必要的冷卻，提高驅動裝置的使用壽命，並能夠有效防止外部廢砂的侵入。當然，加工裝置安裝座25內也可以設置操作手等操作手柄等加工工具，採用上述冷卻方式，同樣能夠對操作手的工作機構起到一定的保護作用。為了對設置在加工裝置安裝座25下方的加工裝置，如切削刀具253進行更好的清潔，防止切削後的砂粒存留在刀具上降低刀具的切削效率，可以在切削刀具253的上方設置朝向切削刀具253的吹氣嘴43。吹氣嘴43上連接有第二輸氣管45，氣源同樣採用高壓冷卻氣體，第二輸氣管45可以與冷卻氣體供給源40的輸出端相連。切削刀具253通過卡頭256與設置在加工裝置安裝座25內的電主軸的轉子254相連接，並在電主軸的驅動下高速旋轉，通過朝向切削刀具253的吹氣嘴43，可以將高壓冷卻氣體吹送到切削刀具253上， 將切削刀具253上的碎屑吹掉，起到對切削刀具清潔的作用。對於操作手等其他形式的加工工具，同樣可以利用吹氣嘴43保持清潔及降溫。吹氣嘴43可以安裝在加工裝置安裝座25的下方，也可以利用其他工具安裝在切削刀具253的附近，只要能夠保證從吹氣嘴43中吹出的冷卻氣體能夠將切削刀具253上的碎屑吹掉即可。根據本發明的另一個方面，還提供了一種五軸運動系統，該五軸運動系統具有XYZ 三軸運動單元，還具有上述雙擺頭。如圖4所示，為了從整體上對本發明提供的五軸運動系統的結構進行說明，下面對本發明提供的五軸運動系統中的XYZ三軸運動單元進行說明。XYZ三軸運動單元中的X軸運動單元包括平行設置的第一 X軸運動導軌11和第二 X軸運動導軌13 ；第一 X軸運動導軌11和第二 X軸運動導軌13上各自設置兩個同步運動的X軸滑塊12以及連接在兩個X軸滑塊12之間的X軸滑塊連接板；X軸驅動電機15通過X軸傳動杆16同時驅動第一 X軸運動導軌11和第二 X軸運動導軌13上的滑塊沿X軸進行滑動。XYZ三軸運動單元中的Y軸運動單元包括平行設置的第一 Y軸運動導軌31和第二 Y軸運動32，第一 Y軸運動導軌31和第二 Y軸運動導軌32通過螺栓分別固定在第一 X軸運動導軌11和第二 X軸運動導軌13上的X軸滑塊連接板上；Y軸驅動電機33通過Y軸傳動杆34同時驅動第一 Y軸運動導軌31和第二 Y軸運動導軌32 ；第一 Y軸運動導軌31和第二 Y軸運動導軌32上各自設置有兩個Y軸滑塊35和連接在兩個Y軸滑塊35之間的Y軸滑塊連接板。Z軸運動單元包括垂直設置的Z軸運動導軌及設置在Z軸運動導軌上的Z軸運動滑塊(圖中未示出)，ζ軸運動滑塊與Y軸滑塊連接板固定連接，Z軸驅動電機53固定於Z 軸運動導軌的上部，Z軸運動滑塊在Z軸方向相對靜止，而是Z軸運動導軌整體相對於Z軸運動滑塊沿Z軸方向往復運動，Z軸運動導軌的底部設置有Z軸基座52，C軸驅動裝置21通過C軸驅動裝置安裝座213與Z軸基座52相連(參見圖2)，Z軸基座52上設置有將C軸驅動裝置、C軸驅動裝置安裝座及旋轉臺密封的Z軸蓋板51，並且C軸驅動裝置安裝座213 可以通過螺栓固定於Z軸基座52的下端。本發明提供的五軸運動系統，利用普通的伺服電機就能夠實現C軸運動和A軸運動，成本較低，可以應用到無模鑄造成形機中，使得無模鑄造成形機可以加工出結構尺寸較大、型腔曲面較為複雜、不易加工成形的大型複雜鑄件的鑄型。另外，對加工裝置安裝座內通入高壓冷卻氣體，使得加工裝置及其驅動裝置得到了必要的冷卻，並有效防止了外部廢砂的侵入，同時很好地對加工裝置進行清潔，提高加工裝置的整體使用壽命。
將上述五軸運動系統應用到無模鑄造成形機中，能夠有效地解決現有技術的無模鑄造成形機中不能加工結構尺寸較大、型腔曲面較複雜、不易加工成形的大型複雜鑄件的鑄型的問題，並且降低了無模鑄造成形機的製造成本。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雙擺頭，其特徵在於，包括C軸驅動裝置(21)，具有C軸驅動軸(211)；A軸驅動裝置(23)，通過第一傳動機構與所述C軸驅動軸(211)相連，並隨所述C軸驅動軸(211)同步旋轉，並具有A軸驅動軸(231)；加工裝置安裝座(25)，通過第二傳動機構與所述A軸驅動裝置(22)的輸出軸相連，並隨所述A軸驅動軸(231)的轉動而擺動。
2.根據權利要求1所述的雙擺頭，其特徵在於，所述第一傳動機構包括C軸驅動裝置安裝座(213)，所述C軸驅動裝置(21)設置在所述C軸驅動裝置安裝座 (213)內；旋轉臺(215)，設置於所述C軸驅動裝置安裝座(213)的下方，與所述C軸驅動軸(211) 相連並隨所述C軸驅動軸(211)同步轉動，所述A軸驅動裝置(23)與所述旋轉臺(215)相連接。
3.根據權利要求2所述的雙擺頭，其特徵在於，所述C軸驅動裝置安裝座(213)具有與所述C軸驅動軸(211)同軸的軸向階梯安裝孔，所述C軸驅動裝置(21)的外殼卡在所述軸向階梯安裝孔的外階梯上，所述旋轉臺(215)具有延伸至所述軸向階梯安裝孔內的凸起部(215a)，所述凸起部(215a)套設於所述C軸驅動軸(211)的外周並與所述C軸驅動軸 (211)相連接，所述凸起部(215a)的外周與所述軸向階梯安裝孔的內壁之間設置有滾子軸承(217)。
4.根據權利要求2所述的雙擺頭，其特徵在於，所述A軸驅動軸(231)貫穿所述加工裝置安裝座(25)，所述第二傳動機構包括套設在所述A軸驅動軸(231)的第一端的傳動法蘭(257)，所述傳動法蘭(257)與所述A軸驅動軸(231)鍵連接，所述傳動法蘭(257)的朝向所述加工裝置安裝座(25)的端面與所述加工裝置安裝座(25)固定連接。
5.根據權利要求4所述的雙擺頭，其特徵在於，所述旋轉臺(215)的下方設置有A軸驅動裝置安裝座，所述A軸驅動裝置(23)的外殼固定在所述A軸驅動裝置安裝座的外側，所述A軸驅動軸(231)貫穿所述A軸驅動裝置安裝座，所述傳動法蘭(257)設置於所述A軸驅動裝置安裝座的第一側壁(233)與所述加工裝置安裝座(25)的第一側壁之間。
6.根據權利要求5所述的雙擺頭，其特徵在於，所述A軸驅動裝置安裝座的第二側壁 (235)的中部設置有與所述A軸驅動軸(231)同軸的通孔，所述A軸驅動軸(231)的第二端設置在所述通孔內，所述A軸驅動裝置安裝座的第二側壁(235)與所述加工裝置安裝座 (25)的第二側壁之間設置有固定在加工裝置安裝座(25)的第二側壁上的支撐法蘭(259)， 所述支撐法蘭(259)具有延伸至所述通孔內並位於所述A軸驅動軸(231)外周的支撐部， 所述支撐部的外周與所述通孔的內壁之間設置有深溝球軸承(258)。
7.根據權利要求6所述的雙擺頭，其特徵在於，所述A軸驅動裝置安裝座還包括底座， 所述第一側壁(233)與所述底座一體成型，所述A軸驅動裝置安裝座的第二側壁(235)可拆卸地與所述底座相連。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的雙擺頭，其特徵在於，所述C軸驅動裝置(21) 和所述A軸驅動裝置(23)均為伺服電機。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的雙擺頭，其特徵在於，所述加工裝置安裝座 (25)的上方設置有進氣口，所述加工裝置安裝座(25)的下方設置有出氣口，所述進氣口通過第一輸氣管(41)與冷卻氣體供給源(40)相連。
10.根據權利要求9所述的雙擺頭，其特徵在於，所述加工裝置安裝座(25)的下方設置有加工裝置，所述加工裝置的上方設置有朝向所述加工裝置的吹氣嘴(43)，所述吹氣嘴 (43)通過第二輸氣管(45)與所述冷卻氣體供給源(40)的相連。
11.一種五軸運動系統，包括XYZ三軸運動單元，其特徵在於，還包括權利要求1至10 中任一項所述的雙擺頭，所述雙擺頭設置在所述XYZ三軸運動單元中的Z軸運動單元上。
12.根據權利要求11所述的五軸運動系統，其特徵在於，所述雙擺頭的所述C軸驅動裝置(21)通過C軸驅動裝置安裝座(213)固定在所述Z軸運動單元中的Z軸運動滑塊上。
全文摘要
本發明提供了一種雙擺頭及具有該雙擺頭的五軸運動系統。雙擺頭包括C軸驅動裝置，具有C軸驅動軸；A軸驅動裝置，通過第一傳動機構與C軸驅動軸相連，並隨C軸驅動軸同步旋轉，並具有A軸驅動軸；加工裝置安裝座，通過第二傳動機構與A軸驅動裝置的輸出軸相連，並隨A軸驅動軸的轉動而擺動。本發明提供的雙擺頭，利用第一傳動機構和第二傳動機構，將C軸驅動裝置和A軸驅動裝置的動力傳遞給需要被帶動的加工裝置，就可以採用普通的伺服電機代替盤式伺服電機，進而可以降低雙擺頭的製造成本，並能夠符合無模鑄造成形機等對加工精度要求不高的加工設備的需要。
文檔編號B23Q11/00GK102357828SQ20111032383
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年10月21日
發明者劉豐, 劉麗敏, 單忠德 申請人:機械科學研究總院先進位造技術研究中心