擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置制造方法
【專利摘要】一種擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，它包括主軸（22）和水切割頭（17），主軸（22）帶動水切割頭（17）作水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸（22）在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下作左右、上下和前后的三維運(yùn)動，水切割頭（17）和水開關(guān)（20）安裝在水開關(guān)座（19）上，其特征是所述的水開關(guān)座（19）安裝在諧波減速機(jī)（12）的輸出軸上，諧波減速機(jī)（12）由擺動軸伺服電機(jī)（7）通過同步帶（9）驅(qū)動，諧波減速機(jī)（12）帶動水切割頭（17）作垂直平面內(nèi)的偏擺運(yùn)動，所述的主軸（22）的軸線與諧波減速機(jī)（12）輸出軸的軸線夾角為90度，所述的諧波減速機(jī)（12）的輸出軸的最大偏擺角為±90度。本發(fā)明擺動范圍大，切割精度高。
【專利說明】擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水切IllJ技術(shù)，尤其是一種水切IllJ頭五軸(X、Y、Z、回轉(zhuǎn)、擺動)控制技術(shù)，具體地說是一種擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，水刀設(shè)備在進(jìn)行切割時，I)有時需要得到理想的垂直切割面，2)有時為了便于金屬板材的焊接連接，必須對斷面進(jìn)行坡口加工，3)切割圓錐體，4)切割圓錐齒輪或凸輪，5)切割等轉(zhuǎn)角的旋轉(zhuǎn)曲面，而要達(dá)到這五個目的，必須對水刀刀頭進(jìn)行偏擺。目前常用的方法有手動調(diào)整和通過偏擺機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整二種方式，手動調(diào)整只能適合于直線形切割面，而且調(diào)整的難度較大，效率低，操作強(qiáng)度大，必須停機(jī)才能進(jìn)行，因此，目前使用最為廣泛的是利用五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)的機(jī)動偏擺機(jī)構(gòu)，五軸聯(lián)動即刀頭的前后、左右、上下、回轉(zhuǎn)、偏擺五個方向的運(yùn)動，當(dāng)加工空間曲線或曲面時，必須進(jìn)行五軸聯(lián)動(為此人們設(shè)計了各種各樣的真五軸和準(zhǔn)五軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)，如申請?zhí)枮?007100246868的中國專利公開了以切入點(diǎn)為偏擺中心的偏刀機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)存在的問題是圓形導(dǎo)軌精度很難控制，而且在運(yùn)動過程中復(fù)位難，重復(fù)性較差，因此加工精度不高，而中國專利200910183362.8的公開的具有回轉(zhuǎn)和偏擺功能的五軸控制水切割頭運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)由于回轉(zhuǎn)和偏擺時切入點(diǎn)發(fā)生改變，存在編程軟件復(fù)雜，它利用同步皮帶來控制回轉(zhuǎn)軸和偏擺軸的運(yùn)行，不僅體積大，控制精度不高，而且回轉(zhuǎn)時存在電纜線、氣管等的纏繞問題，而且由于重量很大，因此對于機(jī)床的剛度要求很高。為了減少回轉(zhuǎn)和偏擺機(jī)構(gòu)的體積，人們普遍采用空心電機(jī)來直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)和偏擺機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)力矩小、精度低，形成的切割誤差大，在實(shí)際運(yùn)用中存在很多的問題，且空心電機(jī)制造成本高，運(yùn)行過程中不能實(shí)現(xiàn)自鎖，需要增設(shè)抱剎裝置，在很大程度上限制了五軸聯(lián)動水切割設(shè)備的推廣應(yīng)用。
[0003]申請?zhí)枮?011102077076和201220401836.9則較好地解決了上述問題，但 申請人:發(fā)現(xiàn)這兩個專利的五軸控制機(jī)構(gòu)由于擺動軸與主軸均采用45度夾角安裝，因此存在擺動角度小，易產(chǎn)生干擾的問題。由于切割頭始終位于主軸軸線與擺動軸軸線的交點(diǎn)，在切割有一定深度的工件的內(nèi)部時，機(jī)構(gòu)本體有可能與工件發(fā)生干涉。由于主軸軸線與擺動軸(擺動)軸線的夾角通常為45°，因此擺動軸的偏擺角通常為±60°之間，限制了五軸控制機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有水切割頭五軸控制機(jī)構(gòu)存在的擺動角度小，容易與工件產(chǎn)生干涉和精度不高的問題，設(shè)計一種新型的能實(shí)現(xiàn)180度范圍(B卩±90°)擺動的擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，它包括主軸22和水切割頭17，主軸22帶動水切割頭17作水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸22在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下作左右、上下和前后的三維運(yùn)動，水切割頭17和水開關(guān)20安裝在水開關(guān)座19上，其特征是所述的水開關(guān)座19安裝在諧波減速機(jī)12的輸出軸上，諧波減速機(jī)12由擺動軸伺服電機(jī)7通過同步帶9驅(qū)動，諧波減速機(jī)12帶動水切割頭17作垂直平面內(nèi)的偏擺運(yùn)動，所述的主軸22的軸線與諧波減速機(jī)12輸出軸的軸線夾角為90度，所述的諧波減速機(jī)12的輸出軸的最大偏擺角為±90 度。
[0006]所述的諧波減速機(jī)12的傳動軸16上安裝有傳動軸軸承15，傳動軸軸承15安裝在軸承座套13中，擺動軸被動同步輪14安裝在傳動軸16上，帶動傳動軸16同步轉(zhuǎn)動，軸承座套13和諧波減速機(jī)12的外殼同時被安裝在擺動軸箱體6上，擺動軸被動同步輪14通過擺動軸同步帶9與安裝在擺動軸伺服電機(jī)7上的擺動軸主動同步輪8相連，擺動軸同步帶9傳動的漲緊力帶來的徑向力通過傳動軸軸承15作用在擺動軸箱體6上，傳動軸16只傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動到諧波減速機(jī)12的輸入端上。
[0007]所述的主軸22上安裝有回轉(zhuǎn)蝸輪23，回轉(zhuǎn)蝸輪23與蝸桿44相嚙合，支撐蝸桿44兩端的軸承43，45安裝在蝸桿座24中，并通過軸承壓帽42調(diào)整軸承43，45的側(cè)隙，蝸桿座24通過銷軸35、銅套34與蝸桿座底板33連接，蝸桿座底板33通過螺釘固定在主軸箱體25上，蝸桿座24能繞銷軸35的中心擺動以改變蝸桿44與回轉(zhuǎn)蝸輪23的中心距；主軸伺服電機(jī)36安裝在主軸電機(jī)底板37上，主軸電機(jī)底板37用螺釘通過長槽孔固定在主軸箱體25上，松開固定主軸電機(jī)底板37的螺釘，調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘39即可改變主軸主動同步輪38與主軸被動同步輪41之間的中心距；主軸主動同步輪38安裝在主軸伺服電機(jī)36上，主軸被動同步輪41安裝在蝸桿44上，兩帶輪通過主軸同步帶40連接；調(diào)整主軸主動同步輪38與主軸被動同步輪41之間的距離，使同步帶漲緊力適中，通過主軸同步帶40的彈性能消除回轉(zhuǎn)蝸輪23與蝸桿44之間的間隙。
[0008]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明采用了擺動軸軸線水平線布置的結(jié)構(gòu)，切割頭與軸線的距離可達(dá)200mm以上，當(dāng)偏擺軸轉(zhuǎn)到90°時，切割頭已超出機(jī)構(gòu)本體，切割時不會與工件發(fā)生干涉。
[0009]本發(fā)明的主軸軸線與擺動軸軸線的夾角為90°，擺動軸的偏擺角可達(dá)±90°。因此，能夠滿足更廣泛的應(yīng)用需求。
[0010]本發(fā)明在主軸(旋轉(zhuǎn)軸)的蝸輪蝸桿傳動副中采用浮動機(jī)構(gòu)，能消除蝸輪蝸桿之間的間隙，提高了主軸的回轉(zhuǎn)定位精度，因此能顯著提高切割精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是圖1的B-B剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明諧波減速器安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:I為高壓鋼管I, 2為主軸旋轉(zhuǎn)接頭,3為旋轉(zhuǎn)接頭座,4為主軸感應(yīng)開關(guān),5為魚尾撥叉，6為擺動軸箱體，7為擺動軸伺服電機(jī)，8為擺動軸主動同步輪，9為擺動軸同步帶，10為定位套，11為擺動軸感應(yīng)開關(guān)，12為諧波減速器，13為軸承座套，14為擺動軸被動同步輪，15為傳動軸承，16為傳動軸，17為切割頭，18為擺動軸旋轉(zhuǎn)接頭，19為水開關(guān)座，20為水開關(guān)，21為主軸軸承I, 22為主軸,23為回轉(zhuǎn)蝸輪,24為蝸桿座,25為主軸箱體,26為主軸軸承II，27為定位環(huán)，28為高壓鋼管II，29為底板，30為傳感器架，31為頂桿，32為小彈簧，33為蝸桿座底板，34為銅套，35為銷軸，36為主軸伺服電機(jī)，37為主軸電機(jī)底板，38為主軸主動同步輪，39為調(diào)節(jié)螺釘，40為主軸同步帶，41為主軸被動同步輪，42為軸承壓帽，43為蝸桿軸承1,44為蝸桿,45為蝸桿軸承11,46為定位彈簧,47為銅套,48為限位軸,49為零位底座，50為緊定螺釘。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0017]如圖1-3所示。
[0018]一種擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，它包括主軸22和水切割頭17，主軸22帶動水切割頭17作水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸22在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下作左右、上下和前后的三維運(yùn)動，三維運(yùn)動的驅(qū)動結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的全自動水切割設(shè)備相同，如床身、橫梁、升降座等組成。水切割頭17和水開關(guān)20安裝在水開關(guān)座19上，其特征是所述的水開關(guān)座19安裝在諧波減速機(jī)12的輸出軸上，諧波減速機(jī)12由擺動軸伺服電機(jī)7通過同步帶9驅(qū)動，諧波減速機(jī)12帶動水切割頭17作垂直平面內(nèi)的偏擺運(yùn)動，所述的主軸22的軸線與諧波減速機(jī)12輸出軸的軸線夾角為90度，所述的諧波減速機(jī)12的輸出軸的最大偏擺角為±90度。如圖1所示，所述的諧波減速機(jī)12的傳動軸16上安裝有傳動軸軸承15，傳動軸軸承15安裝在軸承座套13中，如圖4，擺動軸被動同步輪14安裝在傳動軸16上，帶動傳動軸16同步轉(zhuǎn)動，軸承座套13和諧波減速機(jī)12的外殼同時被安裝在擺動軸箱體6上，擺動軸被動同步輪14通過擺動軸同步帶9與安裝在擺動軸伺服電機(jī)7上的擺動軸主動同步輪8相連，擺動軸同步帶9傳動的漲緊力帶來的徑向力通過傳動軸軸承15作用在擺動軸箱體6上，傳動軸16只傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動到諧波減速機(jī)12的輸入端上。所述的主軸22上安裝有回轉(zhuǎn)蝸輪23，回轉(zhuǎn)蝸輪23與蝸桿44相嚙合，支撐蝸桿44兩端的軸承43，45安裝在蝸桿座24中，并通過軸承壓帽42調(diào)整軸承43，45的側(cè)隙，蝸桿座24通過銷軸35、銅套34與蝸桿座底板33連接，蝸桿座底板33通過螺釘固定在主軸箱體25上，蝸桿座24能繞銷軸35的中心擺動以改變蝸桿44與回轉(zhuǎn)蝸輪23的中心距；主軸伺服電機(jī)36安裝在主軸電機(jī)底板37上，主軸電機(jī)底板37用螺釘通過長槽孔固定在主軸箱體25上，松開固定主軸電機(jī)底板37的螺釘，調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘39即可改變主軸主動同步輪38與主軸被動同步輪41之間的中心距；主軸主動同步輪38安裝在主軸伺服電機(jī)36上，主軸被動同步輪41安裝在蝸桿44上，兩帶輪通過主軸同步帶40連接；調(diào)整主軸主動同步輪38與主軸被動同步輪41之間的距離，使同步帶漲緊力適中，通過主軸同步帶40的彈性能消除回轉(zhuǎn)蝸輪23與蝸桿44之間的間隙，如圖3所示。
[0019]本發(fā)明的擺動軸傳動中選用了高精度的諧波減速機(jī)，同時在結(jié)構(gòu)上采取了一些優(yōu)化措施，進(jìn)一步提高了擺動軸的精度。
[0020]I)擺動軸被動同步輪14安裝在諧波減速機(jī)12的輸入端，水開關(guān)座19安裝在諧波減速機(jī)12的輸出端，切割頭17和水開關(guān)20與水開關(guān)座19固定連接，水開關(guān)座19帶動切割頭17繞擺動軸擺動。假設(shè)同步帶傳動誤差為X，諧波減速機(jī)12的減速比為1:n，則擺動軸實(shí)際誤差為x/n，減少了因同步帶傳動帶來的擺動軸誤差。2)在擺動軸傳動中，擺動軸被動同步輪14安裝在傳動軸16上，傳動軸16上安裝有兩件傳動軸軸承15，傳動軸軸承15安裝在軸承座套13內(nèi)，軸承座套13和諧波減速機(jī)12的外殼同時被安裝在擺動軸箱體6上，同步帶傳動的漲緊力帶來的徑向力沒有直接作用在諧波減速機(jī)12上，而是通過傳動軸軸承15作用在擺動軸箱體6上，傳動軸16只傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動到諧波減速機(jī)12上。這樣的設(shè)計同時也提高了諧波減速機(jī)12的工作可靠性。
[0021]為保證切割加工的連續(xù)性，同時避免主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動造成電纜、供砂管纏繞損壞，在設(shè)計時制訂了主軸的運(yùn)動行程為±360°的技術(shù)指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這個指標(biāo)，特別設(shè)計了主軸的限位與機(jī)械原點(diǎn)機(jī)構(gòu)。如圖1與圖2所示，主軸感應(yīng)開關(guān)4安裝在傳感器架30上，定位環(huán)27套裝在主軸22外圓上，并通過平鍵(圖中未示)與主軸22同步旋轉(zhuǎn)，銅套47套裝在魚尾撥叉5的內(nèi)孔中固定連接，銅套47套裝在限位軸48的外圓上，限位軸48通過螺紋固定在零位底座49上，零位底座49通過螺釘固定在主軸箱體25上，魚尾撥叉5可繞限位軸48轉(zhuǎn)動，在魚尾撥叉5與限位軸48的軸肩之間套裝有定位彈簧46，定位彈簧46產(chǎn)生的軸向力使銅套47的下端與零位底座49產(chǎn)生作用力，形成阻尼，避免了魚尾撥叉5的自由轉(zhuǎn)動。頂桿31安裝在零位底座49的階梯孔內(nèi)，可在階梯孔內(nèi)移動。緊定螺釘50固定在零位底座49上，小彈簧32安裝在頂桿31與緊定螺釘50之間。當(dāng)主軸22順時針轉(zhuǎn)動帶動定位環(huán)27離開魚尾撥叉5時，在小彈簧32產(chǎn)生的軸向力作用下，頂桿31推動魚尾撥叉5逆時針轉(zhuǎn)動，使魚尾撥叉5離開主軸感應(yīng)開關(guān)4的感應(yīng)區(qū)。工作過程如下:1)圖2示位置為主軸逆時針轉(zhuǎn)動時的極限位置。此時定位環(huán)27上側(cè)與魚尾撥叉5的下側(cè)相抵，魚尾撥叉5的上側(cè)與零位底座49的V形槽的上邊緣相抵。2)主軸22順時針轉(zhuǎn)動時定位環(huán)27隨著其一道轉(zhuǎn)動，頂桿31推動魚尾撥叉5離開主軸感應(yīng)開關(guān)4的感應(yīng)區(qū)，主軸22順時針轉(zhuǎn)動約360°時，定位環(huán)27的柄部位于魚尾撥叉5的V形缺口中間的圓弧部位，推動魚尾撥叉5逆時針轉(zhuǎn)動，此時主軸22仍可繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，在定位環(huán)27的柄部離開魚尾撥叉5的V形缺口中間的圓弧部位時，魚尾撥叉5位于水平偏下一點(diǎn)的位置，在阻尼的作用下，魚尾撥叉5保持此位置不變；主軸22順時針轉(zhuǎn)動約720°時，定位環(huán)27的柄部下側(cè)接觸到魚尾撥叉5的上側(cè)，定位環(huán)27的柄部推動魚尾撥叉5逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)魚尾撥叉5的下側(cè)與零位底座49的V形槽的下邊緣相抵時，主軸22無法繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動，此位置即為主軸順時針轉(zhuǎn)動的極限位置。3)主軸22逆時針轉(zhuǎn)動的過程與順時針轉(zhuǎn)動的過程類似。區(qū)別之處在于當(dāng)主軸22逆時針轉(zhuǎn)動接近720°時，定位環(huán)27柄部的上側(cè)接觸到魚尾撥叉5的下側(cè)，推動魚尾撥叉5順時針轉(zhuǎn)動進(jìn)入主軸感應(yīng)開關(guān)4的感應(yīng)區(qū)，主軸感應(yīng)開關(guān)4發(fā)出到位信號，主軸機(jī)械原點(diǎn)位置確定。
[0022]本發(fā)明未詳細(xì)描述之處可參照中國專利2011102077076和201220401836.9的內(nèi)容加以實(shí)現(xiàn)。
[0023]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，它包括主軸(22)和水切割頭(17)，主軸(22)帶動水切割頭(17)作水平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸(22)在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下作左右、上下和前后的三維運(yùn)動，水切割頭(17)和水開關(guān)20安裝在水開關(guān)座(19)上，其特征是所述的水開關(guān)座(19)安裝在諧波減速機(jī)(12)的輸出軸上，諧波減速機(jī)(12)由擺動軸伺服電機(jī)(7)通過同步帶(9)驅(qū)動，諧波減速機(jī)(12)帶動水切割頭(17)作垂直平面內(nèi)的偏擺運(yùn)動，所述的主軸(22)的軸線與諧波減速機(jī)(12)輸出軸的軸線夾角為90度，所述的諧波減速機(jī)(12)的輸出軸的最大偏擺角為±90度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，其特征是所述的諧波減速機(jī)(12)的傳動軸(16)上安裝有傳動軸軸承(15)，傳動軸軸承(15)安裝在軸承座套(13)中，擺動軸被動同步輪(14)安裝在傳動軸(16)上，帶動傳動軸(16)同步轉(zhuǎn)動，軸承座套(13)和諧波減速機(jī)(12 )的外殼同時被安裝在擺動軸箱體(6 )上，擺動軸被動同步輪(14)通過擺動軸同步帶(9)與安裝在擺動軸伺服電機(jī)(7)上的擺動軸主動同步輪(8)相連，擺動軸同步帶(9)傳動的漲緊力帶來的徑向力通過傳動軸軸承(15)作用在擺動軸箱體(6)上，傳動軸(16)只傳遞扭矩和轉(zhuǎn)動到諧波減速機(jī)(12)的輸入端上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動軸水平安裝的五軸水切割頭姿態(tài)控制裝置，其特征是所述的主軸(22)上安裝有回轉(zhuǎn)蝸輪(23)，回轉(zhuǎn)蝸輪(23)與蝸桿(44)相嚙合，支撐蝸桿(44)兩端的軸承(43，45)安裝在蝸桿座(24)中，并通過軸承壓帽(42)調(diào)整軸承(43，45)的側(cè)隙，蝸桿座(24)通過銷軸(35)、銅套(34)與蝸桿座底板(33)連接，蝸桿座底板(33)通過螺釘固定在主軸箱體(25 )上，蝸桿座(24)能繞銷軸(35 )的中心擺動以改變蝸桿(44)與回轉(zhuǎn)蝸輪(23)的中心距；主軸伺服電機(jī)(36)安裝在主軸電機(jī)底板(37)上，主軸電機(jī)底板(37)用螺釘通過長槽孔固定在主軸箱體(25)上，松開固定主軸電機(jī)底板(37)的螺釘，調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘(39)即可改變主軸主動同步輪(38)與主軸被動同步輪(41)之間的中心距；主軸主動同步輪(38)安裝在主軸伺服電機(jī)(36)上，主軸被動同步輪(41)安裝在蝸桿(44)上，兩帶輪通過主軸同步帶(40 )連接；調(diào)整主軸主動同步輪(38 )與主軸被動同步輪(41)之間的距離，使同步帶漲緊力適中，通過主軸同步帶(40)的彈性能消除回轉(zhuǎn)蝸輪(23)與蝸桿(44)之間的間隙。
【文檔編號】G05B19/18GK104238445SQ201410405370
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】陳波, 羅金玉 申請人:南京大地水刀股份有限公司