一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統及具有該系統的機床的制作方法

文檔序號:18232405發布日期:2019-07-20 01:35
一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統及具有該系統的機床的制作方法

本發明涉及鏜削設備領域,尤其涉及一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統及具有該系統的機床。



背景技術:

非圓異形孔型面的特點是:縱截面是兩端上翹的喇叭口形;橫截面是非圓形狀,其中包括橢圓形及其它非對稱曲線等。鏜削過程中刀具位置的伺服控制,是實現非圓型面異形孔加工的關鍵。

根據刀具徑向進給方式的不同,目前國內外活塞異形孔加工設備可分為:斜截式、機械仿形式及伺服變形刀桿式等。其中,

1、斜截式是刀具旋轉軸線方向與被加工銷孔軸線方向(機床縱向進給方向)傾斜時,被加工活塞的銷孔即為橢圓形。這種方式的特點是:

(1)傾斜角度決定被鏜削銷孔的橢圓度,對于變橢圓銷孔的鏜削,需要不斷地調整傾斜角,傾斜角的變化同時影響被加工孔在工件上的相對位置,如被加工孔相對定位面的高度或左右偏移量;加工活塞時,影響銷孔的壓縮高尺寸及銷孔相對活塞軸線的偏移;

(2)無法實現刀具相對刀桿軸線(或主軸軸線)相對位置的變化,實現不了徑向進刀運動;

(3)與后述其它進刀方式組合,可形成“喇叭口+固定橢圓度”異形銷孔的鏜削,但難以適應現在出現的變橢圓及不規則非圓形狀的加工。

2、機械仿形式:德國KS公司異形銷孔機床的鏜削系統采用了柔性鏜桿,上支點相對固定,下支點可沿水平方向擺動,位移量由直角擺桿的擺動量控制,鏜刀的水平偏移量與下支點的位移量成正比,當擺桿擺動時鏜刀就可以獲得徑向進給量。改變不同的端面凸輪,可以加工不同的橢圓度銷孔;改變支點位置,可以適應不同橢圓度需求。

此種方式合理地設置端面凸輪機擺桿機構,可實現“喇叭口+變橢圓”銷孔加工,但橢圓形狀受端面凸輪形狀的制約,要實現不同的橢圓加工,需準備不同的端面凸輪,機床柔性差;同時,仿形加工受刀架系統響應特性的影響,主軸速度一般≤1000轉/分,加工效率低。

3、彈性變形式根據施力方式的不同,又分為液壓伺服變形式和機電伺服變形式:

(1)液壓伺服變形式,以意大利DAMUS公司異形銷孔機床為典型機構,該液壓伺服變形體結構采用Z字形彈性變形體結構,其右端面與鏜刀桿相連,左端面與機床主軸相連。Z字形變形體,可看作一個四連桿機構。在力F的作用下,Z字形變形體發生向下的彈性變形,使安裝于其前端的刀桿發生平移,實現徑向進刀;力F通常是通過控制設置在隨變形體一起轉動的外套中的液壓缸的力實現的,由剛體中活塞的移動來推導刀桿的移動。由于活塞有一定的質量,限制了此種機構在高頻響場合的使用;

(2)機電伺服變形式,典型案例是長沙一派機床公司及德國EMAG公司的異形孔鏜床,可以實現“喇叭口+固定橢圓度”的異型銷孔,此結構中刀桿的徑向移動是依靠電機拖動楔形滑塊移動,楔形滑塊再推動刀桿,以此實現徑向運動。此種方式可實現喇叭口形異形孔的鏜削,并可通過調整主軸箱的角度,實現“喇叭口+固定橢圓度”的異形銷孔的加工。但是楔形滑塊機構存在摩擦及結構剛性問題,同樣不適合高頻響使用場合。

浙江大學、上海交通大學等,也進行了其它類型彈性變形方式的研究,并進行了試驗,取得了一些成果,但尚未形成可應用于生產的成熟機構。日本神崎和龍澤公司采用NT公司彈性變形體實現了喇叭口異形銷孔的鏜削,但對于復雜三維空間曲面的高速精密鏜削成形,目前尚未見報道。



技術實現要素:

為了克服現有技術的不足,本發明提供了一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統及具有該系統的機床,其具有增加液壓伺服刀桿系統作為第三虛擬軸,控制刀桿徑向的移動,以實現非圓孔加工的效果。

本發明采用下述技術方案:

一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統,包括偏心變形體和液壓站,所述液壓站包括與偏心變形體相連的伺服閥;伺服閥根據輸入的電壓信號控制液壓油獲得與電壓信號呈線性關系的壓強,液壓油作用于偏心變形體內部的油腔,偏心變形體在液壓油的作用下實現鏜刀的徑向位移補償。

進一步的,所述伺服閥與電磁換向閥的一端相連,電磁換向閥的另一端連接溢流閥,溢流閥連接柱塞泵;

液壓油從柱塞泵進入液壓回路,依次經過溢流閥、電磁換向閥;當電磁換向閥斷電時電磁換向閥左位接通,液壓油順著油路流回油箱,當電磁換向閥得電時,電磁換向閥右位接通,液壓油順著油路流到伺服閥。

進一步的,所述電磁換向閥與伺服閥之間的油路、伺服閥與偏心變形體之間的回路上分別設置壓力表。

進一步的,所述柱塞泵的P2端連接至溢流閥的P端,柱塞泵的T2端連接至溢流閥的T端;所述柱塞泵的T4端連接至電磁換向閥的執行端,柱塞泵的T6端連接至伺服閥的T端,以此形成液壓回路。

進一步的,所述偏心變形體周向側面具有偏心槽,通過控制偏心槽與刀桿中心的偏移量調整偏心變形體的固有頻率。

進一步的,所述偏心變形體的內部具有油腔,油腔通過壓力油管連接液壓站,根據壓力大小驅動刀桿擺動響應的位移量。

進一步的,所述刀桿安裝于偏心變形體的一端,偏心變形體的另一端固定在主軸系統內部。

進一步的,所述主軸系統包括與偏心變形體連接的主軸,所述主軸安裝于主軸箱的內部,主軸箱的底部由主軸底座支撐。

進一步的,所述主軸遠離偏心變形體的一端安裝皮帶輪。

一種機床,包括:

液壓伺服刀桿系統;

工件夾緊機構,由滾珠絲桿機構驅動其在水平方向上移動;

工件定位機構,與所述壓伺服系統中的主軸系統位置對應;

數控系統,其輸出電壓模擬量信號傳遞至伺服閥,控制伺服閥閥芯開口大小,進而使伺服閥輸出一個與電壓信號呈線性關系的壓力信號。

與現有技術相比,本發明的有益效果是:

(1)本發明采用“數控系統+伺服閥+變形體”的方式,通過控制數控系統程序,輸出電壓信號作為伺服閥的控制信號,伺服閥根據輸入的電壓信號,控制液壓油獲得與電壓信號呈線性關系的壓強,液壓油作用于彈性變形體中油腔內;變形體由于偏心結構在壓力油的作用下,刀桿產生上下擺動,實現鏜刀的徑向位移補償;本發明結合了機械式刀具補償裝置與液壓伺服刀具補償裝置的特點,將刀具徑向位移控制轉化為數控系統的程序控制,并且由于伺服系統的高頻響特點,能夠實現非圓孔的加工,且具有控制邏輯清晰、抗干擾性強、精度高、高頻響、微位移等特點;

(2)本發明不同于現有的“異型銷孔鏜削裝置(專利號:ZL98112446.1)”方式,本發明采用“數控系統+伺服閥+變形體”取代“異型銷孔鏜削裝置”中“縱向步進電機+撥桿+推桿”的機械機構,通過合理選取偏心變形體的剛度,適當放大偏心變形體的徑向位移,提高壓力控制分辨精度,實現伺服刀桿補償量的精密控制;本發明采用了液壓伺服控制方式,精簡了機械結構,在原理上提高了控制精度;

(3)本發明不同于一種新型鏜削刀具補償裝置(專利號:ZL2011101963794),本發明采用“基于剛度不一致的偏心式彈性變形體”,液壓油作用于變形體油腔內部,使得刀桿產生擺動,實現刀尖徑向位移;采用新型液壓伺服驅動裝置取代GMA磁致伸縮驅動器,將直接控制對象轉化為數控系統的程序,降低了控制難度;

(4)本發明不同于現有的“內外主軸偏心相對旋轉”(專利號:ZL2014100637775)實現刀具徑向進刀方法,本發明采用“基于剛度不一致的偏心式彈性變形體”,液壓油作用于變形體油腔內部,使得刀桿產生擺動,實現刀尖徑向位移;而“內外主軸偏心相對旋轉”式進刀方法,是靠內外軸的相對偏心運動實現刀具徑向進刀,機械傳動環節多,影響了控制精度及效率。

(5)本發明在其它結構不變的情況下,通過合理優化偏心槽相對刀桿中心的偏心量,能夠提高伺服刀桿系統的偏心變形體固有頻率,滿足非圓孔加工需求,與伺服閥匹配的液壓站具備良好的過濾能力,使其能達到使用要求。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解,本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請,并不構成對本申請的不當限定。

圖1為本發明的機床整體結構示意圖;

圖2為本發明的液壓伺服刀桿系統結構示意圖;

圖3為本發明的壓力控制系統結構示意圖;

圖4為本發明的偏心變形體結構示意圖;

圖5為機械仿形式異形銷孔加工示意圖;

圖6為機械仿形式異形銷孔加工A向剖視圖;

圖7為Z字形變形體結構簡圖;

圖8為機電伺服變形式徑向伺服系統示意圖;

其中,1-機床床身,2-自動潤滑裝置,3-液壓站,4-皮帶輪,5-精密液體靜壓鏜頭,6-第一壓力表,7-偏心變形體,8-刀桿,9-工件夾緊機構,10-工件定位機構,11-PC數控系統,12-移動滑臺,13-伺服電機,14-滾珠絲桿,15-主軸箱,16-壓力油管,17-油腔,18-伺服閥,19-主軸底座,20-柱塞泵,21-溢流閥,22-電磁換向閥,23-第二壓力表,24-偏心槽。

具體實施方式

應該指出,以下詳細說明都是例示性的,旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明,本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是,這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式,而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的,除非上下文另外明確指出,否則單數形式也意圖包括復數形式,此外,還應當理解的是,當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時,其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的,現有技術中存在活塞異形孔加工設備不適合高頻響使用場合的不足,為了解決如上的技術問題,本申請提出了一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統及具有該系統的機床。

本申請的一種典型的實施方式中,如圖2-圖4所示,提供了一種鏜削用高頻響液壓伺服刀桿系統,包括精密液體靜壓鏜頭5和液壓站3,所述精密液體靜壓鏜頭5安裝于主軸箱15的內部,主軸箱15的底部由主軸底座19支撐。

所述精密液體靜壓鏜頭5包括主軸、偏心變心體7、刀桿8和刀頭,主軸通過軸承固定于主軸箱15的內部;所述主軸的一端連接偏心變形體7,主軸的另一端安裝有皮帶輪4;主軸的內部沿其軸向設有壓力油管16。

所述偏心變形體7為一種彈性變形體,偏心變形體7的內部具有油腔17,所述油腔17與壓力油管16連通,所述偏心變形體7通過壓力油管16連接液壓站3,根據壓力大小驅動刀桿8擺動響應的位移量。

所述偏心變形體7周向側面設置偏心槽24,沿偏心變形體7兩側設置的偏心槽24不對稱;在其它結構不變的情況下,通過合理優化偏心槽24相對刀桿中心的偏心量,可將伺服刀桿系統的偏心變形體7固有頻率提高至1318Hz,本申請中管路固有頻率為160Hz,伺服閥固有頻率為200Hz,通過鍵合圖系統建模仿真分析,伺服刀架系統的固有頻率≥150Hz,滿足非圓孔加工需求,伺服閥匹配的液壓站具備良好的過濾能力,使其能達到使用要求。

偏心變形體7利用剛度不對稱原理,使得刀桿8兩側在油腔液壓油受力時會產生位移差,驅使刀尖擺動,實現徑向位移;相比于利用平行四邊形原理的變形體,該變形體具有更好的剛度,刀尖徑向位移量與液壓油壓力呈線性關系,便于控制,更適用于高頻響使用場合。

所述偏心變形體7連接刀桿8,刀桿8上具有刀頭。

所述液壓站包括柱塞泵20、溢流閥21、電磁換向閥22、伺服閥18、第一壓力表6和第二壓力表23;伺服閥18用于連接執行元件端通過油管連接偏心變形體7,伺服閥18與偏心變形體7的油管之間設置第一壓力表6。

伺服閥18的P端連接至電磁換向閥22用于連接執行元件的B端且此油路上設置第二壓力表23,電磁換向閥22的A端連接柱塞泵20的T4端;所述電磁換向閥22供油端連接溢流閥21;所述溢流閥21的P端連接柱塞泵20的P2端,溢流閥21的T端連接柱塞泵20的T2端;柱塞泵20的T6端連接至電磁換向閥22的T端,形成液壓回路。

由于非圓孔加工對系統的頻響特性要求很高,比例閥的固有頻率達不到要求,而伺服閥18的頻響特性能滿足非圓孔加工對系統高頻響的要求,因此采用伺服閥18作為壓力控制系統的控制閥。

液壓伺服刀桿系統的工作過程如下:

液壓油通過P2從柱塞泵20進入液壓回路,先經過溢流閥21,然后到電磁換向閥22,當電磁換向閥22斷電時電磁換向閥22左位接通,液壓油順著油路流回油箱;當PC數控系統11發出指令電磁換向閥22得電時,電磁換向閥22右位接通,順著油路流到伺服閥18,通過安裝在機床上的第二壓力表23,方便查看壓力。

鏜削加工時,伺服閥18得電,根據輸入的電壓信號匹配一個對應的壓力值,電磁換向閥22左位接通,順著油路流向偏心變形體7。當加工完畢后,伺服閥18斷電,伺服閥18左位接通,液壓油順著油路流回到油箱。

所述精密液體靜壓鏜頭5安裝于機床床身1的上部,如圖1所示,與所述精密液體靜壓鏜頭5相對的一側安裝有工件定位機構10;機床床身1的上部具有移動滑臺12,移動滑臺12安裝工件夾緊機構9;所述移動滑臺12的下部連接滾珠絲桿14,滾珠絲桿14由伺服電機13驅動。

工件定位機構10的一側設有PC數控系統11,通過PC數控系統11直接輸出電壓信號,以作為伺服閥18的輸入信號,精確地實現了對伺服閥18的實時控制。

所述工件定位機構10、工件夾緊機構9均為現有技術,此處不再贅述。

本申請的機床采用“數控系統+伺服閥+變形體”方式:

采用“數控系統+伺服閥+變形體”方式,通過PC數控系統11輸出電壓信號,又通過伺服閥18將電壓信號轉化為液壓油壓力信號,進而控制偏心變形體7的刀尖徑向位移量在高頻率下快速響應。

通過PC數控系統11輸出電壓模擬量信號,電壓信號傳遞給伺服閥18,控制伺服閥18閥芯開口大小,進而使伺服閥18輸出一個與電壓信號呈線性關系的壓力信號,液壓油經過壓力油管16進入到偏心變形體7的油腔17內,由于偏心結構的存在,刀桿8產生擺動,刀尖位移量與液壓油壓力呈線性關系實現了從數控程序到刀尖位移的轉化,并且符合線性關系,控制更加簡單,具備高頻響微位移的特點,可以實現非圓孔的加工。

本申請主要用于鏜削非圓型面異形孔,也可用于鏜削刀具磨損補償及鏜削直徑的調整。

本申請不同于現有的“異型銷孔鏜削裝置(專利號:ZL98112446.1)”方式,本發明采用“數控系統+伺服閥+變形體”取代“異型銷孔鏜削裝置”中“縱向步進電機+撥桿+推桿”的機械機構,通過合理選取偏心變形體的剛度,適當放大偏心變形體的徑向位移,提高壓力控制分辨精度,實現伺服刀桿補償量的精密控制;本發明采用了液壓伺服控制方式,精簡了機械結構,在原理上提高了控制精度;

本申請不同于一種新型鏜削刀具補償裝置(專利號:ZL2011101963794),本發明采用“基于剛度不一致的偏心式彈性變形體”,液壓油作用于變形體油腔內部,使得刀桿產生擺動,實現刀尖徑向位移;采用新型液壓伺服驅動裝置取代GMA磁致伸縮驅動器,將直接控制對象轉化為數控系統的程序,降低了控制難度;

本申請不同于現有的“內外主軸偏心相對旋轉”(專利號:ZL2014100637775)實現刀具徑向進刀方法,本發明采用“基于剛度不一致的偏心式彈性變形體”,液壓油作用于變形體油腔內部,使得刀桿產生擺動,實現刀尖徑向位移;而“內外主軸偏心相對旋轉”式進刀方法,是靠內外軸的相對偏心運動實現刀具徑向進刀,機械傳動環節多,影響了控制精度及效率。

本申請在其它結構不變的情況下,通過合理優化偏心槽24相對刀桿8中心的偏心量,能夠提高伺服刀桿系統的偏心變形體7固有頻率,滿足非圓孔加工需求,與伺服閥匹配的液壓站具備良好的過濾能力,使其能達到使用要求。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已,并不用于限制本申請,對于本領域的技術人員來說,本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本申請的保護范圍之內。

再多了解一些
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