可换刀快刀装置的制作方法

本实用新型涉及快刀伺服加工技术领域，尤其涉及一种可换刀快刀装置。

背景技术：

光学微结构广泛应用于军事和民用行业，与生产和生活关系紧密，由于微结构光学元件表面为形状复杂的高精度、非对称表面，传统加工方法如靠模仿形、研磨抛光等，有的效率很低，有的不能满足技术指标要求。近年来发展起来的一些微结构表面制造技术，如电子束直写技术、激光束直写技术、光刻技术、蚀刻技术、沉积和影像蚀刻技术、LIGA技术等，存在一定的局限，如对材料和设备要求高、刻蚀图形边缘不清晰、难以制作大F数的微透镜阵列、加工精度的一致性较差、工艺可控性不好、对环境有污染等。

快刀伺服车削加工能同时满足超精密加工高精度、高效率的要求，是解决微结构光学元件加工困难的有效途径。针对光学微结构应用的广泛和作用的巨大，快刀伺服车削加工迅速发展起来。各国都在快刀伺服车削加工技术上投入了大量的人力物力，以期占领技术上的高地。

采用超精密车削技术加工微结构，具有其它方法所不具备的许多优势，例如，能够加工出真正的三维结构，加工零件的轮廓精度达到亚微米级，无须后续抛光处理即可达到纳米级表面粗糙度，加工效率高，可加工的零件尺度相对较大等。因此随着超精密加工技术的发展，使用超精密切削的方法加工微结构表面成为微制造领域非常重要的发展方向，受到了国内外的广泛重视。传统超精密车削仅限于加工回转对称型零件，无法满足微光学等复杂面形零件的加工要求。针对这种情况，一些学者对车削加工的进刀方式进行了改进，发展了超精密快刀伺服车削加工技术，通过采用高频响、高精度的刀具驱动装置，在主轴角度反馈的基础上，金刚石刀具实时跟踪工件面形的变化，以实现光学微结构等复杂面形零件的精密高效加工。这种方式可以重复加工具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得很高的零件尺寸精度、形状精度和很低的表面粗糙度，能够实现光学微结构的高效率、高精度、柔性化加工，且经济性好。

由于一些零件加工工艺的要求，在超精密快刀伺服车削加工时，需要有粗加工和精加工等加工工序，或者由于零件是由多种不同材料构成，导致在加工这类零件时，需要在加工过程中进行换刀操作，当换刀完成后，还需要重新对刀，这就使得零件的加工精度受到影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种可换刀快刀装置，能够在换刀后也能保证零件的加工精度。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种可换刀快刀装置，所述可换刀快刀装置包括底座、安装在所述底座上的直线电机、滑动件、用于检测所述滑动件的滑动位移的光栅尺和驱动所述滑动件转动的驱动组件，所述滑动件包括固定部分和可以在所述固定部分上滑动的滑动部分，所述固定部分可转动地安装在所述底座上，所述驱动组件能够驱动所述滑动件的固定部分转动，当所述固定部分转动时，所述滑动部分随着所述固定部分一起转动，所述滑动部分的一端可转动地连接在所述直线电机的输出轴上，所述滑动部分的另一端固定安装有刀盘，所述直线电机的输出轴的运动方向与所述滑动部分的滑动方向平行或重合，所述刀盘上安装有至少两把刀具。

优选地，所述直线电机为音圈电机。

优选地，所述滑动件的固定部分和滑动部分分别为滚珠花键母和安装在所述滚珠花键母上的滚珠花键轴。

优选地，所述刀具的数量为三把，三把所述刀具围绕所述刀盘的轴线均匀分布。

优选地，所述驱动组件包括固定套装在所述滑动件的固定部分上的大齿轮、与所述大齿轮啮合的小齿轮和驱动所述小齿轮转动的电机。

优选地，所述驱动组件还包括齿轮限位机构。

优选地，所述齿轮限位机构包括固定安装在所述底座上的导轨、安装在所述导轨上的导轨滑块、安装在导轨滑块上并且能够固定所述大齿轮或小齿轮的定位件和用于驱动所述导轨滑块滑动的驱动件。

优选地，所述驱动件的输出轴通过杆端关节轴承与所述导轨滑块或定位件连接。

优选地，所述定位件为能够与所述大齿轮或小齿轮啮合的齿条。

优选地，所述电机为伺服电机，所述驱动件为气缸，所述小齿轮通过涨紧套固定安装在所述电机的输出轴上。

本实用新型与现有技术的不同之处在于，本实用新型提供的可换刀快刀装置通过将直线电机的输出轴与滑动件的滑动部分连接，并将刀盘安装在滑动部分的另一端，直线电机可以通过滑动部分驱动刀盘上的刀具产生高频响、小范围的快速精密进刀运动，该进刀运动与高精度的主轴回转和径向进给运动配合，可以完成复杂面形零件的精密高效加工；在加工过程中，当需要换刀时，可以通过驱动组件驱动所述滑动件的固定部分转动，固定部分能够带动滑动部分随之一起转动，从而带动安装在滑动部分上的刀盘转动，当刀盘上安装的需要更换的刀具旋转到位时，停止转动滑动件的固定部分，然后继续加工即可，因此，本实用新型提供的可换刀快刀装置可以只进行一次对刀就能够完成零件的加工，在换刀后也能保证零件的加工精度，实现复杂光学面形的高效高精度加工。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种实施方式的可换刀快刀装置的结构示意图；

图2是图1中沿A-A方向的剖视图；

图3是图1中沿B-B方向的剖视图；

附图标记说明：

1-底座；2-音圈电机；3-刀盘；4-刀具；5-滚珠花键母；6-滚珠花键轴；7-大齿轮；8-小齿轮；9-电机；10-导轨；11-导轨滑块；12-定位件；13-驱动件；14-杆端关节轴承；15-光栅尺读数头；16-读数头支架；17-光栅尺安装板；18-电机座。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本实用新型，并非对本实用新型的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本实用新型的保护范围局限于此。

在本实用新型中限定了一些方位词，在未作出相反说明的情况下，所使用的方位词如“上、下、左、右”是指本实用新型提供的可换刀快刀装置在正常使用情况下定义的，并与附图2中所示的上下左右方向一致。“内、外”是指相对于各零部件本身轮廓的内外。这些方位词是为了便于理解而采用的，因而不构成对本实用新型保护范围的限制。

在本实用新型中，当零部件被称为“固定”在另一个零部件上，它可以直接在另一个零部件上，或者也可以存在居中的零部件。当一个零部件被认为是“连接”另一个零部件，它可以是直接连接到另一个零部件或者可能同时存在居中零部件。当一个零部件被认为是“设置”在另一个零部件上，它可以是直接设置在另一个零部件上或者可能同时存在居中零部件。

适当参考图1、图2所示，本实用新型提供的基本实施方式的可换刀快刀装置可以包括底座1、安装在所述底座1上的直线电机、滑动件、用于检测所述滑动件的滑动位移的光栅尺和驱动所述滑动件转动的驱动组件，所述滑动件包括固定部分和可以在所述固定部分上滑动的滑动部分，所述固定部分可转动地安装在所述底座1上，所述驱动组件能够驱动所述滑动件的固定部分转动，当所述固定部分转动时，所述滑动部分随着所述固定部分一起转动，所述滑动部分的一端可转动地连接在所述直线电机的输出轴上，所述滑动部分的另一端固定安装有刀盘3，所述直线电机的输出轴的运动方向与所述滑动部分的滑动方向平行或重合，所述刀盘3上安装有至少两把刀具4。

在上述基本实施方式中，所述直线电机固定在底座1的右端，所述滑动件的固定部分通过轴承可转动的安装在底座1的左端，即所述固定部分可以绕着沿左右方向的轴线转动，但不能沿左右方向移动。所述滑动件的滑动部分可以在固定部分上沿着左右方向高精度的滑动，所述滑动部分的左端固定有刀盘3，滑动部分的右端可以通过轴承与直线电机的输出轴的左端连接，滑动部分的右端也可以通过其他连接件与直线电机的输出轴转动连接，以减少或避免滑动部分转动时，直线电机的影响。其中所述直线电机的输出轴的运动方向与所述滑动部分的滑动方向可以平行，也可以重合，优选直线电机的输出轴的运动方向与滑动部分的滑动方向重合。所述光栅尺的标尺光栅通过光栅尺安装板17固定安装在刀盘3或者滑动部分上，光栅尺的光栅尺读数头15通过读数头支架16安装在所述固定部分上，从而当直线电机驱动安装在滑动部分上的刀盘上的刀具做高频运动时，光栅尺就可以采集到刀具移动的数据，从而可以通过光栅尺实现刀具的精确定位。其中安装在刀盘3上的刀具可以适应精密快刀伺服加工的刀具，一般采用金刚石刀具。

上述基本实施方式提供的可换刀快刀装置在使用时，将其固定在机床上，机床的主轴带动安装在其上的待加工工件回转和径向进给，同时通过直线电机驱动滑动件的滑动部分在固定部分上快速运动，从而驱动安装在刀盘上的刀具做高频响、小范围的快速精密进刀运动，以完成复杂面形工件的精密高效加工。在加工过程中，当需要换刀时，可以通过驱动组件驱动所述滑动件的固定部分转动，固定部分带动滑动部分随之一起转动，从而带动安装在滑动部分上的刀盘3转动，当刀盘3上安装的需要更换的刀具4旋转到位时，停止转动滑动件的固定部分，然后继续加工即可。因此，上述的可换刀快刀装置通过一次加工即可获得很高的尺寸精度、形状精度和很低的表面粗糙度，能够实现复杂光学面形的高效高精度加工。

在本实用新型中，为了进一步保证工件的加工效果，优选地，所述直线电机为音圈电机2，音圈电机2通过电机座18固定安装在底座1上。音圈电机2是一种反应频率很快的直驱式电机，其具有零磁滞、零磁槽效应，高响应、高精度、高加速、高速度、力特性好、控制方便、体积小、行程大、分辨率无限小等优点，因此在本实用新型中通过使用音圈电机2，既能够实现复杂微结构零件加工所需要的高频响，也可以满足加工高陡度复杂面形所需要的大行程(相对于压电陶瓷驱动的方式)，可以更好地保证工件的加工效果。同时，通过对音圈电机的控制方法进行优化，可以进一步提高跟踪精度和工作频响。

在本实用新型中，所述滑动件是保证高精度加工和快速换刀的关键部件。其可以选用现有的任何能够高精度滑动并能够传递转矩的结构。

在本实用新型的一个优选实施方式中，如图2所示，所述滑动件的固定部分和滑动部分分别为滚珠花键母5和安装在所述滚珠花键母5上的滚珠花键轴6。滚珠花键母5固定于轴承的内圈中(具体为通过轴承套和锁母固定在轴承内圈中)，滚珠花键轴6的右端通过连接件与音圈电机的输出轴连接在一起，滚珠花键轴6的左端安装刀盘3，这样在音圈电机驱动下，金刚石刀就可以做高频切削。

所述滑动件为通过滚珠花键轴6和滚珠花键母5形成的滚珠花键副，滚珠花键轴6和滚珠花键母5可以进行相对直线运动，当滚珠花键母5利用其中的钢球在经过精密磨削的滚珠花键轴6上作直线运动的同时，也可以传递扭矩。当扭矩由滚珠花键母5施加到滚珠花键轴6上，扭矩方向上的滚珠同时平稳、均匀传递载荷。因此，通过选用滚珠花键副作为本实用新型的滑动件，能够实现刀具高频响、高精度的运动，并且能够保证换刀后的刀具定位精度。

当然在本实用新型中，所述滑动件还可以采用其他结构，例如可传递扭矩的直线导轨，此时直线导轨的固定元件(导轨)的外表面应当固定套装有能够安装在轴承内圈中的套筒，以实现直线导轨可以转动地安装在底座1上。其中，底座1和安装直线导轨的轴承之间可以设置安装轴承座的支架，以便于轴承的安装固定。

在本实用新型中，安装所述刀盘3上刀具4的数量至少为两把，即，刀盘3上安装的刀具4的数量可以是两把、三把或者更多把。刀具4在刀盘3上的布置方式可以根据换刀的控制方式具体设定，但至少应当与刀盘3的轴线的距离相等。

在本实用新型的优选实施方式中，所述刀具4的数量为三把，三把所述刀具4围绕所述刀盘3的轴线均匀分布，从而使得所述驱动组件每次旋转120度，就可以更换一把刀具，使得换刀的控制方式更加简便。

所述驱动组件为用于驱动滑动件旋转的结构，因此可以采用任何能够精确控制转动角度的输出旋转运动的结构。如通过电机驱动同步带的形式。

在本实用新型中，优选地，参考图3所示，所述驱动组件包括固定套装在所述滑动件的固定部分上的大齿轮7、与所述大齿轮7啮合的小齿轮8和驱动所述小齿轮8转动的电机9。

具体地，大齿轮7固定安装在滑动件的固定部分上，或者固定在轴承套的后端面上，电机9固定安装在底座上，小齿轮8通过涨紧套15直接与电机9的输出轴连接。这样通过电机9旋转就可以带动滑动件(如滚珠花键母和滚珠花键轴)旋转，从而可以带动刀盘旋转，实现换刀。由于通过小齿轮8带动大齿轮7旋转，因此可以更为精确的控制刀盘3的转动角度。在该实施例方式中，为了保证刀具4的精确定位，所述电机9的输出轴在不转动时应当可以锁死，即电机9的输出轴在刀具转动到位时能够保持不转动。

在上述实施方式的基础上，本实用新型进一步改进为：所述驱动组件还包括齿轮限位机构。通过设置齿轮限位机构，以进一步保证刀具的定位精度。

所述齿轮限位机构可以采用现有的各种适当地限位的结构，例如，可以在大齿轮7或者小齿轮8的需要定位的位置上设置相应的定位孔，当大齿轮7或者小齿轮8转动到位后，通过定位销实现大齿轮7或者小齿轮8的定位。

在本实用新型的一个优选实施方式中，参考图3所示，所述齿轮限位机构包括固定安装在所述底座1上的导轨10、安装在所述导轨10上的导轨滑块11、安装在导轨滑块11上并且能够固定所述大齿轮7或小齿轮8的定位件12和用于驱动所述导轨滑块11滑动的驱动件13。

定位件12可以为任何能够卡住齿轮的结构，优选地，所述定位件12为能够与所述大齿轮7或小齿轮8啮合的齿条。通过使用齿条与大齿轮7或小齿轮8啮合，可以实现大齿轮7或者小齿轮8更加精确地定位。在本实用新型中，所述定位件12优选用于固定大齿轮7。

当需要换刀时，通过驱动件13驱动导轨滑块11在导轨上远离大齿轮7或小齿轮8滑动，使得定位件12与大齿轮7或小齿轮8脱离，然后通过驱动组件驱动刀盘3旋转，使刀具4转动到位，再通过驱动件13驱动导轨滑块11在导轨10上朝着大齿轮7或者小齿轮8滑动，从而带动安装在导轨滑块11上的定位件12(如齿条)滑动到大齿轮7或者小齿轮8的处，与大齿轮7或小齿轮8卡合(例如啮合)，从而实现大齿轮7或者小齿轮8的固定。

在本实用新型中，所述驱动件13用于驱动所述导轨滑块11运动，因此可以采用现有的任何输出直线运动的机构，本实用新型中优选使用气缸。

所述驱动件13可以直接和所述导轨滑块11或定位件12连接，以驱动导轨滑块11滑动。

在本实用新型的一个优选实施方式中，所述驱动件13的输出轴通过杆端关节轴承14与所述导轨滑块11或定位件12连接。通过杆端关节轴承14连接所述驱动件13和导轨滑块11或定位件12，可以避免可换刀快刀装置在进行高频切削时将作用力通过大齿轮7、定位件12、导轨滑块11传递到驱动件13上，而导致驱动件13的安装位置发生的变化，因此通过设置杆端关节轴承14可以保证快速换刀时刀具4的定位精度。

进一步地，用于驱动所述小齿轮8转动的所述电机9为伺服电机，从而可以实现更加精确地换刀定位。

在本实用新型的优选实施例中，通过音圈电机2驱动滚珠花键轴6高频运动，通过齿轮传动带动滚珠花键轴6做旋转运动，实现自动换刀，到位后通过气缸带动定位件12精确定位。并且安装高精度光栅尺采集数据可以精确定位刀具4的位置。因此，本实用新型提供的可换刀快刀装置配合高精度的机床主轴回转和径向进给运动实现了一次加工即可获得很高的尺寸精度、形状精度和很低的表面粗糙度。

以上实施方式的先后顺序仅为便于描述，不代表实施方式的优劣。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施方式技术方案的精神和范围。