ШПИНДЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА С ИЗМЕНЯЕМЫМ УГЛОМ РАСПОЛОЖЕНИЯ ШПИНДЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК B23C1/12 B23Q5/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к области механической обработки металлорежущими станками, в частности, к шпиндельной головке с изменяемым углом расположения шпинделя.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В настоящее время в авиационной промышленности при необходимости механической обработки глубоких полостей деталей коробчатой формы, таких как корпуса и кожухи, широко используются угловые шпиндельные головки, представляющие собой шпиндельные головки с фиксированным углом наклона и удлиненные шпиндельные головки. При использовании большинства таких угловых шпиндельных головок необходимо осуществлять управление углом наклона и длиной шпиндельной головки в ручном режиме в процессе механической обработки деталей. Наиболее близким техническим решением по патенту CN 101011797 A, B23Q 1/46, 08.08.2007, является шпиндельная головка, которая содержит корпус, приводной механизм в виде силового механизма, рычажно-тягового механизма, состоящего из шарнирно связанных рычажных тяг, и монтажной рамы, а также шпиндельный узел с фрезой, при этом силовой механизм размещен над шпиндельным узлом. Ни один из вышеперечисленных способов не обеспечивает непрерывную индексацию детали, подвергающейся механической обработке, что приводит к низкой эффективности обработки.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Настоящее изобретение предусматривает создание шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя для решения вышеуказанных технических проблем.

[0004] Настоящее изобретение предусматривает создание шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя, включающей: корпус; приводной механизм; и шпиндельный узел с закрепленной на нем фрезой, расположенный в корпусе с возможностью поворота.

[0005] Приводной механизм выполнен в виде силового механизма и рычажно-тягового механизма. Рычажно-тяговый механизм состоит из последовательно связанных шарнирно между собой первой рычажной тяги, третьей рычажной тяги и второй рычажной тяги. Причем силовой механизм жестко закреплен на монтажной раме, которая жестко соединена с внутренней стенкой корпуса), и размещен над шпиндельным узлом.

[0006] Оси поворота всех шарниров рычажных тяг параллельны друг другу и параллельны горизонтальной плоскости, при этом соответствующий конец первой рычажной тяги связан с выходным валом силового механизма, а соответствующий конец второй рычажной тяги связан с боковой стенкой шпиндельного узла;

[0007] При этом выходной вал силового механизма жестко соединен непосредственно с соответствующим концом первой рычажной тяги и связан с возможностью поворота с монтажной рамой, причем ось поворота выходного вала силового механизма параллельна осям поворота всех шарниров рычажных тяг, шарнирное соединение конца первой рычажной тяги с концом третьей рычажной тяги и конца третьей рычажной тяги с концом второй рычажной тяги образованы посредством соответственно первого штифта и второго штифта, а конец второй рычажной тяги, связанный с боковой стенкой шпиндельного узла соединен с возможностью поворота с опорным подшипником, закрепленным в стенке корпуса.

[0008] При этом конец третьей рычажной тяги со стороны ее соединения со второй рычажной тягой выполнен изогнутым с возможностью предотвращения столкновения с опорным подшипником.

[0009] При этом угол a при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах первой рычажной тяги, и прямой линией, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги, при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<a<180°.

[00010] Угол b при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги, и прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги, и центр опорного подшипника, при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<b<180°.

[0011] А угол с при вершине между прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги и центр опорного подшипника, и осью вращения шпинделя шпиндельного узла при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<с<90°.

[0012] При этом в исходном состоянии ось вращения шпинделя шпиндельного узла расположена в первом квадранте системы координат, образованной горизонтальной осью «X» и вертикальной осью «Y», проходящими через центр опорного подшипника. При этом угол θ при вершине между осью вращения шпинделя шпиндельного узла и осью «X» находится в диапазоне 0°<θ≤45°. Причем при повороте шпиндельного узла на максимальный угол ось вращения шпинделя шпиндельного узла расположена в третьем квадранте упомянутой системы координат, при этом угол «γ» при вершине между упомянутой осью вращения шпинделя и осью «Y» в сумме с углом θ составляет 90°.

[0013] При этом силовой механизм включает серводвигатель и редуктор.

[0014] При этом выходной вал серводвигателя соединен с входным валом редуктора, а выходной вал редуктора жестко соединен с соответствующим концом первой рычажной тяги.

[0015] При этом шпиндельная головка также снабжена блоком угловых измерений. Блок угловых измерений закреплен на внутренней боковой стенке корпуса с возможностью измерения углов поворота шпиндельного узла.

[0016] При этом вторая рычажная тяга выполнена со сквозным отверстием, перпендикулярным боковой стенке шпиндельного узла, в которой выполнен Т-образный кольцевой паз. При этом рядом в упомянутом кольцевом пазе расположена гайка с Т-образным пазом, в которую ввинчен винт, проходящий через упомянутое сквозное.

[0017] Приводной механизм по настоящему изобретению размещен на значительном расстоянии от шпинделя и имеет узкий диапазон столкновений по отношению к шпинделю. Обеспечивается автоматическая непрерывная индексация шпинделя, при этом выполняется шарнирная механическая обработка при малом объеме резания, в результате чего обеспечивается компактность устройства при повороте фрезы на один и тот же угол наклона, а также простота конструкции и низкая стоимость изготовления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] В целях более наглядной иллюстрации вариантов осуществления настоящего изобретения или технических решений в предшествующем уровне техники ниже кратко представлены прилагаемые чертежи, которые необходимо использовать при описании вариантов осуществления настоящего изобретения или предшествующего уровня техники. На прилагаемых чертежах в ниже приведенном описании проиллюстрированы некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, и для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что другие чертежи также могут быть созданы на основании прилагаемых рисунков без приложения творческих усилий.

На ФИГ. 1 проиллюстрирован общий схематический чертеж шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению.

На ФИГ. 2 проиллюстрирован вид спереди шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению.

На ФИГ. 3 проиллюстрирован общий схематический чертеж шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению при нахождении шпинделя в исходном положении.

На ФИГ. 4 проиллюстрирована блок-схема шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению при повороте шпинделя на максимальный угол.

На ФИГ. 5 проиллюстрирован увеличенный вид А на ФИГ. 2 шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению.

На ФИГ. 6 проиллюстрирован увеличенный вид В на ФИГ. 2 шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] Для того, чтобы сделать цели, технические решения и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения более понятными, нижеследующее четко и полностью описывает технические решения в вариантах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи вариантов осуществления настоящего изобретения. Очевидно, что описываемые варианты осуществления являются некоторыми, но не всеми вариантами осуществления настоящего изобретения. Все остальные варианты осуществления, разработанные специалистами в данной области техники без творческих усилий на основе вариантов осуществления настоящего изобретения, находятся в пределах объема охраны настоящего изобретения.

[0020] Настоящее изобретение предусматривает создание шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя. На ФИГ. 1 проиллюстрирован общий схематический чертеж шарнирной угловой шпиндельной головки с многозвенным рычажно-тяговым механизмом по настоящему изобретению. На ФИГ. 2 проиллюстрирован вид спереди шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя. Шпиндельная головка с изменяемым углом расположения шпинделя включает: корпус 1; приводной механизм 2; и шпиндельный узел 3, снабженный фрезой 7, закрепленной на его концевой части. Приводной механизм 2 включает: силовой механизм 2-1, рычажно-тяговый механизм 2-2 и монтажную раму 6 для создания опоры под силовой механизм 2-1. Монтажная рама 6 жестко соединена с внутренней стенкой корпуса 1, при этом силовой механизм 2-1 жестко соединен с монтажной рамой 6. Корпус 1 в целом представляет собой прямоугольный корпус из нержавеющей стали, при этом опорный подшипник 4 закреплен сбоку в нижней части корпуса 1. Шпиндельный узел 3 представляет собой электрический шпиндель, на концевой части которого закреплена фреза 7 для механической обработки деталей. Фреза 7 вращается синхронно со шпинделем шпиндельного узла 3. Шпиндельный узел 3 закреплен на конце рычажно-тягового механизма 2-2. Рычажно-тяговый механизм 2-2 представляет собой поворотную пару.

[0021] Рычажно-тяговый механизм 2-2 включает: первую рычажную тягу 2-2-1, вторую рычажную тягу 2-2-2 и третью рычажную тягу 2-2-3. Кроме того, с целью повышения эффективности привода силовой механизм 2-1 включает: серводвигатель 2-1-1 и редуктор 2-1-2. Вторичный вал серводвигателя 2-1-1 соединен с входным концом редуктора 2-1-2, в то время как выходной конец редуктора 2-1-2 жестко соединен с одним концом первой рычажной тяги 2-2-1 и соединен с возможностью поворота с монтажной рамой 6. Другой конец первой рычажной тяги 2-2-1 соединен с возможностью поворота с одним концом третьей рычажной тяги 2-2-3 посредством первого штифта 5-1, при этом другой конец третьей рычажной тяги 2-2-3 соединен с возможностью поворота с одним концом второй рычажной тяги 2-2-2 посредством второго штифта 5-2. Другой конец второй рычажной тяги 2-2-2 соединен с боковой стенкой шпиндельного узла 3, при этом вторая рычажная тяга 2-2-2 и шпиндельный узел 3 соединены с возможностью поворота с опорным подшипником 4, закрепленном в корпусе 1. Серводвигатель 2-1-1 приводит в движение первую рычажную тягу 2-2-1 для поворота вдоль горизонтальной оси посредством редуктора 2-1-2. Первая рычажная тяга 2-2-1 приводит в движение третью рычажную тягу 2-2-3 для поворота вдоль оси первого штифта 5-1. Третья рычажная тяга 2-2-3 приводит в движение вторую рычажную тягу 2-2-2 для поворота вдоль оси второго штифта 5-2. Вторая рычажная тяга 2-2-2 приводит в движение шпиндельный узел 3 для поворота вокруг опорного подшипника 4, и далее шпиндельный узел 3 приводит фрезу 7 во вращательное движение.

[0022] Ось поворота силового механизма 2-1 параллельна горизонтальной плоскости. Ось поворота первой рычажной тяги 2-2-1, второй рычажной тяги 2-2-2 и третьей рычажной тяги 2-3 параллельна оси вращения силового механизма 2-1. Силовой механизм 2-1 размещен над шпинделем 3. Данное конструктивное расположение обеспечивает в целом компактность габаритов конструкции по настоящему изобретению и упрощает механическую обработку глубоких полостей коробчатых деталей, таких как корпуса и кожухи, в области авиационной промышленности.

[0023] Конец третьей рычажной тяги 2-2-3 рядом с опорным подшипником 4 выполнен в виде изогнутого элемента для предотвращения столкновений с опорным подшипником 4. Изогнутый элемент предотвращает столкновение между третьей рычажной тягой 2-2-3 и опорным подшипником 4, и при этом увеличивает углы поворота второй рычажной тяги 2-2-2 и шпинделя 3. Приводной механизм по настоящему изобретению размещен на значительном расстоянии от шпинделя, в результате чего конструкция имеет небольшие габариты и характеризуется узким диапазоном вероятных столкновений приводного механизма со шпинделем.

[0024] Далее, на ФИГ. 3 проиллюстрирован общий схематический чертеж шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению при нахождении шпинделя в исходном положении. На ФИГ. 4 проиллюстрирована блок-схема шпиндельной головки с изменяемым углом расположения шпинделя по настоящему изобретению при повороте шпинделя на максимальный угол. Угол a при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах первой рычажной тяги 2-2-1 и прямой линией, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги 2-2-3, при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<a<180°. Угол b при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги 2-2-3, и прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги 2-2-2, и центр опорного подшипника, при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<b<180°. Угол с при вершине между прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги 2-2-2 и центр опорного подшипника, и осью вращения шпинделя шпиндельного узла 3 при возможных поворотах шпиндельного узла находится в диапазоне 0°<с<90. В данном варианте осуществления 0 предпочтительно составляет 45°. В исходном состоянии ось вращения шпинделя шпиндельного узла 3 расположена в первом квадранте системы координат, образованной горизонтальной осью «X» и вертикальной осью «Y», проходящими через центр опорного подшипника. При этом угол θ при вершине между осью вращения шпинделя шпиндельного узла 3 и осью «X» находится в диапазоне 0°<θ≤45°. При повороте шпиндельного узла на максимальный угол ось вращения шпинделя шпиндельного узла располагается в третьем квадранте упомянутой системы координат, при этом угол «у» при вершине между упомянутой осью вращения шпинделя 3 и осью «Y» в сумме с углом «» составляет 90°. То есть, если угол «θ» составляет 30°, то угол «γ» - 60°. Положение оси поворота одного конца первой рычажнойтяги 2-2-1, соединенной с выходным валом редуктора 2-1-2, и положение оси поворота шпинделя 3 являются фиксированными, и, следовательно, при нахождении оси поворота первого штифта 5-1, соединяющего третью рычажную тягу 2-2-3 и первую рычажную тягу 2-2-1 непосредственно над осью поворота одного конца первой рычажной тяги 2-2-1, соединенной с выходным валом редуктора 2-1-2, первая рычажная тяга 2-2-1 находится в предельном положении поворота; при нахождении оси поворота второго штифта 5-2, соединяющего третью рычажную тягу 2-2-3 и вторую рычажную тягу 2-2-2, непосредственно под осью поворота шпинделя 3, вторая рычажная тяга 2-2-2 находится в своем предельном положении поворота. Исходя из того, что объем и габариты корпуса 1 являются неизменными, при достижении вышеупомянутыми углами а, b и с определенных значений, угол поворота фрезы 7 может быть максимальным, что является приемлемым для механической высокоразмерной обработки на дне глубокой полости. При неизменном объеме корпуса 1 угол поворота фрезы 7 достигает максимального значения.

[0025] При этом, как показано на ФИГ. 6, шпиндельная головка также включает блок угловых измерений 9. Блок угловых измерений (9) закреплен на внутренней боковой стенке корпуса (1) посредством кронштейна (10) считывающей головки и размещен на наружной кольцевой торцевой поверхности опорного подшипника (4). Блок угловых измерений 9, в частности, представляет собой компактный высокоточный кольцевой индуктивный синхронизатор. Кольцевой индуктивный синхронизатор включает круговую шкалу с делениями для измерения угловых перемещений и считывающую головку. Круговая шкала с делениями используется для определения угла поворота шпиндельного узла 3 для обеспечения поворота фрезы 7 и ее установки в требуемом месте (принцип работы кольцевого индуктивного синхронизатора известен из предшествующего уровня техники и его описание не приведено в данной заявке).

[0026] При этом, как показано на ФИГ. 5, с целью обеспечения регулировки угла при вершине между центральной осью второй рычажной тяги 2-2-2 и центральной осью шпиндельного узла 3 шпиндельная головка также включает: гайку с Т-образным пазом 8-1, винт 8-2, сквозное отверстие 8-3 и Т-образный кольцевой паз 8-4.

[0027] Вторая рычажная тяга (2-2-2) снабжена сквозным отверстием (8-3), перпендикулярным боковой стенке шпиндельного узла (3), Т-образный кольцевой паз (8-4) расположен на боковой стенке шпинделя (3) рядом со второй рычажной тягой (2-2-2), гайка с Т-образным пазом (8-1) перемещается в Т-образном кольцевом пазе (8-4), при этом винт (8-2) проходит через сквозное отверстие (8-3) и ввинчен в гайку с Т-образным пазом (8-1). Вторая рычажная тяга 2-2-2 крепится ввинчиванием винта 8-2 в Т-образную гайку 8-14, при этом гайка с Т-образным пазом 8-1 перемещается в Т-образном кольцевом пазе 8-4 для регулировки угла с при вершине между центральной осью второй рычажной тяги 2-2-2 и центральной осью шпинделя 3 для обеспечения требований к различным исходным углам фрезы 7. [0028] Наконец, следует отметить, что приведенные выше варианты осуществления настоящего изобретения используются исключительно для иллюстрации технических решений настоящего изобретения и не предназначены для его ограничения. Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на приведенные выше варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что в технические решения, описанные в приведенных выше вариантах осуществления, могут быть внесены изменения, либо технические признаки могут быть частично или полностью эквивалентно заменены. Однако указанные изменения или замены не приведут к тому, что сущность соответствующих технических решений выйдет за пределы объема технических решений вариантов осуществления настоящего изобретения.

Изобретение относится к области станкостроения и может быть использовано в устройствах шпиндельных головок с изменяемым углом расположения шпинделя. Головка содержит корпус, приводной механизм и шпиндельный узел с фрезой, расположенный в корпусе с возможностью поворота, при этом приводной механизм выполнен в виде силового механизма и рычажно-тягового механизма, состоящего из последовательно связанных шарнирно между собой трех рычажных тяг, оси поворота которых параллельны друг другу и горизонтальной плоскости, при этом выходной вал силового механизма жестко соединен непосредственно с соответствующим концом первой рычажной тяги и связан с возможностью поворота с монтажной рамой, а конец второй рычажной тяги, связанный с боковой стенкой шпиндельного узла, соединен с возможностью поворота с опорным подшипником, закрепленным в стенке корпуса. Конец третьей рычажной тяги, которая расположена между первой и второй тягами, со стороны ее соединения со второй рычажной тягой выполнен изогнутым. Использование изобретения обеспечивает уменьшение габаритов устройства и упрощение его конструкции. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Шпиндельная головка с изменяемым углом расположения шпинделя, содержащая корпус (1), приводной механизм (2) и шпиндельный узел (3) с закрепленной на нем фрезой (7), расположенный в корпусе (1) с возможностью поворота, при этом приводной механизм выполнен в виде силового механизма (2-1) и рычажно-тягового механизма (2-2), состоящего из последовательно связанных шарнирно между собой первой рычажной тяги (2-2-1), третьей рычажной тяги (2-2-3) и второй рычажной тяги (2-2-2), причем силовой механизм (2-1) жестко закреплен на монтажной раме (6), которая жестко соединена с внутренней стенкой корпуса (1), и размещен над шпиндельным узлом (3), а оси поворота всех шарниров рычажных тяг (2-2-1, 2-2-2, 2-2-3) параллельны друг другу и параллельны горизонтальной плоскости, при этом соответствующий конец первой рычажной тяги (2-2-1) связан с выходным валом силового механизма (2-1), а соответствующий конец второй рычажной тяги (2-2-2) связан с боковой стенкой шпиндельного узла (3), отличающаяся тем, что выходной вал силового механизма (2-1) жестко соединен непосредственно с соответствующим концом первой рычажной тяги (2-2-1) и связан с возможностью поворота с монтажной рамой (6), причем ось поворота выходного вала силового механизма (2-1) параллельна осям поворота всех шарниров рычажных тяг (2-2-1, 2-2-2, 2-2-3), шарнирное соединение конца первой рычажной тяги (2-2-1) с концом третьей рычажной тяги (2-2-3) и конца третьей рычажной тяги (2-2-3) с концом второй рычажной тяги (2-2-2) образованы посредством соответственно первого штифта (5-1) и второго штифта (5-2), а конец второй рычажной тяги (2-2-2), связанный с боковой стенкой шпиндельного узла (3), соединен с возможностью поворота с опорным подшипником (4), закрепленным в стенке корпуса (1), при этом конец третьей рычажной тяги (2-2-3) со стороны ее соединения со второй рычажной тягой (2-2-2) выполнен изогнутым с возможностью предотвращения столкновения с опорным подшипником (4).

2. Шпиндельная головка по п. 1, отличающаяся тем, что угол a при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах первой рычажной тяги (2-2-1), и прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги (2-2-3), при возможных поворотах шпиндельного узла (3) находится в диапазоне 0°<a<180°,

угол b при вершине между прямой, проходящей через центры шарниров, расположенных на концах третьей рычажной тяги (2-2-3), и прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги (2-2-2), и центр опорного подшипника (4), при возможных поворотах шпиндельного узла (3) находится в диапазоне 0°<b<180°,

а угол с при вершине между прямой, проходящей через центр шарнира, расположенного на конце второй рычажной тяги (2-2-2), и центр опорного подшипника (4), и осью вращения шпинделя шпиндельного узла (3) при возможных поворотах шпиндельного узла (3) находится в диапазоне 0°<с<90°,

при этом

в исходном состоянии ось вращения шпинделя шпиндельного узла (3) расположена в первом квадранте системы координат, образованной горизонтальной осью X и вертикальной осью Y, проходящими через центр опорного подшипника (4),

а угол θ при вершине между осью вращения шпинделя шпиндельного узла (3) и осью X находится в диапазоне 0°≤θ≤45°,

причем при повороте шпиндельного узла (3) на максимальный угол ось вращения шпинделя шпиндельного узла (3) расположена в третьем квадранте упомянутой системы координат, а угол γ при вершине между упомянутой осью вращения шпинделя и осью Y в сумме с углом θ составляет 90°.

3. Шпиндельная головка по п. 1, отличающаяся тем, что силовой механизм (2-1) включает в себя серводвигатель (2-1-1) и редуктор (2-1-2), при этом выходной вал серводвигателя (2-1-1) соединен с входным валом редуктора (2-1-2), а выходной вал редуктора (2-1-2) жестко соединен с соответствующим концом первой рычажной тяги (2-2-1).

4. Шпиндельная головка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена блоком угловых измерений (9), закрепленным на внутренней боковой стенке корпуса (1) с возможностью измерения углов поворота шпиндельного узла (3).

5. Шпиндельная головка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что вторая рычажная тяга (2-2-2) выполнена со сквозным отверстием (8-3), перпендикулярным боковой стенке шпиндельного узла (3), в которой выполнен Т-образный кольцевой паз (8-4), при этом в упомянутом кольцевом пазе (8-4) расположена гайка с Т-образным пазом (8-1), в которую ввинчен винт (8-2), проходящий через упомянутое сквозное отверстие (8-3).