多刀直线伺服机构 技术领域：
本发明涉及一种机械加工装置，具体涉及一种关于活塞类零件外圆精加工的多刀直线伺服机构，特别适合于外形复杂的活塞裙部和头部其外圆在一次装夹中的精加工。
背景技术：
现代内燃机活塞外圆的形状越来越复杂。其裙部往往是多段中凸变椭圆型线，头部除了复杂的型线外，还镶有铸铁环，此外，有的活塞还要求叠加集碳槽。
为了加工这样的活塞，以往的方法是采用多道工序，在不同的机床上加工不同的工序。由于活塞加工精度不断提高，装夹带来的误差已经到了不能允许的程度。而且多次装夹，使活塞的加工效率大大降低。解决活塞加工的另一方法是设计制造多工位，自动化程度极高的组合机床。这种机床无论在加工精度和效率方面都有很满意地结果，遗憾的是：这种机床的成本太高，而且，由于机构复杂，调整、操作、维修都很困难，因而这种机床没能得到普遍使用。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：解决以往对于形状复杂的内燃机活塞外圆加工采用多道工序多次装夹带来的误差大、效率低、如采用自动化程度极高的组合机床则成本高、机构复杂、调整操作维修都很困难的问题；本发明旨在提供一种机床上的多刀直线伺服机构，在一次装夹中完成形状复杂的活塞外圆精加工，而且加工精度和加工效率高，操作和维修简单，设备费用低。
本发明采用的技术方案是：这种多刀直线伺服机构为在机床的直线电机输出端加装的一套换刀机构。
上述技术方案的换刀机构主要包括有：
1)机构本体；
2)安装在机构本体内、前端安装可换位刀架及多把车刀、后端与直线电机轴固定连接的直线传动部件；
3)刀盒座由滚动轴承支撑在直线传动部件连接杆前端内孔、由从动齿轮、主动齿轮传动的可换位刀架；
4)安装在机构本体内、主动齿轮与从动齿轮离合、主动齿轮由回转汽缸带动并由滚动轴承支撑的刀架换位驱动机构；
5)双位直动汽缸固定在机构本体上、双位直动汽缸输出轴连接回转汽缸座并进而带动主动齿轮的离合器。
本发明还可在机构本体内安装弹性定位部件、锁定装置、测量传感器、防护部件：
弹性定位部件包括双平板簧和支承膜片，它们的一端都与机构本体连接固定，它们的另一端和连接杆固定连接；
锁定装置包括：锁紧汽缸通过汽缸座固定在连接杆上，锁紧汽缸输出轴连接并驱动锁紧销插在从动齿轮齿隙中或从齿隙中退回；
测量传感器包括：两端分别安装连接在机构本体和连接座上的位移传感器；由从动齿轮两侧深槽和接近开关构成的刀架旋转位置传感器；安装在双位直动汽缸中的磁性开关构成的离合器位置传感器；安装在锁紧汽缸中的磁性开关构成的锁紧装置状态传感器；
防护部件包括相互连接的方形外壳、前盖板和密封膜片。
本发明前述的直线传动部件其轴线与电机轴线平行或重合，而工作的车刀则在直线传动部件的轴线下方。
前述的可换位刀架的刀盒端面周向均布二把或三把车刀，刀盒用螺钉和定位销与刀盒座固连。
前述的刀架换位驱动机构采用回转汽缸和主动齿轮驱动刀架的换位，回转汽缸固定在汽缸座上，在汽缸座中装有两个线轴承，使汽缸座可以沿导向杆滑动，而离合器中的双位直动汽缸则通过其输出轴拉、推汽缸座，进而拉、推主动齿轮与从动齿轮进行离、合。
前述的弹性定位部件中双平板簧的固定端与机构本体固连，而其活动端的连接座又作为直线传动部件的一个环节，分别与电机轴和连接杆固连。
前述的弹性定位部件中支承膜片是用倒三角形或X形薄金属片制成，金属片一端固定在机构本体上，另一端固定在连接杆上，其连接处用压条和螺钉固定。
本发明利用一台机床上的多刀直线伺服机构，在一次装夹中完成形状复杂的活塞外圆的精加工，避免了采用多道工序、在不同的机床上加工不同的工序、多次装夹带来的误差大、加工效率低的弊端，也克服了自动组合机床成本高、机构复杂、调整操作维修都很困难的问题，本发明根据不同的加工要求，调用刀架上的不同刀具，具有加工精度高、加工效率高、操作维修简单、设备费用低的显著特点。
附图说明：
图1为本发明纵向剖视图
图2为本发明平面剖视图
图3为本发明侧向示意图
图4为二刀刀盒示意图
图5为三刀刀盒示意图
图6为一种支承膜片示意图
图7为另一种支承膜片示意图
图8为本发明实际应用原理框图
具体实施方式：
本发明为在直线电机输出端加装的一套换刀机构。主要包括有：
1)机构本体；
2)安装在机构本体内、前端安装可换位刀架及多把车刀、后端与直线电机轴固定连接的直线传动部件；
3)刀盒座由滚动轴承支撑在直线传动部件连接杆前端内孔、由从动齿轮、主动齿轮传动的可换位刀架；
4)安装在机构本体内、主动齿轮与从动齿轮离合、主动齿轮由回转汽缸带动并由滚动轴承支撑的刀架换位驱动机构；
5)双位直动汽缸固定在机构本体上、双位直动汽缸输出轴连接回转汽缸座并进而带动主动齿轮的离合器。
本发明还可在机构本体内安装弹性定位部件、锁定装置、测量传感器、防护部件：
弹性定位部件包括双平板簧和支承膜片，它们的一端都与机构本体连接固定，它们的另一端和连接杆固定连接；
锁定装置包括：锁紧汽缸通过汽缸座固定在连接杆上，锁紧汽缸输出轴连接并驱动锁紧销插在从动齿轮齿隙中或从齿隙中退回、；
测量传感器包括：两端分别安装连接在机构本体和连接座上的位移传感器；由从动齿轮两侧深槽和接近开关构成的刀架旋转位置传感器；安装在双位直动汽缸中的磁性开关构成的离合器位置传感器；安装在锁紧汽缸中的磁性开关构成的锁紧装置状态传感器；
防护部件包括相互连接的方形外壳、前盖板和密封膜片。
参见图1，图2，图3，本发明的机构本体1是由方形外壳56和前盖板2等部分组成。其作用是连接机构的各个部件，其后端与直线电机的前端面相连，而从前端伸出车刀。事实上可以把本发明机构与直线电机的组合看成是多功能智能型伺服机构。
直线传动部件是将直线电机输出轴的直线位移传输到车刀上。它包括(图1、图2)：复位平板簧的连接座3、连接杆4、滚动轴承7、刀盒座8、刀盒9、定位销10和车刀11。复位平板簧的连接座3分别与电机输出轴12和连接杆4相连。连接杆4的前端内孔又通过滚动轴承7与刀盒座8相连。刀盒9通过螺钉13固定在刀盒座中，并用定位销10防止刀盒9在刀盒座中转动。刀盒9中用螺钉14根据需要固定2-3把车刀11(图3和图4、图5)。三把车刀沿刀盒轴线按120°对称配置，图4为二刀刀盒，图5为三刀刀盒，工作的车刀在轴线的正下方。从电机输出轴12到车刀各个零件之间无轴向连接间隙，保证将电机的轴向位移精确地传送到车刀。
弹性定位部件保证车刀沿轴向和侧向有足够的刚度。它包括双平板簧15和支承膜片16(图6、图7)。双平板簧15的一端与机构本体1相连，另一端与连接座3相连。根据双平板簧的工作原理，连接座3上的各点只能相对机构本体作平移运动。双平板簧保证机构有精确的零位，合理选择板簧的厚度可以得到伺服系统理想的动态性能。支承膜片16(图6)是一倒三角形的金属薄片，上端由压条17和螺钉18将其固定在机构本体上，下端开有圆孔，由轴承压环19将其压紧在连接杆4的前端。支承膜片的作用是增大机构的侧向刚度。膜片16也可以按图7加工成X形状。
可换位刀架的作用是在刀架换位驱动机构的作用下，将所需的车刀转到工作位置上。它由从动齿轮20、刀盒座8、滚动轴承7、刀盒9、定位销10和固定螺钉13等组成。通过螺钉13和定位销10将8、9紧固在一起，当从动齿轮受到驱动力矩时，刀架即在轴承的支持下转动，使车刀换位。
刀架换位驱动机构由回转汽缸21、汽缸座22、滚动轴承23和主动齿轮24等组成。汽缸21是双位可调角度的摆动汽缸，通过螺钉固定在汽缸座22上。主动齿轮24与回转汽缸21的输出轴相连。主动齿轮的转动由滚动轴承23支撑，轴承23装在汽缸座22的内孔中。在工作状态下，主动齿轮与从动齿轮是啮合的，汽缸的摆动通过主动齿轮24传给从动齿轮，从而带动刀架换位。
离合器的作用是在车刀切削工件时，将主动齿轮与从动齿轮分开。它由双位直动汽缸25、轴套26、导向杆27、线轴承28和限位圈29等组成，双位直动汽缸25用螺钉固定在机构本体1上。轴套26分别与汽缸25的输出轴和汽缸座22相连。当汽缸25的输出轴伸出时，即推动换位驱动机构的主动齿轮24和从动齿轮20啮合；反之，当汽缸25的输出轴缩进时，即拉动换位驱动机构的主动齿轮24和从动齿轮20分开。此外，在摆动汽缸座的上下两侧装有两个线轴承28，导向杆27一端插在线轴承的内孔中，另一端紧固在机构本体1上，在导向杆27上又装有限位圈29，以此保证离合器的导向和限位。
锁定装置的作用是在车刀切削工件时，锁紧刀架使之不能旋转。它由锁紧汽缸30、汽缸座31、锁紧销32等组成。锁紧汽缸30与汽缸座31以螺纹相连接，汽缸座又与连接杆4紧固。锁紧销32与汽缸的输出轴相连。在车刀削切工件时，锁紧汽缸30将锁紧销32顶紧在从动齿轮的齿隙中，从而锁定刀架。
测量传感器是实现多刀机构智能控制的前提条件，并机构有多种测量传感器，分述如下：(1)位移传感器33。该传感器的本体安装在机构本体1上，其敏感轴与双平板簧的连接座3固连，如此连接可以测量车刀沿轴线方向的位移。(2)刀架旋转位置传感器。该传感器用于测量车刀是否转到工作位置。两个接近开关34用螺钉35固定在传感器支架36上，支架36固定在机构本体1上。在从动齿轮20两侧的圆柱体上开有三个相隔120°的深槽37，槽的位置与车刀的位置相对应，当车刀转到工位时，对应的槽恰好对准接近开关。(3)离合器位置传感器。在离合器的双位直动汽缸25中装有磁性开关38，给出对应离合器位置的信号。(4)锁定装置状态传感器。在锁紧汽缸30中装有磁性开关39，给出锁定装置状态的信号。
防护部件的作用是防止车屑和油污对机构的污染，保证机构正常工作，它包括机构本体的前盖板2、密封膜片40、轴承内压环19、外压环42和螺钉垫片等。密封膜片40靠内压环19、外压环42和螺钉垫片等来固定。密封膜片采用夹布橡胶材料，不会影响车刀的运动。
本发明多刀直线伺服机构与数控机床的连接关系如图8所示，图中数控机床对于本发明来说为已有技术。多刀直线伺服机构55的位移输入来自直线电机45的输出轴12；各汽缸的工作气源经气动控制装置46和管道47分别输入；多刀直线伺服机构的位移输出由车刀11作用到被加工的工件48上；多刀直线侍服机构各测量传感器的信号经电缆49传给计算机50。计算机是机床的控制中心。它对车床的其它部分进行测量和控制，并将控制信号通过电缆51传给控制器52，由控制器通过电缆53、54分别将控制信号传给气动控制装置46和直线电机45。图中，车床、计算机50、电缆51、控制器52、电缆53、54、气动控制装置46、管道47、直线电机45、输出轴12、电缆49均为已有技术。
多刀直线伺服机构的工作过程如下：在准备阶段选择要用的车刀(2-3把)，并调整好刀的径向位置。当装夹好工件，车床启动，数控系统加工程序运行时，计算机首先检查各传感器的状态。需要换刀时。控制锁紧汽缸30将锁紧销32松开，锁紧汽缸30中的磁性开关39信号确认32已松开时，控制双位直动汽缸25将主动齿轮24推向从动齿轮20，使之啮合。当双位直动汽缸25中的磁性开关38确认啮合到位时，控制回转汽缸21回转，主动齿轮带动从动齿轮转动，刀具换位。接近开关34给出刀具是否精确到位的信号。换位完毕后。锁紧汽缸再将锁紧销32压到从动齿轮的齿隙中，锁定刀架。锁定到位后，双位直动汽缸25将主动齿轮与从动齿轮分开，换刀工作全部完成，此后，计算机根据工件外圆要求的加工形状将相关信号送到控制器52，控制直线电机45作直线往复运动，多刀直线伺服机构的直线传动部件将直线电机输出轴的直线位移传输车刀上，以便加工工件的外圆。加工完一段以后，如下一段需要改变切削参数(主轴转速、走刀量、车刀等等)，则计算机控制机床和本多刀机构作相应的动作，直到工件加工完毕。
综上所述，本发明具有以下的优点：(1)采用多刀机构，不同的加工段换用不同的刀具，可以加工同一件不同材质和外形的各段，例如，活塞裙部、头部的中凸变椭圆外圆、头部的铸铁环、集碳槽等等。(2)自动换刀，大大缩短了辅助加工时间，提高了生产效率。(3)采用多种传感器，实现高度自动化，减少故障率。(4)一次装夹，完成工件的多道加工工序，提高了工件的加工精度。(5)机构简单，成本低。