阅读说明：本技术 一种主轴拉刀机构的防转结构 (Anti-rotation structure of spindle broach mechanism ) 是由 黄绍样 汤丽君 詹邦藩 栾新新 李坚 李鑫池 李博文 汤秀清 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种主轴拉刀机构的防转结构,编码盘固定于轴芯组件端部,拉杆收容于轴芯组件,主轴拉刀机构的防转结构还包括上防转组件、双绕弹簧以及推力轴承,上防转组件固定于编码盘并与拉杆接触,双绕弹簧套设于拉杆及轴芯组件之间,推力轴承套设于拉杆,双绕弹簧一端与拉杆卡扣,另一端与推力轴承接触,当双绕弹簧产生扭转力时,双绕弹簧上端扭转力传递至拉杆,防转组件使拉杆上端限位,推力轴承将双绕弹簧下端扭转力抵消,通过上述设计,上防转组件抑制主轴拉刀机构与轴芯组件间的相对偏转,避免为纠正轴芯的偏转引起的机床系统因电流负载过大的报警；推力轴承抵消双绕弹簧下压时的扭转力,解决了双绕弹簧外圆过度增大的难题。(The invention discloses an anti-rotation structure of a main shaft broach mechanism, wherein a coding disc is fixed at the end part of a shaft core component, a pull rod is accommodated in the shaft core component, the anti-rotation structure of the main shaft broach mechanism also comprises an upper anti-rotation component, a double-wound spring and a thrust bearing, the upper anti-rotation component is fixed on the coding disc and is contacted with the pull rod, the double-wound spring is sleeved between the pull rod and the shaft core component, the thrust bearing is sleeved on the pull rod, one end of the double-wound spring is buckled with the pull rod, the other end of the double-wound spring is contacted with the thrust, when the double-wound spring generates torsional force, the torsional force at the upper end of the double-wound spring is transmitted to the pull rod, the anti-rotation component enables the upper end of the pull rod to limit, the thrust bearing offsets the torsional force at the lower end of the double-wound spring, through the design, the upper anti-rotation component inhibits the relative deflection between the main shaft broach mechanism and the shaft core component, and avoids the alarm of overlarge current load of a machine tool system caused by correcting the deflection of the shaft core; the thrust bearing offsets the torsion force when the double-wound spring is pressed down, and the problem that the excircle of the double-wound spring is excessively increased is solved.)

一种主轴拉刀机构的防转结构

技术领域

本发明涉及主轴，尤其是涉及一种主轴拉刀机构的防转结构。

背景技术

目前的主轴拉刀机构中，最常见的为碟簧拉刀机构，而弹簧拉刀机构，则是相对新型的拉刀机构。相对于碟簧拉刀机构，弹簧拉刀机构结构简单，寿命长，维护保养方便。主轴在更换刀柄的过程中，卸刀机构施加在拉杆顶部的外力，带动弹簧下压，下压过程中弹簧会产生沿螺旋线方向旋转的扭转力，导致拉刀机构在轴芯内存在相对转动从而带动轴芯转动。主轴轴芯以一定角度偏转的过程，对于安装有精密编码器定位的主轴会引起机床系统电流负载率过大的报警。

拉刀机构与轴芯的相对转动，在主轴长期的刀柄更换过程中，会造成拉刀机构和轴芯存在不同程度的磨损，影响零件的使用寿命。可活动的相关零部件也存在不确定的相对位置变化，破坏主轴原有动平衡设置。主轴运转时引起主轴振动变大，主轴不平衡量变差的情况，影响主轴加工精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有效解决主轴在更换刀柄时机床系统因电流负载率过大引起的报警，减小拉刀机构和轴芯之间的磨损的主轴拉刀机构的防转结构。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种主轴拉刀机构的防转结构，包括编码盘、拉杆及轴芯组件，所述编码盘固定于所述轴芯组件端部，所述拉杆收容于所述轴芯组件，所述主轴拉刀机构的防转结构还包括上防转组件、双绕弹簧以及推力轴承，所述上防转组件固定于所述编码盘并与所述拉杆接触，所述双绕弹簧套设于所述拉杆及所述轴芯组件之间，所述推力轴承套设于所述拉杆，所述双绕弹簧一端与所述拉杆卡扣，另一端与所述推力轴承接触，当所述双绕弹簧产生扭转力时，所述双绕弹簧上端扭转力传递至所述拉杆，所述防转组件使所述拉杆上端限位，所述推力轴承将所述双绕弹簧下端扭转力抵消。

进一步地，所述推力轴承包括上止推垫片、保持架、滚动体及下止推垫片，所述上止推垫片与所述下止推垫片分别设有滚道，所述保持架位于所述上止推垫片与所述下止推垫片之间，所述滚动体安装于所述保持架并收容于所述上止推垫片与所述下止推垫片之间。

进一步地，所述双绕弹簧一端为平面，所述平面与所述上止推垫片接触。

进一步地，所述双绕弹簧一端为凸台，所述拉杆设有凹槽，所述凸台嵌入所述凹槽。

进一步地，所述上防转组件包括防转板、销钉以及螺钉，所述防转板通过所述螺钉固定于所述编码盘，所述销钉固定于所述防转板并伸入所述拉杆的长孔中。

进一步地，所述防转板设有安装孔，所述销钉与所述安装孔过盈配合。

进一步地，所述上防转组件包括防转板及螺钉，所述防转板通过所述螺钉固定于所述编码盘，所述防转板设有齿形孔，所述拉杆对应设有齿形边缘，所述齿形边缘位于所述齿形孔中使所述拉杆与所述防转板周向锁定。

进一步地，所述上防转组件包括防转板及螺钉，所述防转板通过所述螺钉固定于所述编码盘，所述防转板设有多边形孔，所述拉杆对应设有多边形边缘，所述多边形边缘位于所述多边形孔中使所述拉杆与所述防转板周向锁定。

进一步地，所述上防转组件包括螺钉及防转块，所述防转块通过所述螺钉固定于所述编码盘，所述拉杆设有滑槽，所述防转块一端位于所述滑槽中。

进一步地，所述滑槽的延伸方向与所述拉杆的延伸方向相同。

相比现有技术，本发明主轴拉刀机构具有以下优点：

(1)上防转组件抑制主轴拉刀机构与轴芯组件间的相对偏转。

(2)推力轴承抵消双绕弹簧下压时的扭转力，解决了双绕弹簧外圆过度增大的难题，改善了因双绕弹簧的扭转趋势导致防转结构等零件严重磨损的情况，使主轴拉刀机构使用寿命更长。防止主轴在长期频繁的换刀过程中，主轴电机为纠正轴芯的偏转给定的电流始终处于低位，避免引起机床系统因电流负载过大的报警。

(3)弹簧拉刀机构的定位方式摒弃碟簧拉刀机构中碟簧外圆不能作为定位而以拉杆为定位的弊端，运用双绕弹簧植绒后具有自我矫正的功能，以拉杆大头端外圆、双绕弹簧植绒后的整体外圆、拉爪组件外圆组成的三点定位，形成稳定的定位结构。在弹簧拉刀机构中，由于拉杆不作为双绕弹簧的定位，在主轴高速运转过程中，拉杆上没有了碟簧高速离心而导致拉杆弯曲变形的附加质量，拉杆的弯曲变形更小。而且，双绕弹簧内孔比碟簧内孔大，拉杆可以做到更加粗壮，也有助于提高拉杆抗弯曲变形的能力，进一步提升拉刀机构零件在换刀过程的稳定性能。让主轴在长期频繁的换刀过程中保证拉刀机构的零件不会发生相对位置的变化，让主轴原有不平衡量变化很小，保证了主轴的整体振动。

附图说明

图1为本发明主轴拉刀机构的防转结构第一实施例的分解图；

图2为图1的主轴拉刀机构刀柄拉紧状态的结构示意图；

图3为图2的主轴拉刀机构的防转结构A处的放大图；

图4为图1的主轴拉刀机构的推力轴承的分解图；

图5为图1的主轴拉刀机构刀柄松开状态的结构示意图；

图6为本发明主轴拉刀机构的防转结构第二实施例的结构示意图；

图7为图6的主轴拉刀机构的防转结构的局部结构立体图；

图8为本发明主轴拉刀机构的防转结构第三实施例的局部结构立体图；

图9为本发明主轴拉刀机构的防转结构第四实施例的分解图；

图10为图9的主轴拉刀机构的防转结构的的内部结构示意图；

图11为图10的主轴拉刀机构的防转结构B处的放大图。

图中：100、主轴拉刀机构的防转结构；10、螺母；20、编码盘；30、上防转组件；31、防转板；310、固定孔；311、安装孔；312、齿形孔；313、多边形孔；32、销钉；33、螺钉；34、防转块；40、拉杆；41、齿形边缘；42、多边形边缘；43、滑槽；50、双绕弹簧；60、轴芯组件；70、推力轴承；71、上止推垫片；72、保持架；73、滚动体；74、下止推垫片；740、滚道；80、拉爪组件；90、刀柄；200、卸刀结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在另一中间组件，通过中间组件固定。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在另一中间组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在另一中间组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图5，为本发明一种主轴拉刀机构的防转结构100的第一实施例，在本实施例中，一种主轴拉刀机构的防转结构100包括螺母10、编码盘20、上防转组件30、拉杆40、双绕弹簧50、轴芯组件60、推力轴承70、拉爪组件80以及刀柄90。

上防转组件30包括防转板31、销钉32以及螺钉33。销钉32的数量为两个，螺钉33的数量为四个。螺钉33为内六角沉头螺钉。防转板31上设有固定孔310以及安装孔311。固定孔310的数量为四个，固定孔310与螺钉33配合。安装孔311与销钉32过盈配合使销钉32固定于防转板31。

编码盘20上设计了销钉32可穿过的通孔和与螺钉33配合的螺钉孔。编码盘20上还设计了与轴芯组件60配合的内螺纹及安装防转板31的凹槽。

拉杆40与双绕弹簧50的凸台配合处设计有凹槽，与销钉32配合处设计有长孔。

双绕弹簧50一端在平面上设计有凸台，另一端设计为平面。双绕弹簧50表面植有质密、有韧性、极难掉落，又具有很好自润滑作用的绒毛。在主轴高速运转起来后，双绕弹簧50产生的离心膨胀使外圆与轴芯组件60内孔孔壁贴合，而双绕弹簧50质密的绒毛结构使这种贴合更加紧密，使双绕弹簧50具有自我矫正、位置居中对称的功能。

推力轴承70包括上止推垫片71、保持架72、滚动体73以及下止推垫片74。上止推垫片71以及下止推垫片74分别设有滚道740，滚动体73可绕滚道740进行环形滚动。滚动体73安装于保持架72中，并位于上止推垫片71以及下止推垫片74之间。上止推垫片71、下止推垫片74均可在一片静止情况下，另一片转动。

组装主轴拉刀机构的防转结构100时，双绕弹簧50凸台嵌入拉杆40相应的凹槽使两者固定，并将推力轴承70组装于双绕弹簧50平面端后一起组装至轴芯组件60中。将编码盘20通过螺纹连接锁紧至轴芯组件60。将拉杆40的长孔对齐编码盘20的通孔后，再将过盈组装销钉32后的防转板31的整体对准通孔后安装入编码盘20的凹槽中，上紧螺钉33，再组装螺母10。最后从轴芯组件60另一端安装拉爪组件80，形成完成的主轴拉刀机构。

轴芯偏转抑制原理

安装有精密编码器定位的主轴在定位时，通过主轴电机给定相应电流产生对应的扭转力，纠正轴芯的偏转。更换刀柄90时，弹簧产生的扭转力越大，电机为纠正轴芯偏转给定的电流也越大，当电流超过设计上限后就会出现机床系统电流负载过大的报警。为了抑制主轴在更换刀柄90时拉杆40在轴芯组件60内的相对转动而引起轴芯组件60偏转，就必须设置防偏转的机构，保证拉杆40在轴芯组件60内的运动中只有上下运动一个自由度。

卸刀结构200下压时，在其产生的外力F、双绕弹簧50回弹力的共同作用下，卸刀结构200和拉杆40相互接触的面产生摩擦力，仅有的摩擦力不足以阻止扭转力完成拉刀机构防转的任务，这时销钉32与拉杆40的限位作用介入工作，使拉杆40与编码盘20形成一个整体，编码盘20与轴芯组件60固定，保证了主轴轴芯组件60不会随着主轴换刀的过程进行偏转。

弹簧扭转力抵消原理

主轴在更换刀柄90的过程，双绕弹簧50被压缩时产生巨大的回弹力和扭转力。由于常规弹簧拉刀机构无推力轴承70结构，双绕弹簧50的回弹力，让双绕弹簧50与轴芯组件60共同接触的下端面产生摩擦力，使两者相对固定。同时，防转结构又限制了双绕弹簧50上端面的扭转趋势。当双绕弹簧50被压缩时，由于有扭转力的产生，使双绕弹簧50整体的外圆过度增大，挤压轴芯组件60的内壁，经主轴过长时间频繁的换刀过程，防转结构零件和其他相关接触的零件均会出现严重磨损的情况，严重影响主轴振动性能。弹簧拉刀机构设计推力轴承70结构后，由于其上止推垫片71及下止推垫片74可相对独立旋转的结构，在双绕弹簧50被下压时，产生的扭转力通过弹簧下端面自动引导推力轴承70的上止推垫片71进行同步转动，将扭转力抵消。不仅解决了双绕弹簧50整体的外圆过度增大的困境，还大大改善了因双绕弹簧50的扭转趋势导致防转结构等零件严重磨损的情况，使主轴拉刀机构使用寿命更长。

主轴振动控制原理：

传统的碟簧拉刀机构，碟形弹簧通过冲压成型，冲压时由于模具或者碟簧批次的原因，导致碟簧内孔与外径尺寸参差不齐，一致性比较差。而要组装成一个完整的碟簧拉刀机构，需要多达几十上百片碟形弹簧。由于碟簧内孔一致性比较差，在碟簧组装至拉杆40后，碟簧内孔与拉杆40形成的间隙不一致，且主轴轴芯组件60内孔与碟簧外圆没有配合，间隙大。碟簧在主轴高速旋转过程极有可能出现甩动的情况，拉杆40也可能出现任意弯曲变形，导致主轴碟簧出现相对位置变化，主轴原有的动平衡遭到破坏，影响主轴振动情况。

弹簧拉刀机构中的双绕弹簧50，其表面植有质密、有韧性、极难掉落，又具有很好自润滑作用的绒毛。在主轴设计时，轴芯组件60内孔被设计成与双绕弹簧50外圆有恰当的间隙。在主轴高速运转起来后，双绕弹簧50产生的离心膨胀使外圆与轴芯组件60内孔孔壁贴合，而双绕弹簧50质密的绒毛结构，这种贴合更加紧密，使双绕弹簧50具有自我矫正、位置居中对称的功能。这样，双绕弹簧50不再像碟簧一样，使用拉杆40作为定位限制其甩动。同时，拉杆40大头端外圆、拉爪组件80外圆均被设计成与轴芯组件60内孔具有微小间隙，保证拉杆40和拉爪组件80定位误差极小。这样，以轴芯组件60内孔为基准，由拉杆40大头端外圆、双绕弹簧50整体外圆、拉爪组件80外圆组成的三点定位，具有极强的稳定性，使拉刀机构整体与轴芯组件60在同一条轴线上，随着主轴的松拉刀过程也不会使拉刀机构的相关零件产生相对变化。双绕弹簧50设计时，在保证弹簧力及超长寿命的情况下，双绕弹簧50内孔可以做到比碟簧内孔大，而拉杆40与双绕弹簧50内孔配合的外圆尺寸可以做到更大，这样的拉杆40在主轴高速运转的过程中抵抗任意弯曲变形的能力更强，进一步降低了零件发生形变的几率，使主轴的振动稳定性更好，主轴的振动可控制性能也得到极大改善。基于以上设计发明，弹簧拉刀机构及其防转结构可广泛应用于高速、超高速主轴。

请继续参阅图6至图7，为本发明一种主轴拉刀机构的防转结构100的第二实施例，在本实施例中，主轴拉刀机构的防转结构100与第一实施例结构大致相同，不同点在于：上防转组件30只包括防转板31，防转板31设有齿形孔312，拉杆40与防转板31配合处对应设有齿形边缘41，取消第一实施例中销钉32设计。主轴换刀时通过拉杆40与防转板31的齿形边缘41配合，限制拉杆40在轴芯组件60的偏转，实现主轴拉刀机构的防转功能。

请继续参阅图8，为本发明一种主轴拉刀机构的防转结构100的第三实施例，在本实施例中，主轴拉刀机构的防转结构100与第二实施例结构大致相同，不同点在于：防转板31设有多边形孔313，拉杆40与防转板31配合处对应设有多边形边缘42，主轴换刀时通过拉杆40与防转板31的多边形边缘42配合，限制拉杆40在轴芯组件60的偏转，实现主轴拉刀机构的防转功能。

请继续参阅图9至图11，为本发明一种主轴拉刀机构的防转结构100的第四实施例，在本实施例中，主轴拉刀机构的防转结构100与第一实施例结构大致相同，不同点在于：上防转组件30包括螺钉33及防转块34，编码盘20设计有可安装防转块34的直槽及螺钉33的连接孔，防转块34设计有螺钉33可穿过的通孔，拉杆40设计有滑槽43。安装时用螺钉33将防转块34嵌入拉杆40的滑槽43中并锁紧至编码盘20的直槽里。主轴换刀时通过防转块34嵌入拉杆40滑槽43中，限制拉杆40在轴芯组件60的偏转，实现主轴拉刀机构的防转功能。

通过上述设计，主轴拉刀机构的防转结构100结构简单，易加工，安装方便快捷，性能稳定，具有很强的实用价值和通用性，可以广泛应用于现在的主轴中。弹簧拉刀机构在有无防转结构的条件下进行对比，有防转结构的主轴卸刀负载率降低25-30％，且负载率数值稳定，有效解决主轴在更换刀柄90时机床系统因电流负载率过大引起的报警。同时，主轴在长达500多万次的换刀后，拉刀机构的零件不会发生相对位置变化，达到了主轴整体的振动变化小的目的。因此，带防转结构弹簧拉刀机构表现出极强的振动保持性能，可有效应用于不同转速的主轴上。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进演变，都是依据本发明实质技术对以上实施例做的等同修饰与演变，这些都属于本发明的保护范围。