加工單元和機床的制作方法

專利名稱：加工單元和機床的制作方法
技術領域：
本發明涉及用旋轉工具加工工件的加工單元和機床，所述旋轉工具具有被驅動旋轉的主軸部件。
背景技術：
通常，用適于某一種加工類型的機床來進行該類型的工件加工。例如，當要在圓柱管的外周面上形成螺紋，那就用車床來加工。用車床車出螺紋的過程如下使所述管與車床的主軸部件一起繞所述管的軸線旋轉，此時所述管被卡盤固定在所述主軸部件上，與此同時，使工具在所述管的軸線方向上移動，且所述工具的切削刃緊靠著所述管的外周面。
不過，當管的直徑或長度很大時，需要更大的力來旋轉所述管，因而需要更大的車床，這會使成本上升。此外，若管的尺寸很大，在管旋轉時可能會產生自激振動，這會使加工精度難以保持。
現有技術中用涉及U軸加工的方法來解決上述問題，所述方法中用到加工中心。所述U軸加工是一種不同于車床加工的方法，加工時，工件固定不動，通過使工具旋轉并同時調整工具的旋轉半徑來加工工件。
也即，如側-現1A和1B所示，管101在某一特定位置^皮不可動地固定住。加工中心包括主軸部件121,該主軸部件121被驅動并旋轉，且具有工具143;該工具143相對于旋轉中心C12I的位置徑向可調。首先調節工具143的旋轉半徑，使工具143位于與管101的直徑相對應的位置，如圖1B所示；然后旋轉主軸部件121,旋轉時，使該主軸部件121的旋轉中心C121與管101的軸線C101對齊，如圖1A所示。從而使工具143的切削刃沿管101的外周面旋轉，與此同時，主軸部件121在管101的軸線方向上移動，從而在管101的外周面上形成螺紋。
日本專利文獻62-42726公開了這種類型的U軸加工裝置。即如圖2A和2B所示(該圖2A和2B為沿圖1B中箭頭II所指方向看過去的視圖)，所述裝置的主軸部件121上設有可繞偏心軸C131轉動的偏心旋轉部件131,所述偏心軸C131偏心地坐落在旋轉中心C121的徑向上；工具143固定至所述偏心旋轉部件131。因此，通過將偏心旋轉部件131從圖2A所示的位置轉動到圖2B所示的位置，可是工具143在主軸部件121的徑向上移動；從而可將工具143的旋轉半徑設置為與所述管的直徑相對應的半徑。
至于加工時的切削性能，可通過將工具143的切削刃143E向著主軸部件121的旋轉中心C121轉動來調節。但在上述的裝置中，由于工具143以不能轉動的方式固定在偏心旋轉部件131上，不能調節工具143的切削刃143E的取向；因此即使如圖2A所示，當工具143的旋轉半徑為特定值時，將切削刃143E轉動到正對著主軸部件121的旋轉中心C121,但在改變旋轉半徑時，切削刃143E卻不再與旋轉中心C121相對，如圖2B所示。因此所述裝置難以保持適于不同管徑的優良切削性能。
螺紋形成過程進行到快結束時， 一邊形成螺紋， 一邊連續地改變工具143的旋轉半徑，使螺紋逐漸變淺。此時，由于與上文所述的相同的原因，存在切削性能的降低導致加工精度降低的危險，而切削性能的降低的原因是當螺紋形成過程進行到快結束時，工具143的切削刃143E的取向離開了主軸部件121的旋轉中心C121的引導。

發明內容
鑒于上述現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供加工單元和才幾床，該加工單元和機床可在改變工具的旋轉半徑的同時保持工具的優良切削性能。
為實現上述目的，本發明的主要方面是提供一種由機床支撐的加工單元，該加工單元通過具有被驅動轉動的主軸的旋轉工具來加工工件，所述加工單元包括
偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞一偏心軸轉動，該偏心軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；
工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；
工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸轉動來改變工具的旋轉半徑；和
切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄繞其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所述工具柄的軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
此外，本發明還提供一種機床，該機床用具有被驅動轉動的主軸部件的旋轉工具來加工工件，所述機床包括
用于使所述主軸部件沿該主軸部件的旋轉中心的軸線方向直線移動的機構；偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞一偏心軸轉動，該偏心 軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；
工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；
工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸 轉動來改變工具的旋轉半徑；和
切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所 述工具柄的軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
下面將結合附圖和具體實施例來對本發明作進一步詳細說明。


圖1A和1B為用于U軸加工的機床的側視圖2A和2B是從圖1B中箭頭II所示方向看過去的視圖，其展示了用于U軸加工的傳 統機床；
圖3為根據本發明第一種實施方式的、包括加工單元11的機床1的透視圖4A和4B為加工單元11的外部4見圖，其中，圖4A為側4見圖，而圖4B為從圖4A 中箭頭B所示方向看過去的^L圖5A為沿主軸部件21的旋轉軸C21剖開的加工單元11的剖-f見圖，圖5B為沿圖5A 中B-B線剖開的剖視圖6A 6D為沿圖5A中VI-VI線剖開的剖視圖，這四幅圖展示了切削刃取向糾正機構 怎樣使切削刃43E根據工具43的旋轉半徑而向著主軸部件21的旋轉軸C21轉動的過程；
圖7展示了根據本發明第一種實施方式的加工單元11,該加工單元11可進行鉆孔、 銑削等加工；
圖8展示了根據本發明第二種實施方式的加工單元lla,該圖為沿主軸部件21的旋轉 軸C21剖開的加工單元lla的縱向剖視圖9A 9C展示了用于轉動偏心旋轉部件31的差動齒輪機構61;
圖10為根據上述第二種實施方式作修改后的實施例的加工單元lib的縱向剖視6圖11展示了用加工單元11、 lla和llb在管101的內周面上形成螺紋的過程。
具體實施例方式
由機床支撐的加工單元，該加工單元通過旋轉工具來加工工件，所述旋轉工具具有被 驅動并旋轉的主軸部件；所述加工單元包括
偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞一偏心軸轉動，該偏心 軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；
工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；
工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸 轉動來改變工具的旋轉半徑；和
切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄繞其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向， 所述軸線與主軸部件的; 走轉中心平行。
在上述加工單元中，由于可通過工具柄的自轉來糾正工具切削刃的取向，因此，不管 工具的旋轉半徑如何改變，所述切削刃均可轉動到適當的方向。因此，可以在改變工具旋 轉半徑的同時保持工具的優良切削性能。
在該加工單元中，可以設置為切削刃取向糾正機構糾正切削刃的取向，使所迷切削 刃的取向以主軸部件的旋轉中心為基準保持在一定范圍內。
有了上述加工單元，切削刃的取向可被糾正，從而^吏所述取向以主軸部件的旋轉中心 為基準保持在一定范圍內。因此，不管工具的旋轉半徑如何改變，工具的切削刃均可轉動 到適當的方向。因此，可以在改變工具旋轉半徑的同時保持工具的優良切削性能。
在該加工單元中，可以設置為工具切削刃的取向可被糾正，以在加工過程中使所述 切削刃指向主軸部件的旋轉中心，或者指向相反方向。
有了上述加工單元，工具切削刃的取向可被糾正，以在加工過程中使所述切削刃轉向 或者轉離主軸部件的旋轉中心。這樣，無論工具的旋轉半徑是多少，都可以保持工具的優 良切削性能。
在該加工單元中，可以設置為所述切削刃取向糾正機構根據工具的旋轉半徑來改變
7工具切削刃的取向。
有了上述加工單元，就可根據工具的旋轉半徑來改變和糾正工具切削刃的取向。因此， 當加工過程中工具的旋轉半徑發生改變時，切削刃可根據所述旋轉半徑自動轉動到最合適
的方向；因此可在旋轉半徑于加工過程中改變時防止切削性能降低。
在該加工單元中，可以設置為由所述偏心旋轉部件的旋轉而發生移動的所迷工具柄 的軸線穿過所述主軸部件的旋轉中心。
有了上述加工單元，如果所述工具柄在偏心旋轉部件的旋轉作用下移動于主軸部件的 徑向上，且工具柄的軸線與主軸部件的旋轉中心對齊，那么當所述工具柄支持著工具如鉆 咀或銑刀時，也可以進行鉆銑操作。
此外，由于可將工具的旋轉半徑設定為零，因此能夠降低可加工直徑的下限。
在該加工單元中，可以設置為所述切削刃取向糾正機構為凸輪機構，該凸輪機構將 旋轉運動轉化為自轉運動并傳遞給工具柄，所述旋轉運動被傳輸至所述工具旋轉半徑改變 機構，以使所述偏心旋轉部件繞所述偏心軸旋轉。
有了上述加工單元，由于所述切削刃取向糾正機構為凸輪機構，因此所述偏心旋轉部 件的旋轉運動和所述工具柄的自轉運動可以高度精確地關聯起來。
此外，由于上述自轉運動由凸輪機構產生，因此可以任意決定所述偏心軸距主軸部件 的旋轉中心的偏心距與所述工具柄的軸線距所述偏心軸的偏心距之間的關系(比率)。根 據所述關系設定凸輪曲線，可使工具柄自轉，從而將切削刃的取向以主軸部件的旋轉中心 為基準保持在的一定范圍內，換句話說，不管工具的旋轉半徑是多少，總使切削刃指向主 軸部件的旋轉中心。因此，所述加工單元可滿足各種不同的需求，具有極大的靈活性。
在該加工單元中，可以設置為所述機床具有使主軸部件沿該主軸部件的旋轉中心的 軸線方向直線移動的機構；所述工件為圓柱管，并被固定不動地保持在特定位置；通過使 工具的切削刃緊靠著所述管的表面，旋轉并直線移動主軸部件，同時使主軸部件旋轉中心 的軸線與所述管的軸線對齊，從而在所述管的外周面和內周面的任一個上形成螺紋。
有了上述加工單元，就可以在圓柱管的外周面或內周面上形成螺紋。
此外，本發明提供一種機床，該機床用帶有被驅動并旋轉的主軸部件的旋轉工具來加 工工件，所述^幾床包4舌用于使主軸部件沿該主軸部件的旋轉中心的軸線方向直線移動的機構；
偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞一偏心軸轉動，該偏心 軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；
工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；
工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸 轉動來改變工具的旋轉半徑；和
切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所 述工具柄的軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
有了上述機床，由于可通過工具柄的自轉來糾正工具切削刃的取向，因此不管工具的 旋轉半徑是多少> 總可將所述切削刃轉動到合適的方向；因此可在保持工具的良好切削性 能的同時，改變工具的4^轉半徑。
根據本發明第一種實施方式的機床1
圖3為根據本發明第一種實施方式的、包括加工單元11的機床1的透視圖。在下文的 敘迷中，對于彼此垂直的三根軸即X軸Y軸和Z軸的方向，X軸方向也稱"左-右"方向，Y 軸方向也稱豎直方向(即"上-下"方向)，Z軸方向也稱"前-后"方向，如困3所示。
例如，當待加工工件為圓柱管101時，所述機床1用于在所迷管的外周面或者內周面 上加工螺紋。因此，所述機床1包括支座3，管101被置于該支座3上，支座3固定不 動地夾持著管101;頭部外殼15，該頭部外殼15由柱5支持，并可在Y軸方向上直線移 動，柱5可在X軸和Z軸方向上分別獨立地直線移動；加工單元11由頭部外殼15支撐， 并使工具43沿所述管101的外周面或內周面旋轉。
位于支座3上的管101的軸線方向與4幾床1的Z軸方向平fi"。所述加工單元11包括 主軸部件21，該主軸部件21被驅動、并繞平行于Z軸的旋轉軸C21旋轉；該主軸部件21 具有工具43。 柱5的頭部外殼15分別在X和Y方向、即左-右和豎直方向上移動，從而 使主軸部件21的旋轉軸C21與管101的軸線對齊。然后，在這種對齊條件下，通過旋轉 主軸部件21,使工具43以特定的旋轉半徑旋轉，并在旋轉工具43的切削刃緊靠著管101 的外周面或內周面的前;f是下，〗吏柱5在Z軸方向上直線移動。
圖4A和4B是加工單元11的外視圖，其中，圖4A為側視圖，圖4B為沿圖4A中箭頭B所示方向看過去的;f見圖，即前視圖。
所述加工單元11包括由頭部外殼15可旋轉地支撐的主軸部件21;偏心旋轉部件31, 該偏心旋轉部件31設置在所迷主軸部件21上，并可繞偏心軸C31旋轉，該偏心軸C31位 于所述主軸部件的徑向上相對于旋轉軸C21為偏心的位置；用于夾持工具43的工具柄41, 該工具柄41設置在所述偏心旋轉部件31上，其設置方式使得工具柄41可繞平行于旋轉 軸C21的軸線C41作自身旋轉(下文中稱為"自轉，，)。
在所迷加工單元11中，偏心旋轉部件31的旋轉使得工具43在徑向上移至與待處理管 的直徑如Da、 Db和Dc相對應的位置，從而使工具43的旋轉半徑可被設定為與管徑如 Da、 Db和Dc相對應的半徑，所述管徑如圖4B中的雙點劃線所示。此外，通過工具柄41 繞軸線C41 (下文也稱為自轉軸C41)的旋轉，可使工具43的切削刃43E向著主軸部件 21的旋轉軸C21旋轉。這使得不管管徑是Da、 Db還是Dc,均能在螺紋形成過程中保持 良好的切削性能。
下面逐一詳述所述加工單元11的各組成部件。
圖5A是沿主軸部件21的旋轉軸C21剖開的加工單元11的剖視圖。圖5B是沿圖5A 中B-B線的剖視圖。注意為了便于理解，剖視圖中有些部分沒有打上陰影線。
主軸部件21
如圖5A所示，主軸部件21的主體由徑向大圓柱部件22和中空圓柱部件24組成，所 述圓柱部件22位于前方，所迷中空圓柱部件24的直徑小于圓柱部件22的直徑，并從圓 柱部件22的后端面處向后同軸伸出。當中空圓柱部件24被容納在加工單元11的頭部外殼 15內時，主軸部件21由頭部外殼15支撐，該頭部外殼15可通過軸承26的作用繞旋轉軸 C21旋轉，所迷軸承26設在頭部外殼15的內周面上。
用電動馬達或類似的動力源使所述主軸部件21旋轉；在本實施方式中，主軸部件21 的中空圓柱部件24和頭部外殼15被用作所述電動馬達的構成部件。也就是說，所述中空 圓柱部件24起電動馬達的轉子的作用，而頭部外殼15起電動馬達的定子的作用。因此， 例如，在中空圓柱部件24的外周面上，永磁體27a的北極和南極關于旋轉軸C21對稱設 置。另一方面，在頭部外殼15的內周面上，沿圓周方向設有多個線圈27b，這些線圈產生
10交變磁場。在旋轉方向上具有相位差的交流電流通過電纜流動于這些線圈27b內。因此， 轉子的永磁體27a被定子的每個線圈27b的磁吸力和磁斥力連續地吸引和排斥，使轉子按 一個方向旋轉，以驅動主軸部件21 ，并使該主軸部件21繞旋轉軸C21旋轉。
偏心旋轉部件31
如圖5A和5B所示，偏心旋轉部件31的主體是一個圓柱體，其與軸線垂直的橫截面 是個正圓，且該圓柱體一皮容納在圓形凹陷22c內，該圓形凹陷22c形成在主軸部件21的圓 柱部件22的前端面22a上。偏心旋轉部件31被支撐得可通過軸承32繞中心C31轉動， 所述軸承32設在圓形凹陷22c的內周面上。
所述中心C31相當于上述的偏心軸C31;也就是說，該中心C31偏心地坐落在主軸部 件21的旋轉軸C21的徑向上。工具柄41偏心地坐落在偏心軸C31的徑向上。因此，當偏 心旋轉部件31繞偏心軸C31旋轉時，工具柄就在主軸部件21的徑向上移動；這樣就改變 了工具43的旋轉半徑。
用于旋轉所述偏心旋轉部件31的驅動機構(相當于所述工具旋轉半徑改變機構)被 容納在腔部22d內，該腔部22d形成在主軸部件21的圓柱部件22內，并與圓形凹陷22c 相通。所述驅動機構包括作為電源的伺服馬達33,和凸輪機構35,該凸輪機構35將伺服 馬達33的驅動和旋轉軸的旋轉傳遞給偏心旋轉部件31。
所述凸輪機構35為采用弧面凸輪的凸輪機構，以減小后坐力。更特別地，所述凸輪 機構35包括按一定傾斜度沿圓周方向設置在偏心旋轉部件31的外周面上的多個凸輪從 動件36;和軸類弧面凸輪37，該弧面凸輪37面向偏心旋轉部件31的外周面，并由軸承 38可旋轉地支撐，所述軸承38位于腔部22d的內周面上。在弧面凸輪37的外周面上形成 有大致為螺旋狀的錐形肋條，構成凸輪表面的這些肋條根據圓周方向上的位置、在一個方 向上沿軸線C37持續不斷地螺旋前進。沿軸線C37的所述方向即偏心旋轉部件31的旋轉 方向，也即其圓周方向。這樣，旋轉運動就從與弧形凸輪37的軸端直接相連的伺服馬達 33傳遞到了弧面凸輪37,從而使弧形凸輪37轉動。此時，相鄰的凸輪從動件36緊靠著 錐形肋條37a的兩個側面37b、 37b，并使該錐形肋條37a夾在所述凸輪從動件之間，沿弧 面凸輪37的軸線C37方向連續地進給所述凸輪從動件36;從而使偏心旋轉部件31繞偏心 軸C31旋轉。
伺服馬達33的驅動和旋轉軸33a,弧面凸輪37，以及偏心旋轉部件31，三者之中的任意一個設有旋轉量檢測傳感器(未圖示)，比如用于檢測偏心旋轉部件31的旋轉量(旋 轉角)的編碼器。可根據主軸部件21的旋轉軸C21、偏心旋轉部件31的偏心軸C31、以 及工具柄41排列布置的幾何關系，預先獲得偏心旋轉部件31的旋轉量與工具柄41在主 軸部件21的徑向上的行進之間的關系。因此，在本實施例中，設有作為控制器的計算機， 從旋轉量檢測傳感器輸出的旋轉量信息被輸入到所述計算機中。所述計算機通過在所述旋 轉量信息的基礎上控制伺服馬達33的旋轉，使工具柄移動到所述徑向上的目標位置，并 將工具43的旋轉半徑調節到目標半徑。
工具柄41
如圖5A和5B所示，工具柄41的主體是個圓柱體，其與軸線垂直的橫截面是個正圓； 工具43與該圓柱體的前端相連。圓柱體的后端被容納在通孔31a內，該通孔31a穿過偏心 旋轉部件31、位于前-后方向上；圓柱體的后端被支撐著，其支撐方式4吏得該圓柱體的后 端可通過軸承44繞中心C41旋轉，所述軸承44設在通孔31a的內周面上。所述中心C41 相當于前述的自轉軸C41,該自轉軸C41平行于主軸部件21的旋轉軸C2L因此，當使 工具柄41繞中心C41自轉時，可調整工具43的切削刃43E的取向，使該取向保持在以旋 轉軸C21為基準的一定范圍內。
在第一種實施方式中，工具柄41以被偏心旋轉部件31的旋轉運動改變的工具43的 旋轉半徑自轉。因此，工具43的切削刃43E被糾正和調節，使得在加工過程中不管工具 43的旋轉半徑是多少，切削刃43E總是指向旋轉軸C21 。
作為根據旋轉半徑來改變切削刃43E的取向的機構(相當于前文述及的切削刃取向糾 正機構)，其包舍例如凸輪機構，該凸輪機構將偏心旋轉部件31的旋轉運動轉化為工具柄 41的自轉運動；在本實施例中，凸輪機構采用槽凸輪。更特別地，凸輪槽45大致為弧形， 開在圓形凹陷22c的底面22e上，所述圓形凹陷22c.形成在主軸部件21的前端面22a上。 凸輪槽45的形成使得位于臂42的末端的凸輪從動件進入該凸輪槽45中并與槽接合，所 述臂42與工具柄41的后端為一體。如圖6A 6D所示，該圖6A 6D為沿圖5A中的VI-VI 線剖開的剖視圖，通過偏心旋轉部件31繞偏心軸C31的旋轉運動，工具柄41在主軸部件 21的旋轉軸C21的徑向上移動，同時環繞著偏心軸C31轉動。此時，由于沿凸l合槽45移 動的凸輪從動件42a的活動受到凸輪槽45的限制，自轉運動通過臂42傳遞到工具柄41。 因此，工具柄41的工具43的切削刃43E的取向被糾正，使所述切削刃43E總是指向主軸 部件21的旋轉軸C21。
12凸輪槽45的弧形曲線(凸輪曲線)只由主軸部件21的旋轉軸C21所在位置、偏心旋 轉部件31的偏心軸C31所在位置、以及工具柄41的自轉軸C41所在位置之間的幾何關系 決定，當工具柄41以前述方式繞偏心軸C31旋轉時，所述凸輪槽45的弧形曲線根據工具 柄的位置使該工具柄41作必要程度的自轉。所述弧形曲線是用合適的繪圖方法確定。
確定凸輪槽45的弧形曲線，使得加工過程中工具43的切削刃43E指向主軸部件21 的旋轉軸C21 。換言之，所述弧形曲線被設計為使得所述切削刃43E在受到理想的切削力 時指向旋轉軸C21。因此，當不加工時，也就是切削刃沒有受到切削力時，由于工具43、 工具柄41等在所述理想切削刃作用下的彈性形變，切削刃43E的取向離開主軸部件21的 旋轉軸C21的方向。因此，當在不加工時預先設定切削刃43E的取向時，可以將其設置為 向著遠離旋轉軸C21的位置，該位置為相應于前迷彈性變形量的位置。
在第一種實施方式中，由于工具柄41的自轉運動是由凸輪機構以前述方式引起的， 因此可以任意確定偏心軸C31距旋轉軸C21的偏心距與自轉軸C41距偏心軸C31的偏心 距這二者之間的關系(比率)。根據上述關系設計凸輪曲線(即凸輪槽45的弧形曲線)， 可使工具柄41自轉，從而使得不管工具43的旋轉半徑是多少，工具43的切削刃43E總 是指向主軸部件21的旋轉中心C21。因此，加工單元11可滿足各種需求，具有極好的靈 活性。
此外，工具43的旋轉半徑不僅可在螺紋加工之前改變，而且還可在螺紋加工過程中 改變。如果在螺紋加工過程中改變所述旋轉半徑，則可在維持高切削性能的同時，加工出 形狀復雜的螺紋。比如，在螺紋加工快要結束、接近尾部時，邊加工螺紋邊連續地改變工 具43的旋轉半徑，使螺紋逐漸變淺。在這種情況下采用本發明的加工單元11時，根據工 具43的旋轉半徑的改變，切削刃43E指向主軸部件21的旋轉軸C21。因此，可在不犧牲 切削性能的前提下維持高的加工精度。
此外，優選地，設計凸輪槽45的弧形曲線(見圖6D),使得工具柄41的自轉軸C41 的路徑穿過主軸部件21的旋轉軸C21 ，所述工具柄4在偏心旋轉部件31的旋轉作用下移 動于主軸部件21的徑向上。如果將所述路徑設計為上述情況，則可通過偏心旋轉部件31 的旋轉作用，使工具柄41在主軸部件21的徑向上移動，令工具柄41的軸線C41與主軸 部件21的軸線C21對齊，如圖6D所示。因此，如圖7所示，工具柄41夾持著工具43 如鉆咀或銑刀，可通過主軸部件21的旋轉，對工件102進行鉆孔或銑削加工。另外，由 于工具43的旋轉半徑可4fc咸少為接近零，因此可以降低工件101的可加工直徑的下限， 也就是說，能夠增大所述可加工直徑的范圍。根據本發明第二種實施方式的加工單元lla
圖8-9C展示了根據本發明第二種實施方式的加工單元lla;其中，圖8為沿主軸部件 21的旋轉軸C21剖開的加工單元lla的縱向剖視圖；圖9A為用于旋轉偏心旋轉部件31 的差動齒輪機構61的放大剖視圖；圖9B為沿圖9A中B-B線的剖4見示意圖，該圖展示了 恒星齒輪62、行星齒輪63、外齒輪65之間的嚙合關系；圖9C為沿圖9A中C-C線的剖 視示意圖，該圖展示了主軸部件21的外齒24a和齒輪68的齒68a之間的嚙合關系。注意， 為便于理解，剖視圖中有些部分沒有打上陰影線。
在上述的第一種實施方式中，已經描述了那種可旋轉的主軸部件21中包含有伺服馬 達33 (該伺服馬達33用于驅動和旋轉偏心旋轉部件31 )的結構(見圖5B )。如果馬達33 以前述方式被包含在主軸部件21中，則馬達33與主軸部件21 —起繞旋轉軸C21旋轉和 移動。關于向馬達33供應電能的方法，既可使馬達33以上述方式旋轉和移動以產生電流， 也可使主軸部件21帶有靠近馬達33的內置電池，還可使用電刷接觸結構的外部電源來給 馬達33供應電流，等等。不過，電池能夠供應的電能很有限，而在電刷接觸結構中，又 存在由于電刷磨損等導致維修頻率上升的風險。
為了解決上述問題，在第二種實施方式中采用差動齒輪機構61，馬達33被附連在加 工單元lla的頭部外殼15的外部(見圖8)。這樣，馬達33不與那些可旋轉、移動的部分 相連，因而解決了上述問題。注意，除了這一點，第二種實施方式與第一種實施方式基本 相同。因此，其它相同的元件用相同的附圖標記表示，并省去相關的描述。
如圖8所示，用于旋轉所述偏心旋轉部件31的伺服馬達33固定至加工單元lla的頭 部外殼15的后端的外部。馬達33的旋轉通過傳動軸52傳遞至主軸部件21內的弧面凸輪 37 (該弧面凸輪37安裝在前面)，所述傳動軸52在前-后方向上延伸、通過主軸部件21的 中空圓柱部件24。
更特別地，傳動軸52通過軸承53支撐在中空圓柱部件24中，其支撐方式使得傳動 軸52可繞主軸部件21的旋轉軸C21旋轉。此外，傳動軸52的前端固定有直齒輪(即直 齒圓柱齒輪)54,該直齒輪54與所述傳動軸52同軸，與直齒輪54嚙合的直齒輪55由主 軸部件21的圓柱部件22通過軸承56支撐。直齒輪55具有與其為一體且同軸的弧面凸輪 57。凸輪表面(即所述弧面凸輪57的外周面)與多個凸輪從動件58嚙合，所述凸輪從動 件58設在弧面凸輪37的軸端，本實施方式中所用的弧面凸輪與第一種實施方式中所用的弧面凸輪相同。因此，當傳動軸52旋轉時，其旋轉運動通過直齒輪54、與直齒輪55相連 的弧面凸輪57、以及弧面凸輪37傳遞到偏心旋轉部件31，從而使偏心旋轉部件31繞偏 心軸C31旋轉。
但是，如上文所述，主軸部件21繞旋轉軸C21旋轉。因此，如果傳動軸52在轉動中 停下來，主軸部件21的直齒輪55在與直齒輪54嚙合的同時、還將繞傳動軸52的直齒輪 54旋轉。此時，由于與直齒輪54的嚙合，直齒輪55也在自轉，而與直齒輪55為一體的 弧面凸輪57也在自轉。因此，旋轉運動就自然地被傳遞給了弧面凸輪37,從而使偏心旋 轉部件31旋轉。
因此，為了使偏心旋轉部件31的旋轉運動獨立于主軸部件21的旋轉，必須使傳動軸 52以與主軸部件21相同的轉速(rpm)旋轉，以消除由主軸部件21的旋轉產生的影響。 換言之，必須將轉動偏心旋轉部件31所需的旋轉運動也施加給傳動軸52,使傳動軸52以 與主軸部件21相同的轉速旋轉。
在第二種實施方式中，伺服馬達33的驅動和旋轉軸33a與傳動軸52通過設在二者之 間的差動齒輪機構61互相連接，從而實現上述的旋轉運動。
所述差動齒輪機構61也是指一個行星齒輪機構，該行星齒輪機構可將兩個獨立輸入 的旋轉運動結合為一個旋轉運動并將其輸出。如圖9A和9B所示，差動齒輪機構61包括 恒星齒輪62;與恒星齒輪62嚙合并可圍繞恒星齒輪62轉動的的四個行星齒輪63;行星 齒輪架64,該行星齒輪架64支撐四個行星齒輪63的旋轉軸63a,并可根據行星齒輪63 的旋轉運動進行自轉；外齒輪65，該外齒輪65由行星齒輪架64可旋轉地支撐，且具有內 齒65a,該內齒65a與位于外齒輪65的內周面處的四個行星齒輪63嚙合。例如，當彼此 獨立的旋轉運動被輸送給恒星齒輪62和外齒輪65時，這兩個旋轉運動被結合為一個運動， 并輸出為行星齒輪架64的自轉運動。
在所述第二種實施方式中，如圖9A 9C所示，主軸部件21的旋轉運動通過中空圓柱 部件24后端的外齒24a與齒輪68前端的齒68a的嚙合、以及齒輪68后端的齒68b與外齒 輪65的外齒65b的噴合，傳輸至外齒輪65，所述齒輪68由頭部外殼15可旋轉地支撐。 另一方面，恒星齒輪62的軸端與用于驅動并旋轉偏心旋轉部件31的伺服馬達33的驅動 和旋轉軸33a直接相連，且馬達33將使工具柄41發生徑向移動所必需的旋轉運動輸送給 恒星齒輪62。這兩個旋轉運動被結合，并輸出為行星齒輪架64處的自轉運動；而傳動軸 52的后端同軸固定至行星齒輪架64的前端。這樣，傳動軸52的旋轉運動即為主軸部件
1521的旋轉運動和伺服馬達33的旋轉運動的結合。因此，在主軸部件21的旋轉過程中，控 制馬達33以使偏心旋轉部件31轉動，從而使工具柄41進行徑向移動。
例如，當馬達33促使恒星齒輪62旋轉時，正以與主軸部件21相同的轉速旋轉的傳 動軸52也按恒星齒輪62的旋轉量被轉動。這樣，偏心旋轉部件31按所述旋轉量轉動， 從而使得工具柄41發生徑向移動。當馬達33停止轉動行星齒輪62時，由于偏心旋轉部 件31停止轉動，工具柄41的徑向移動停止。此時，傳動軸52以與主軸部件21相同的轉 速旋轉，工具柄41在徑向上保持靜止。
馬達33停止時，傳動軸52以與主軸部件21相同的轉速旋轉，就是說，沒有旋轉運 動從恒星齒輪62輸入。上述目的通過合適地設定下述齒數來實現主軸部件21的中空圓 柱部件24的外齒24a齒數、齒輪68前端的齒68a的齒數、齒輪68后端的齒68b的齒數、 外齒輪65的外齒65b的齒數、外齒輪65的內齒65a的齒數、以及行星齒輪63的齒數。
圖10為根據第二種實施方式的修改實施例的加工單元lib的縱向剖視圖。
在前述的第二種實施方式中，旋轉運動從傳動軸52到偏心旋轉部件31的傳輸用包含 弧面凸輪37、 57的凸輪機構來實現。本修改實施例在這一點上不同，只采用了包括直齒 輪54、 72的齒輪系來實現上迷運動傳輸。更特別地，直齒輪54固定至傳動軸52的前端， 且與傳動軸52同軸；與直齒輪54嚙合的直齒輪72固定至偏心;旋轉部件31,并與偏心旋 轉部件31的偏心軸C31同軸。通過這些互相嚙合的直齒輪54、 72,傳動軸52的旋轉運動 被傳輸給偏心旋轉部件31,使該偏心旋轉部件31旋轉。當然，本修改實施例中使用所述 第二種實施方式中所述的差動齒輪機構61。
其它實施方式
本發明不限于上述的實施方式；本發明還可進行下面所述的修改。
(a)在前述實施方式中，由于所舉例子主要是描述了在管101的外周面上加工螺紋的 過程，因此工具43的切削刃43E的取向通過使工具柄41自轉、從而令切削刃43E指向主 軸部件21的旋轉軸C21來糾正。不過，當然地，當在管101的內周面上加工螺紋時，則 改變切削刃43E的取向，使其在加工過程中指向與主軸部件21的旋轉軸C21相反的方向， 如圖11所示。
此外，前文描述了糾正切削刃43E、使其指向主軸部件21的旋轉軸C21或者與此相反的方向。不過，只要確保了用于不同的待加工工件的理想切削性能，那么切削刃43E也 可以稍微偏離旋轉軸C21的方向，或者在一定程度上指向相反的方向。在這個意義上，關 于切削刃取向糾正機構對切削刃的取向的糾正，可以釆用下述表達方式"切削刃取向糾正 機構糾正切削刃的取向，使該取向處于以主軸部件的旋轉中心為基準的一定范圍內"。
(b )在前述實施方式中，包括槽凸輪等的凸輪機構被用于切削刃取向糾正機構，切 削刃43E的取向根據工具43的旋轉半徑被自動糾正。不過，本發明也不限于這種結構。 例如，也可采用另一種結構，其中另設有專用電源如馬達，以-使工具柄41自轉，且工具 柄41的自轉和偏心旋轉部件31的旋轉可分開獨立操作。
(c) 在前述實施方式中，沒有描迷軸承26、 32、 38、 44、 53、 56的類型，這些軸承 可使用滾子軸承、球軸承、滑動軸承，也可使用交叉滾子軸承。
(d) 在前述實施方式中，管101上的螺紋加工僅僅只是一個加工的例子，本發明不 限于此，只要加工是用工具43的旋轉完成的就行。
1權利要求
1.一種加工單元，該加工單元由機床支撐，并通過旋轉工具來加工工件，所述旋轉工具具有被驅動并旋轉的主軸部件；其特征在于，所述加工單元包括偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞偏心軸轉動，該偏心軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸轉動來改變工具的旋轉半徑；和切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄繞其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所述軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
2. 根據權利要求1所述的加工單元，其特征在于所述切削刃取向糾正機構糾正切削刃的取向，使所述切削刃的取向以主軸部件的旋轉中心為基準保持在一定范圍內。
3. 根據權利要求2所述的加工單元，其特征在于所述工具切削刃的取向可被糾正，以在加工過程中使所述切削刃指向主軸部件的旋轉中心，或者指向相反方向。
4. 根據權利要求1所述的加工單元，其特征在于所述切削刃取向糾正機構根據工具的旋轉半徑來改變工具切削刃的取向。
5. 根據權利要求1所述的加工單元，其特征在于由于所述偏心旋轉部件的旋轉而發生移動的所迷工具柄的軸線穿過所述主軸部件的旋轉中心。
6. 根據權利要求1所述的加工單元，其特征在于所述切削刃取向糾正機構為凸輪機構，該凸輪機構將旋轉運動轉化為自轉運動并傳遞給工具柄，所述旋轉運動被傳輸至所述工具旋轉半徑改變機構，以使所述偏心旋轉部件繞所述偏心軸旋轉。
7. 根據權利要求1所述的加工單元，其特征在于所述機床具有使主軸部件沿該主軸部件的旋轉中心的軸線方向直線移動的機構；所述工件為圓柱管，并被固定不動地保持在特定位置；通過使工具的切削刃緊靠著所述管的表面，旋轉并直線移動主軸部件，同時使主軸部件旋轉中心的軸線與所述管的軸線對齊，從而在所述管的外周面和內周面的任一個上形成螺紋。
8. —種機床，該機床用帶有被驅動并旋轉的主軸部件的旋轉工具來加工工件，其特征在于，所述機床包括用于使主軸部件沿該主軸部件的旋轉中心的軸線方向直線移動的機構；偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞一偏心軸轉動，該偏心軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸轉動來改變工具的旋轉半徑；和切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所述工具柄的軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
全文摘要
本發明提供一種加工單元，該加工單元由機床支撐，并通過旋轉工具來加工工件，所述旋轉工具具有被驅動并旋轉的主軸部件；其特征在于，所述加工單元包括偏心旋轉部件，該偏心旋轉部件設置在所述主軸部件上，可繞偏心軸轉動，該偏心軸位于所述主軸部件的徑向上、處于距該主軸部件的旋轉中心任意距離的偏心位置；工具柄，該工具柄設在所述偏心旋轉部件上，用于支持所述工具；工具旋轉半徑改變機構，該機構徑向移動所述工具，并通過使偏心旋轉部件繞偏心軸轉動來改變工具的旋轉半徑；切削刃取向糾正機構，該機構通過使工具柄繞其軸線自轉來糾正工具切削刃的取向，所述軸線與主軸部件的旋轉中心平行。
文檔編號B23Q3/12GK101513719SQ20091000826
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月17日 優先權日2008年2月18日
發明者中津正晴, 加藤平三郎, 北山稔, 堀部和也, 小島秀和 申請人:株式會社三共制作所;山崎馬扎克株式會社