本实用新型涉及数控机床的摆角铣头，具体涉及一种紧凑型双齿消隙机械单摆头。
背景技术：
数控机床在工业生产、制造业等各个领域起着重要作用，而铣刀和铣头更是作为主要加工装置。对于单摆铣头而言，其体积和加工方式很大程度上决定了铣头适用的加工范围，小的体积更有利于加工复杂曲面，同时配合侧挂铣头结构，可使得铣头适用范围更广。但单摆铣头的体积减小意味着驱动电机的体积也要减小，导致铣头所需扭矩不足，影响加工的生产效率。若采用力矩电机进行驱动，可以输出稳定的扭矩，但不管是采用直驱方式，还是采用齿轮等机械传动方式，单摆铣头的整体体积均较大，难以完成某些复杂曲面的加工。市场上已有的小体积铣头，其内部构件布局不够合理，导致加长铣头或者调节加工角度时需要手动调节，调节精度和加工效率较低。
技术实现要素：
本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，来解决传统单摆铣头难以同时实现体积足够小且扭矩足够大的缺点。本实用新型采用的技术手段如下：
一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，包括箱体、主轴、传动机构和驱动装置，所述传动机构和驱动装置设于所述箱体内，所述传动机构包括主动带轮、同步带、从动带轮、减速机、主动齿轮和从动齿轮，所述主动带轮与所述驱动装置的输出端相连，所述主动带轮与所述从动带轮之间通过所述同步带相连，所述从动带轮与所述减速机的输入端相连，所述减速机的输出端与所述主动齿轮相连，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述从动齿轮与所述主轴相连，所述从动齿轮能带动所述主轴旋转。
优选地，所述主动带轮的外径小于所述从动带轮的外径，所述主动齿轮的外径小于所述从动齿轮的外径。
优选地，所述从动带轮、减速机和主动齿轮的数量均为两个，所述主动齿轮通过所述同步带与两个从动带轮依次相连，并形成三角形分布，两个从动带轮分别通过减速机与两个主动齿轮相连，两个主动齿轮均与所述从动齿轮啮合。
优选地，所述从动齿轮的直径大于所述主轴的后端长度，两个主动齿轮的中心间距和所述主动齿轮的直径之和小于所述箱体的外形尺寸，两个从动带轮的中心间距和所述从动带轮的直径之和小于所述箱体的外形尺寸，所述减速机的尺寸小于所述箱体的外形尺寸。
优选地，还包括张紧机构，所述张紧机构包括第一连杆、第二连杆、弹簧和枢轴，所述枢轴与所述箱体连接，所述第一连杆的一端与所述枢轴枢接，另一端设有滚轮，所述第二连杆的一端与所述枢轴枢接，另一端设有滚轮，所述第一连杆和第二连杆通过所述滚轮与所述同步带抵接，所述弹簧的一端与所述第一连杆连接，另一端与所述第二连杆连接，所述弹簧向所述第一连杆和第二连杆施加弹力，能使得所述同步带张紧。
优选地，所述第一连杆和第二连杆上设有多个调距孔，所述弹簧的端部与所述调距孔可拆卸连接。
优选地，所述主轴与所述箱体之间设有芯轴，所述芯轴垂直于所述主轴的输出轴，所述主轴与所述芯轴固定连接，所述芯轴通过轴承与所述箱体连接，所述从动齿轮套设于所述芯轴上，所述从动齿轮与所述芯轴可拆卸连接。
优选地，还包括角度测量系统，所述角度测量系统包括读数头和圆感应栅尺，所述圆感应栅尺与所述芯轴相连，所述读数头固定于所述箱体内。
优选地，所述主动齿轮远离所述减速机的一侧设有支承板，所述主动齿轮的旋转轴通过轴承与所述支承板相连，所述驱动装置为电机。
上述张紧机构的使用方法，包括以下步骤：测定同步带所需张紧力及弹簧弹力，并计算得到张紧力的水平分力，比较张紧力的水平分力和弹簧弹力的大小，当张紧力的水平分力大于弹簧弹力时，调节弹簧端部与第一连杆和第二连杆的连接位置，使得弹簧拉长，弹簧弹力增大，直至弹簧弹力超过张紧力的水平分力时，停止调节并固定弹簧。
与现有技术比较，本实用新型所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头的有益效果如下：
1、本实用新型中的传动机构通过主动带轮与从动带轮配合进行第一级减速，由减速机进行第二级减速，主动齿轮与从动齿轮配合进行第三级减速，实现大减速比，输出大扭矩；同时由于输出扭矩较大，使用小电机即能满足单摆头所需扭矩，从而合理减小电机的外形尺寸，使得摆头内部结构紧凑，缩小摆头整体占用的体积空间。
2、本实用新型中传动机构的整体布局充分利用了主轴上端非加工空间，对比仅一个减速机的同类铣头，将电机输出动力分为2路，形成双齿轮消隙结构，有效的消除了反向运动时的反向间隙，实现了“零背隙”高精度传动。
3、本实用新型整体结构紧凑，外形轮廓尺寸小，可探入零件的细小开口，从而加工正、负角度内壁面，并且可根据用户工件加工深度，很方便的加长铣头；箱体内部的高精度光栅尺采用全闭环控制，可高精度联动加工。
4、本实用新型中设有同步带张紧机构，使铣头正反摆动时都能保持张紧，消除同步带振动，减少同步带拉长变形的维护。
附图说明
图1是本实用新型实施例1中的整体结构示意图；
图2是本实用新型实施例1中的整体侧视结构示意图；
图3是本实用新型实施例1中的内部主视结构示意图；
图4是图3中a-a面的剖视结构示意图；
图5是本实用新型实施例1中内部结构示意图；
图6是本实用新型实施例1中俯视结构示意图；
图7是本实用新型实施例1中传动机构的尺寸示意图；
图8是本实用新型实施例1中张紧机构的结构示意图；
图9是图8中c-c面的剖视结构示意图；
图10是本实用新型实施例1中张紧机构的受力分析图；
图11图2中b-b面的剖视结构示意图；
图12是本实用新型实施例1中支承板的安装结构示意图；
图13是本实用新型实施例1中箱体的前视结构示意图；
图14是本实用新型实施例1中箱体的后视结构示意图；
图15是本实用新型实施例2中张紧机构的主视结构示意图；
图16是本实用新型实施例2中张紧机构的剖视结构示意图。
图中，1、箱体；2、主轴；3、传动机构；4、驱动装置；5、张紧机构；6、角度测量系统；7、轴承；11、前防护壳；12、后防护壳；13、密封盖板；14、电机安装孔；15、枢轴安装孔；16、减速机安装面；17、轴承安装面；18、支承板安装面；19、读数头安装面；21、刀具；22、大过线孔；23、旋转接头内套；24、芯轴；31、主动带轮；32、同步带；33、从动带轮；34、减速机；35、主动齿轮；36、从动齿轮；37、支承板；38、胀套；39、密封件；41、电机；42、电机安装板；51、滚轮；52、第一连杆；53、第二连杆；54、弹簧；55、枢轴；56、调距孔；61、读数头；62、圆感应栅尺。
具体实施方式
实施例1：
如图1-14所示，一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，包括箱体1、主轴2、传动机构3和驱动装置4。驱动装置4选用电机41，具体可选用伺服电机，可使控制速度和位置精度非常准确，箱体1上设有电机安装孔14，电机安装孔14的后端(电机的输出端)设有电机安装板42，用于对电机41进行安装定位。传动机构3和驱动电机均设于箱体1内，箱体1上设有前防护壳11和后防护壳12，通过前防护壳11和后防护壳12对箱体1内各部件进行保护。传动机构3包括主动带轮31、同步带32、从动带轮33、减速机34、主动齿轮35和从动齿轮36，主动带轮31与电机41的输出端相连，主动带轮31与从动带轮33之间通过同步带32相连，从动带轮33通过胀套38与减速机34的输入端相连，减速机34的输出端与主动齿轮35相连，主动齿轮35与从动齿轮36啮合，从动齿轮36与主轴2连接。主轴2选用电主轴，主轴2的输出端设有刀具21，从动齿轮36能带动主轴2旋转摆动，从而调整刀具21的加工角度，以适应各种复杂的加工环境。如图3所示，主轴2的摆动角度为a到-a角度，主轴2可探入零件的细小开口，从而加工正、负角度内壁面。
主动带轮31的外径小于从动带轮33的外径，在同步带32的传动下，主动带轮31的转速高于从动带轮33的转速；主动齿轮35的外径小于从动齿轮36的外径，两者啮合传动时，主动齿轮35的转速高于从动齿轮36的转速。从动带轮33、减速机34和主动齿轮35的数量均为两个，主动齿轮35通过同步带32与两个从动带轮33依次相连，并形成等腰三角形分布，两个从动带轮33通过减速机34分别与两个主动齿轮35相连，两个主动齿轮35均与从动齿轮36啮合。对比仅一个减速机的同类铣头，本传动机构3将电机41输出动力分为两路，形成双齿轮消隙结构，有效的消除了反向运动时的反向间隙，实现了“零背隙”高精度传动。
传动机构3的传动原理为：由电机41带动主动带轮31旋转，主动带轮31通过同步带32带动从动带轮33旋转，此过程中主动带轮31与从动带轮33配合进行第一级减速；从动带轮33经减速机34带动主动齿轮35旋转，由减速机34进行第二级减速；主动齿轮35再带动从动齿轮36旋转，两者配合进行第三级减速。实际应用时，在规定的箱体1尺寸下，通过合理分配上述三级减速比，使得总减速比足够大，输出大摆动扭矩；同时由于输出扭矩较大，使用小电机即能满足摆头加工所需扭矩，从而合理减小电机41的外形尺寸，使得摆头内部结构紧凑，缩小摆头整体占用的体积空间。
如图6和7所示，从俯视图看，为使主轴2在整个摆动过程中都含在规定的外形尺寸d内，从动齿轮36应尽量接近主轴2，并使从动齿轮36直径d2足够大，以容纳主轴2的后端长度l1(主轴尾端尺寸)。同时与从动齿轮36啮合的主动齿轮35，两者之间的中心距a要足够大，以满足主轴2后端摆动长度l1摆动时不与箱体1干涉。次之，两个主动齿轮35的间距b与齿轮直径d1之和，不得超出最大外形尺寸d，同样的，从动带轮33的尺寸不得超出d。箱体1内设有减速机安装面16，减速机34安装完成后，减速机34的厚度等尺寸亦不得超出d。在规定的外形尺寸下，需要合理分配三级减速机34构的减速比，使得总减速比足够大，从而减小电机41的外形尺寸，使得摆头整体结构紧凑。
通过上述紧凑的结构设计，本实用新型在外形轮廓一定的情况下，配置大功率、高转速主轴(16kw，最高20000rpm)，切削效率高，尺寸精度高。即使相应主轴外形尺寸较大，相关传动零件亦受尺寸限制，本实用新型通过创新的结构布局，仍可实现结构紧凑、大功率、大摆动扭矩的技术方案。
还包括张紧机构5，张紧机构5包括滚轮51、第一连杆52、第二连杆53、弹簧54和枢轴55，箱体1上设有枢轴安装孔15，枢轴55通过该枢轴安装孔15与箱体1固定连接。第一连杆52的一端与枢轴55枢接，另一端设有滚轮51，第二连杆53的一端与枢轴55枢接，另一端设有滚轮51，第一连杆52和第二连杆53通过滚轮51与同步带32相抵，滚轮51可以随着同步带32转动。弹簧54的一端与第一连杆52连接，另一端与第二连杆53连接，本实施例中，第一连杆52和第二连杆53上的滚轮51均设于同步带32的外侧。弹簧54一直处于拉伸状态，弹簧54产生的拉力使得第一连杆52和第二连杆53沿枢轴55自动收紧，第一连杆52和第二连杆53上的滚轮51即会对同步带32产生收紧力，使同步带32处于张紧状态，保证传动正常。第一连杆52和第二连杆53为相同的结构，由于两个从动带轮33与主动带轮31之间形成等腰三角形分布，而枢轴55的安装位置与该等腰三角形的两侧边距离相等，第一连杆52和第二连杆53会向同步带32输送相同的张紧力，保证同步带32传动过程中的稳定性。
第一连杆52和第二连杆53上均设有多个调距孔56，可通过螺栓将弹簧54的两端分别固定于第一连杆52和第二连杆53的调距孔56内。由于同步带32的材料不是完全的弹性体，同步带32在工作一段时间后会因伸长而松弛，张紧力降低。此时可手动调节弹簧54的位置，即将弹簧54的两端与距离枢轴55更近的调距孔56相连，来增大同步带32的张紧力，消除同步带32的振动，以保证正常工作。实际生产过程中，可以定期手动调节弹簧54弹力，保证同步带32一直处于张紧状态，保证摆头持续稳定加工。
张紧机构5的使用方法及弹簧54的工作原理如图10所示，其中同步带32所需张紧力f可根据工况计算求得，将f分解为水平分力fa和竖直分力fb两个力，可以看到弹簧弹力fa’提供其水平方向分力，即满足fa’≥fa时可获得所需张紧力，弹簧弹力由胡克定律选型计算。随着工作时间延长，同步带32发生松弛，其所需张紧力f逐渐增大，即初始时张紧力与工作到规定的维修时间后所需张紧力不相同(后者稍大)。通过计算分别求得水平力fa和弹簧弹力fa’，当fa＞fa’时，说明弹簧提供的弹力不足以使得同步带维持正常的张紧状态，此时需要调节弹簧54两端的位置来增大弹簧弹力fa’。通过上述方式可定期用仪器测定同步带张紧力，计算后合理分布调距孔56的孔距l2，并根据工况得出需要调整的周期，便于后续定期手动调节所需的张紧力。需说明的是，同步带32属于易损耗件，即不可无限增加张紧力，需定期更换。
主轴2与箱体1之间设有芯轴24，芯轴24垂直于主轴2的输出轴，主轴2与芯轴24固定连接，从动齿轮36套设于芯轴24上，从动齿轮36与芯轴24可拆卸连接，便于拆装维修。箱体1上设有旋转接头内套23，旋转接头内套23内设有供线路通过的大过线孔22，箱体1上设有轴承安装面17，芯轴24通过轴承7与旋转接头内套23相连，芯轴24能相对于旋转接头内套23旋转。旋转接头内套23和芯轴24之间相互配合，将主轴2固定于箱体1上，同时由从动齿轮36带动芯轴24旋转，从而控制主轴2的摆动角度。主轴2靠近箱体1的一侧周边设有密封件39(径向油封)，并在箱体1外表面设有密封盖板13，保证主轴2摆动过程中与箱体1之间的密封性。
箱体1内设有角度测量系统6(光栅尺)，具体为高精度的角度编码器，其包括读数头61和圆感应栅尺62。箱体1上设有读数头安装面19，读数头61固定于读数头安装面19上，圆感应栅尺62与芯轴24相连，用于测量芯轴24的转动角度。将该角度编码器集成设置于箱体1内，对主轴2的摆动角度进行实时监测，通过其摆动角度来合理调控电机41的输出功率，可以实现摆头内部的全闭环控制，进行高精度联动加工。
主动齿轮35远离减速机34的一侧设有支承板37，箱体1内设有支承板安装面18，主动齿轮35与支承板37之间设有轴承7，主动齿轮35的旋转轴可通过轴承7相对于支承板37旋转。主动齿轮35的两端分别与支承板37和减速机34相连，形成齿轮两端支承，避免悬臂结构，提高抗弯曲变形能力，保证主动齿轮35与从动齿轮36啮合精度稳定。
实施例2：
如图15-16所示，与实施例1的不同之处在于，第一连杆52和第二连杆53上的滚轮51均设于同步带32的内侧，弹簧54一直处于压缩状态，弹簧54两端产生的弹力使得第一连杆52和第二连杆53沿枢轴55张开，第一连杆52和第二连杆53上的滚轮51即会对同步带32有支撑作用，使同步带32处于张紧状态，保证传动正常。同步带32在工作一段时间后若发生松弛，可定期手动调节弹簧54的位置(调节原理同实施例1)，即将弹簧54的两端与距离枢轴55更远的调距孔56相连，来增大同步带32的张紧力，消除同步带32的振动，以保证正常工作。
以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
1.一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：包括箱体(1)、主轴(2)、传动机构(3)和驱动装置(4)，所述传动机构(3)和驱动装置(4)设于所述箱体(1)内，所述传动机构(3)包括主动带轮(31)、同步带(32)、从动带轮(33)、减速机(34)、主动齿轮(35)和从动齿轮(36)，所述主动带轮(31)与所述驱动装置(4)的输出端相连，所述主动带轮(31)与所述从动带轮(33)之间通过所述同步带(32)相连，所述从动带轮(33)与所述减速机(34)的输入端相连，所述减速机(34)的输出端与所述主动齿轮(35)相连，所述主动齿轮(35)与所述从动齿轮(36)啮合，所述从动齿轮(36)与所述主轴(2)相连，所述从动齿轮(36)能带动所述主轴(2)旋转。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述主动带轮(31)的外径小于所述从动带轮(33)的外径，所述主动齿轮(35)的外径小于所述从动齿轮(36)的外径。
3.根据权利要求1或2所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述从动带轮(33)、减速机(34)和主动齿轮(35)的数量均为两个，所述主动齿轮(35)通过所述同步带(32)与两个从动带轮(33)依次相连，并形成三角形分布，两个从动带轮(33)分别通过减速机(34)与两个主动齿轮(35)相连，两个主动齿轮(35)均与所述从动齿轮(36)啮合。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述从动齿轮(36)的直径大于所述主轴(2)的后端长度，两个主动齿轮(35)的中心间距和所述主动齿轮(35)的直径之和小于所述箱体(1)的外形尺寸，两个从动带轮(33)的中心间距和所述从动带轮(33)的直径之和小于所述箱体(1)的外形尺寸，所述减速机(34)的尺寸小于所述箱体(1)的外形尺寸。
5.根据权利要求3所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：还包括张紧机构(5)，所述张紧机构(5)包括第一连杆(52)、第二连杆(53)、弹簧(54)和枢轴(55)，所述枢轴(55)与所述箱体(1)连接，所述第一连杆(52)的一端与所述枢轴(55)枢接，另一端设有滚轮(51)，所述第二连杆(53)的一端与所述枢轴(55)枢接，另一端设有滚轮(51)，所述第一连杆(52)和第二连杆(53)通过所述滚轮(51)与所述同步带(32)抵接，所述弹簧(54)的一端与所述第一连杆(52)连接，另一端与所述第二连杆(53)连接，所述弹簧(54)向所述第一连杆(52)和第二连杆(53)施加弹力，能使得所述同步带(32)张紧。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述第一连杆(52)和第二连杆(53)上设有多个调距孔(56)，所述弹簧(54)的端部与所述调距孔(56)可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述主轴(2)与所述箱体(1)之间设有芯轴(24)，所述芯轴(24)垂直于所述主轴(2)的输出轴，所述主轴(2)与所述芯轴(24)固定连接，所述芯轴(24)通过轴承(7)与所述箱体(1)连接，所述从动齿轮(36)套设于所述芯轴(24)上，所述从动齿轮(36)与所述芯轴(24)可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：还包括角度测量系统(6)，所述角度测量系统(6)包括读数头(61)和圆感应栅尺(62)，所述圆感应栅尺(62)与所述芯轴(24)相连，所述读数头(61)固定于所述箱体(1)内。
9.根据权利要求1所述的一种紧凑型双齿消隙机械单摆头，其特征在于：所述主动齿轮(35)远离所述减速机(34)的一侧设有支承板(37)，所述主动齿轮(35)的旋转轴通过轴承(7)与所述支承板(37)相连，所述驱动装置(4)为电机(41)。
技术总结