CN101010164A - 自动刀具更换装置，用于该装置的刀具更换方法，以及使用该装置的机床 - Google Patents

Abstract

提供了一种自动刀具更换装置，其省去了用于抓持和移动刀具的机械手以及用于机械移动刀具的机构，例如用于传送刀具的刀具传送装置，并且该自动刀具更换装置的结构简单并且可以确保在短时间内自动更换刀具。一种包括刀具更换单元和主心轴部分的自动刀具更换装置，其中刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具向着主心轴部分移动的供气源，而主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，以及提供气流从而将刀具向着刀具更换单元移动的空气源。

Description

自动刀具更换装置，用于该装置的刀具更换方法，以及使用该装置的机床

技术领域

本发明涉及一种用于在例如微型车床、微型铣床等微加工机床中自动更换刀具的自动刀具更换装置，以及用于该装置的刀具更换方法和使用该装置的机床。

背景技术

传统地，已提出了各种自动刀具更换装置，不用手而自动更换例如车床、铣床等机床中的刀具。例如，提出一种结构，在更换刀具的时候，容纳有可拆卸地固持着多个刀具的多个刀具托的储存器移动到机床外面，从而将刀具托相对于机床定位，如此定位的刀具托在储存器和机床之间传送，并且在机床的刀具轴、刀具托以及预备刀具托之间移动机械手，从而自动更换刀具(例如，参见专利文件1)。

另外，提出了一种机床的构造，该机床具有多个刀具库用于在它们和主心轴之间更换刀具，其中用于存储多个刀具固持器的刀具存储库与刀具库分隔开，当一个刀具库位于刀具更换位置的时候，其中在主心轴和刀具存储库之间更换刀具，这时移动刀具库从而定位在刀具准备就绪的位置，在该位置另一个刀具库在它和刀具存储库之间更换刀具，在刀具存储库和刀具准备就绪位置的刀具库之间传送刀具固持器的固持器传送装置在刀具存储库和刀具库之间更换刀具固持器，消除了手动的更换工作，并且在加工的过程中同步地自动准备好在随后工序中所需要的刀具，同时使用刀具更换位置的刀具库逐次更换主心轴刀具(例如，参见专利文件2)。

专利文件1：JP-A-2001-198762((0010)到(0011)以及图1和2)

专利文件2：JP-A-2002-178236((0004)和图1)

发明内容

本发明要解决的问题

专利文件1的结构，由于抓持刀具的机械手在机床的刀具轴、刀具托以及预备刀具托之间移动从而更换刀具，所以必须移动刀具，从而使得机械手抓持刀具，以在刀具托以及预备刀具托之间移动刀具。因此造成的问题是，需要有机械手和用于控制其操作的控制机构，结构太复杂。

另一方面，专利文件2的机构，由于传送刀具固持器的固持器传送装置在刀具存储库和刀具库之间移动从而更换刀具固持器，为了移动刀具，需要安装有固持器的固持器传送装置在刀具存储库和刀具库之间移动从而更换刀具固持器。因此造成的问题是，需要有固持器传送装置机构和用于控制其操作的控制机构，结构也很复杂。

因此，本发明的目的是解决这些问题，并且提供一种自动刀具更换装置，其省去用于抓持和移动刀具的机械手以及用于机械移动刀具的机构，例如用于传送刀具的固持器传送装置，并且该自动刀具更换装置的结构简单并且可以确保在短时间内自动更换刀具，还提供了用于该自动刀具更换装置的刀具更换方法，以及使用该自动刀具更换装置的机床。

解决问题的方式

根据权利要求1，本发明提供了一种包括刀具更换单元和主心轴部分的自动刀具更换装置，其中刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具向着主心轴部分移动的供气源，而主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，以及提供气流从而将刀具向着刀具更换单元移动的供气源。

根据权利要求2，本发明在根据权利要求1的自动刀具更换装置上增加特征，即刀具压配合到筒夹中，在筒夹外周形成有钢珠可以装配到其中的凹部，并且筒夹容纳在刀具存储部分中，钢珠位于筒夹与刀具存储部分之间。

根据权利要求3，本发明在根据权利要求2的自动刀具更换装置上增加特征，即刀具存储部分具有钢珠进入和离开的空间，并且钢珠移动到该空间中从而释放开筒夹和刀具存储部分的连接。

根据权利要求4，本发明在根据权利要求1的自动刀具更换装置上增加特征，即提供了定位装置，使得刀具存储部分的中心位置和轴的中心位置彼此相一致。

根据权利要求5，本发明提供了一种用于自动刀具更换装置的刀具更换方法，其中刀具更换单元和主心轴部分相对布置，该刀具更换方法的特征在于通过气流在设于刀具更换单元上的存储刀具的刀具库和设在主心轴部分上的固持刀具的刀具夹之间移动刀具，从而更换刀具。

根据权利要求6，本发明提供了一种包括刀具更换单元、主心轴部分和工件固持单元的机床，其中刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具向着主心轴部分移动的供气源，而主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，提供气流从而将刀具向着刀具更换单元移动的供气源，以及在竖直方向上移动刀具夹的装置，并且工件固持单元包括安装在台上的工件固持器，其可以在水平面上在两个彼此垂直方向移动。

本发明的效果

本发明在制造小尺寸装置时很有效，因为其中省略了更换刀具时通过移动臂或类似物而旋转刀具的机构。另外，该装置在结构上简单并且可以确保在很短的时间内不用手而自动更换刀具。

另外，由于该自动刀具更换装置可以构造为很小的尺寸，因此可以提供一种例如车床、铣床等的机床，将自动刀具更换装置一体装配于其中，因此可以构造出适合精密加工的微型加工中心。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的机床的截面侧视图。

图2示出了该机床的示意图。

图3示出了该机床中自动刀具更换装置的刀具更换单元的示意图。

图4示出了该机床中自动刀具更换装置的刀具更换单元的截面侧视图。

图5示出了自动刀具更换装置中主心轴部分的截面侧视图。

图6示出了图5中必要部分的放大视图。

图7示出了根据本实施例安装在自动刀具更换装置中主心轴部分上的刀具返回到刀具更换单元的过程的流程图。

图8示出了根据本实施例提供刀具给自动刀具更换装置中的主心轴部分的过程的流程图。

数字标记的说明

10：自动刀具更换装置

11：刀具更换单元

12：旋转轴

13：刀具库

14：刀具操作器

15：固持器

16：刀具

17：刀具存储部分

18：电动机

19：止动器

21：主心轴部分

22：刀具夹

23：心轴外壳

24：电动机

25：主心轴

26：编码器

27：Y滑动器

31：筒夹

32：凹部

33：活塞

41：供气源

42：刀具存储部分

43：弹簧

44：钢珠

46：空间

47：气流通道

具体实施方式

根据本发明第一实施例的自动刀具更换装置包括刀具更换单元和主心轴部分，刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，使得刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流以使刀具向着主心轴部分移动的供气源，而主心轴部分包括使得刀具旋转的电动机，固持着刀具的刀具夹，以及提供气流以使刀具向着刀具更换单元移动的供气源。根据该实施例，省去了用于移动刀具的例如臂等移动机构，并且在构造上简化了，可以确保短时间内不用手就自动更换刀具。

根据本发明的第二实施例，在根据本发明第一实施例的自动刀具更换装置中，刀具压配合在筒夹中，筒夹外周形成有可以装配钢珠的凹部，并且筒夹容纳在刀具存储部分中，钢珠在筒夹和刀具存储部分之间，从而可以以整体构造操作刀具和筒夹。从而可以以可拆卸的方式在刀具存储部分中进行存储，并且可以通过气流确保移动。

根据本发明的第三实施例，在根据本发明第二实施例的自动刀具更换装置中，移动刀具存储部分以将钢珠移动到空间中，从而可以简单地释放开筒夹和刀具存储部分的连接。

根据本发明的第四实施例，在根据本发明第一实施例的自动刀具更换装置中，提供了定位装置，可使刀具存储部分的中心位置和轴的中心位置彼此相一致，并且可以确保更换刀具时的定位。

根据本发明的第五实施例，提供了一种用于自动刀具更换装置的刀具更换方法，在该自动刀具更换装置中刀具更换单元和主心轴部分相对布置，该刀具更换方法的特征在于，通过气流在设于刀具更换单元上的存储刀具的刀具库和设在主心轴部分上的固持刀具的刀具夹之间移动刀具，从而更换刀具，因此省略了用于移动刀具的移动机构，结构简单，并且可以确保在短时间内不用手而自动更换刀具。

根据本发明的第六实施例，提供了一种包括刀具更换单元、主心轴部分和工件固持单元的机床，刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具向着主心轴部分移动的供气源，而主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，提供气流从而将刀具向着刀具更换单元移动的供气源，以及在竖直方向上移动刀具夹的装置，并且工件固持单元包括安装在台上的工件固持器，其可以在水平面上在两个彼此垂直方向移动，因此可以实现小型化，其中自动刀具更换装置整体装配到例如车床、铣床等机床中，并且可以实现微加工机床，从而确保在短时间内自动更换刀具。

实施例

下面将参考附图叙述根据本发明的设有自动刀具更换装置的机床的实施例。

图1示出了根据该实施例的机床的截面侧视图，图2示出了机床的示意图，图3示出了机床中自动刀具更换装置的刀具更换单元的示意图，图4示出了刀具更换单元的截面侧视图，图5示出了自动刀具更换装置中主心轴部分的截面侧视图，以及图6示出了图5中必要部分的放大图。

图1示出了在自动更换刀具之前电源处于关闭的状态。自动刀具更换装置10包括刀具更换单元11和主心轴部分21。刀具更换单元11和主心轴部分21相对地布置在共同的底座上。刀具更换单元11包括直动轴12，刀具库13，以及刀具操作器14。直动轴12靠压缩空气在水平方向(Z方向)上滑动。直动轴12滑动从而在Z方向上移动刀具库13。同样，刀具库13支撑在交叉滚环上从而绕着连接电动机(步进电动机)18的直动轴12旋转。刀具库13包括位于盘状固持器15中用于容纳刀具16的多个刀具存储部分17，并且刀具库13绕着直动轴12旋转从而可以布置在与主心轴部分21的刀具夹22相对的位置。每个刀具存储部分17中布置一个刀具16和一个筒夹31，筒夹31支撑着刀具16的顶端。刀具存储部分17还包括活塞33，其推动刀具16通过筒夹31。活塞33用作筒夹31的制动器。

刀具操作器14包括供气源，其在直动轴12滑动运动时与刀具库13一起在Z方向移动，并且在刀具存储部分17和主心轴部分21的刀具夹22之间装上或卸下刀具16。供气源提供的空气使得刀具操作器14沿着刀具夹22被推动或分开的方向移动。

另外，在主心轴部分21的顶端提供止动器19，限制刀具库13的移动。

主心轴部分21包括心轴外壳23中的主心轴驱动电动机24。主心轴25连接着主心轴驱动电动机24的一端，并且具有编码器26。在主心轴驱动电动机24的另一端上还提供了刀具夹22。心轴外壳23安装在可在竖直方向(Y方向)移动的Y滑动器27上。另外，在心轴外壳23上提供返回起点接近传感器48，探测主心轴25的位置。

通过提供在直动轴12上的编码器来探测刀具库13旋转，或者通过步进电动机的脉冲控制，将刀具夹22的中心位置和筒夹31的中心位置对准，从而使得刀具存储部分17中的刀具16压配合。

工件固持单元包括工件固持器81，安装工件固持器81的Z台82，以及X台83。工件固持器81安装在可以在Z方向移动的Z台82上，并且可以通过Z台82的移动而在Z方向移动。Z台82安装在可以在X方向移动的X台83上，因此工件固持器81可以通过X台83的移动而在X方向移动。

另一方面，主心轴部分21的心轴外壳23安装在可以在Y方向移动的Y滑动器27上，从而可以通过Y滑动器27的移动而在Y方向移动。Y滑动器27固定在底座上。Z台82、X台83和Y滑动器27由电动机驱动。

下面，将参考图5叙述自动刀具更换装置中的主心轴部分21。主心轴驱动电动机24将主心轴25连接到其一端上，并且轴28连接到其另一端上。主心轴25和轴28具有水平方向上的轴线，并且布置为平行于刀具更换单元11的直动轴12。在轴28的顶端侧上提供了刀具存储部分42，并且在刀具存储部分42顶端的附近提供了刀具夹22。在刀具夹22中形成可以使得钢珠44进入或离开的空间46，空间46从刀具夹22顶端侧向内指向。

由于在刀具16压配合在其中的筒夹31中形成了凹部32，刀具夹22靠弹簧43的力推动钢珠44，当筒夹31容纳在刀具存储部分42中的时候，钢珠44装配在凹部32中从而固定刀具16。当刀具夹22向着后端移动的时候，释放钢珠44以容易从筒夹31的凹部32中脱出，从而释放开筒夹31和刀具存储部分42之间锁定。

主心轴25的内部是空心的，并且该空心部分限定出气流通道47。在主心轴25的后端侧上提供了与气流通道47相连通的供气源。供气源提供的空气通过气流通道47，从而使得容纳在刀具存储部分42中的筒夹31作用于顶端侧。

下面，将说明图1至6中的自动刀具更换装置的刀具更换运动。

首先，将参考图7叙述安装到主心轴部分21中的刀具16返回到刀具更换单元11的过程。当电源为打开并且当应当卸下安装在主心轴部分21中的刀具16的指令发出时，刀具更换单元11的刀具库13返回到初始位置并且返回起点接近传感器48用于调整主心轴25的初始位置(步骤1)。执行返回初始位置从而使得刀具更换单元11的刀具存储部分17的中心位置与主心轴部分21的刀具夹22的中心位置相一致。通过对应于初始位置而事先设定的脉冲控制，使得刀具库13绕着直动轴12旋转，从而使刀具库13返回初始位置。这时，在电源打开的时候一次执行刀具库13返回初始位置，并在其后可以省略。

接下来，指示空的刀具存储部分17的位置(步骤2)，以接受安装在主心轴部分21上的刀具16，并且所指示的空的刀具存储部分17的中心位置移动到固定的位置，从而与主心轴部分21的刀具夹22的中心位置相一致(步骤3)。随后，刀具库13沿着直动轴12向着主心轴部分21移动(步骤4)。通过提供压缩空气实现该运动，直到止动器19使得运动终止，在运动终止之后，通过推出与压缩空气源相连的缸体而使得刀具库13固定在步骤3确定的位置(步骤5)。另外，可以在终止步骤3之后固定刀具库13，之后进行步骤4。

当步骤3、步骤4和步骤5终止之后，刀具存储部分17的顶端进入到与刀具夹22相对位置同轴对准的状态。

随后，对推动如图4所示的刀具存储部分17的供气源施加气流，以推动刀具夹22。由于此时的力大于偏压刀具夹22的弹簧43的力，刀具夹22被向后推动。刀具夹22被向后推动从而释放了钢珠44的锁定(步骤6)。在这里，当对气流通道47施加气流的时候，由于没有锁定筒夹31的钢珠44，筒夹31被气动地向前推动，并且筒夹31接受在刀具存储部分17内(步骤7)。之后，释放气流通道47中的气流和到刀具存储部分17的气流，从而使得刀具夹22靠弹簧43的力返回到其初始位置，并且钢珠44再次被刀具夹22锁定(步骤8)。之后，通过气流使缸体和直动轴12返回到先前位置，从而卸下刀具(步骤9，步骤10)。步骤9和步骤10在次序上颠倒没关系。

下面，将参考图8叙述将新刀具16从刀具更换单元11提供给主心轴部分21的过程。当电源为打开并且发出应当给主心轴部分21提供用于更换的新刀具16的指令时，刀具更换单元11的刀具库13返回到初始位置，并且返回起点接近传感器48用于调整主心轴25的初始位置(步骤11)。另外，在返回初始位置的运动已经终止的情况下，例如在从主心轴部分21卸下刀具16之后或类似情况下，可以省略步骤1。如与步骤1相同的操作执行刀具库13返回初始位置。

随后，指示刀具库13的容纳新刀具6的刀具存储部分17的位置(步骤12)，并且将指示的刀具存储部分17的中心位置移动至与主心轴部分21的刀具夹22的中心位置相一致的固定位置(步骤13)。随后，与图7所示的从主心轴部分21将刀具卸下情况的操作相同，沿着直动轴12向着主心轴部分21移动刀具库13(步骤14)以推出缸体从而固定刀具库13(步骤15)。气流推动刀具存储部分17，从而推动刀具夹22以释放钢珠44的锁定。在这里，将空气从气流通道引入活塞33中，从而把筒夹31容纳在刀具存储部分17中(步骤17)。之后，释放刀具存储部分17中的气流，从而使得刀具夹22返回其初始位置，并且筒夹31通过钢珠44与主心轴部分21相结合(步骤18)。之后，缸体和直动轴12返回它们的初始位置，从而完成刀具的插入(步骤19和步骤20)。

下面，将说明根据本实施例的机床的操作。首先，移动Y滑动器27，从而使得主心轴部分21的刀具夹22的中心位置与刀具更换单元11的刀具存储部分17的中心位置相一致。之后，通过图7所示的方法将预先确定的刀具16安装到主心轴部分21上。由于刀具库13位于从主心轴部分21退回的位置，如图7中步骤10所示的终止了在主心轴部分21上安装刀具16之后的状态下，因此在安装在主心轴部分21上的刀具16和刀具更换单元11的刀具库13之间产生了足够的间距，从而可以在其间插入工件固持器81。

之后，当在工件固持器81上安装了工件的时候，移动Z台82和X台83与刀具16相对布置，电动机24在旋转刀具16的同时使得Z台82和X台83微微移动，从而可以加工工件86的预定位置。当工件的预定加工终止的时候，移动Z台82和X台83从而将工件与刀具16分离开以停止电动机24。

当要在工件上进行与现有刀具16的加工不同加工的情况下，通过图7所示的方法卸下目前安装在主心轴部分21上的刀具16，以通过图8所示的方法用新的刀具16进行替换。之后，以相同的方式进行工件的加工。

通过个人计算机控制Z台82、X台83和Y滑动器27的移动，从而可以以1μm的精度控制定位。本机床用于各种数字设备用微小部品的微加工，例如便携式电话，DVD，笔记本型个人计算机等，因此加工的尺寸设定为10×10×10mm或者更小。尽管在这样的加工中希望机床的小型化，根据本实施例的机床可以小型化到500mm宽，320mm深和340mm高。

工业实用性

根据本发明的刀具更换装置和刀具更换方法优选地适用于在各种机床中自动更换加工刀具的自动刀具更换装置，例如在车床、微型车床、铣床、微型铣床等机床中。

另外，根据本发明的机床适于微加工，并且可以制造成很小的尺寸，因此优选用于各种微机床，例如微型车床、微型铣床等。

Claims (6)

1.一种包括刀具更换单元和主心轴部分的自动刀具更换装置，

其中刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具移到主心轴部分的供气源，并且

主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，以及提供气流从而将刀具移到刀具更换单元的供气源。

2.根据权利要求1的自动刀具更换装置，其特征在于刀具压配合到筒夹中，在筒夹外周形成了钢珠可以装配到其中的凹部，并且筒夹容纳在刀具存储部分中，钢珠位于筒夹和刀具存储部分之间。

3.根据权利要求2的自动刀具更换装置，其特征在于刀具存储部分形成有钢珠进入和离开的空间，并且钢珠移动到该空间中从而释放开筒夹和刀具存储部分的连接。

4.根据权利要求1的自动刀具更换装置，其特征在于还包括定位装置，使得刀具存储部分的中心位置和所述轴的中心位置彼此相一致。

5.一种用于自动刀具更换装置的刀具更换方法，其中刀具更换单元和主心轴部分相对布置，该刀具更换方法的特征在于，通过气流在设于刀具更换单元上的存储刀具的刀具库和设在主心轴部分上的固持刀具的刀具夹之间移动刀具，从而更换刀具。

6.一种包括刀具更换单元、主心轴部分和工件固持单元的机床，

其中刀具更换单元包括绕着旋转轴旋转并且包括多个刀具存储部分的刀具库，用于将刀具库向着旋转轴移动的装置，以及提供气流从而将刀具移到主心轴部分的供气源，

主心轴部分包括旋转刀具的电动机，固持刀具的刀具夹，提供气流从而将刀具移到刀具更换单元的供气源，以及在竖直方向上移动刀具夹的装置，以及

工件固持单元包括安装在台上的工件固持器，其可以在水平面上在两个彼此垂直方向移动。

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