CN101402171A - 具有直接驱动的升降和回转执行机构的换刀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换刀装置(1)，其具有换刀机械手(2)以及升降和回转执行机构(3)，该升降和回转执行机构可以利用第一直接驱动装置(4)驱动用于产生直线运动以及可以利用第二直线驱动装置(5)驱动用于产生旋转运动，其中第一和第二直线驱动装置(4，5)具有一个共同的转子，该转子作为升降和回转执行机构(3)使用。

Description

具有直接驱动的升降和回转执行机构的换刀装置
技术领域
本发明涉及一种换刀装置，具有换刀机械手以及升降和回转执行机构，后者可以用第一直接驱动装置驱动用于产生直线运动并且利用第二直线驱动装置驱动用于产生旋转运动。
背景技术
换刀装置也称为换刀器，设计用于更换在加工中心、机床或生产机器上的刀具。换刀装置是一种机械装置，用于自动地更换刀具或者取决于工序的辅助装置，如测量探头、机械手或者塞规(Messdorn)，其中，将刀具从刀具库中更换装到加工主轴或类似装置里，反之亦然。更换过程例如用单机械手或者双机械手进行，其中换刀时间对于加工中心的加工时间有直接影响。
刀具的更换基本上通过一种升降运动和回转运动的组合来实现。为了保持辅助时间，尤其是换刀时间尽量的少，对于换刀器来说必须要有具有小的惯性质量的动态和刚性的定位驱动。
众所周知，换刀器通过独立的马达(电的、气动的、液压的)或者通过月牙板借助于盘形凸轮来驱动。但是利用传统的技术，高要求的动态性能必然导致高磨损并进而导致较低的可用性。
由DE 102005019112A1已知了一种具有混合磁阻电机的组合驱动装置，其中设置有直线驱动装置和旋转驱动装置，并且两个驱动装置中的至少一个装置设计成混合磁阻电机。
发明内容
本发明的目的在于提出一种换刀装置，用于快速而动态地更换刀具。
该目的通过权利要求1的特征来实现。有利的改进方案在从属权利要求中提出。
根据本发明的换刀装置具有升降和回转执行机构，用于执行升降和回转运动。升降和回转执行机构可以借助于两个直接驱动装置驱动，其中设置有第一直接驱动装置，用于产生直线运动(升降运动)并且设置有第二直接驱动装置，用于产生旋转运动(回转运动)。升降和回转执行机构被这样地设计，即利用第二直接驱动装置即可执行回转运动又可执行旋转运动，也就是说旋转大于360°。
第一直接驱动装置被设计成螺线管直线电机，也就是说具有螺线管线圈的直线电机，该螺线管线圈也被称为环形或圆柱形线圈，而第二直线驱动装置则被设计成扭矩电机或转矩电机。
根据本发明第一和第二直接驱动装置具有一个共同的转子，也称为反应部件，其中转子同时就是升降和回转执行机构。
通过本发明，将用于升降运动的螺线管直线电机与用于实现回转运动的扭矩电机结合。同时，两个执行器共同使用一个反应部件(转子)，该反应部件被有利地设计成空心轴的形状。升降和回转轴可以相互独立地运动。在二个轴上使用直接驱动装置提高了动态特性和动态抗干扰性。
通过使用一个用于升降和回转运动的共同的反应部件可以明显地减少换刀器的各个轴的惯性质量并同时提高机械的刚度。
因为转子或反应部件有利地设计成空心轴的形状，因此可以通过气动或液压供应管路为换刀机械手供应介质，这些介质对于换刀机械手(换刀钳)和/或刀具的进行来说是必要的，供应管路则穿过空心的转子。尤其是在升降和回转执行器的与换刀机械手相对的端部上设置有一个旋转穿引件，穿过它使管路从外面引入升降和回转执行器中。
转子也就是升降和回转执行器具有一种磁阻轮廓(Reluktanzprofil)，该磁阻轮廓具有均匀地分布在圆周方向和轴向方向上的齿和槽，其中，转子在其整个轴向延伸上形成一致的构造。相应地，转子没有用于产生磁场的主动装置并且只是设计成反应部件，它具有用于引导磁场的装置，例如由铁或钢制成。这种类型的反应部件可以廉价而简单地进行加工制造。
在转子的磁场轮廓的槽中有利地布置了非铁材料，从而转子具有基本平滑的表面。这些槽被平滑地封闭，从而转子或升降和回转执行器如气动缸或液压缸得以支承和密封。因此升降和回转执行器同时可以用作为直接驱动装置的导向件，例如滑动导向件或者球轴套。因此减少了结构方面的费用，这是因为由于取消了传动装置和离合器而存在较少的机械部件。
每个直接驱动装置具有一个定子部件，也就是说存在有第一和第二定子部件。二个定子部件构成一个定子单元，其中定子单元与机器机架固定连接。可选地，定子单元也可以具有外壳，通过该外壳使定子单元与机器机架连接。因为在定子单元上连接有用于直接驱动装置的连接线路，因此连接线路不必与定子单元一起随同运动，因而进一步提高了换刀装置的动态性能。
每个定子部件具有一个单相或多相的绕组。尤其是分别设置有三相的绕组，用于连接三相交流电网。第一直接驱动装置的第一定子部件的绕组用于产生直线运动或升降运动，该绕组螺线管线圈，也称之为圆柱形线圈或环形线圈而构成。第二定子部件的绕组借助于已知的集中式的或者分布式的绕组构成。
在本发明的另一个设计方案中，在每个定子部件上除了绕组之外还设有永磁铁。因此，每个定子部件具有二个主动装置用来产生磁场，因而可以实现较高的磁力线密度。因此，这是尤其有利的，因为转子没有用于产生磁场的主动装置。
对于升降和回转执行器可以根据所要更换刀具的大小提出对于力和/或力矩的不同的要求。力或力矩可以有利地通过设置另外的定子部件来调整，尤其是通过并联多个定子部件可以根据比例缩放力矩，也就是说，在设置另外二个定子部件时(从而总其存在四个定子部件)，力矩就翻番。
在直线直接驱动装置中已知采用了一种气动的或液压的重量平衡装置，用于使驱动装置在运行时卸荷并用于在有运行干扰时保证安全。根据本发明的换刀装置的升降和回转执行器可以方便地扩展这种功能，其方法是将升降和回转执行器同时设计成气动或者液压缸的活塞并起作用。缸的压力腔直接连接至储能器。封闭系统的压力被调节到如此高，即对重力进行补偿。在缸和储能器中的系统容积大小被如此设计，即由于活塞杆升降运动引起的容积的变化只引起相对于调整设定的系统压力的较小的压力变化。
根据本发明的换刀装置动态而快速地工作并且设计成坚固的和基本无磨损的，这是因为通过设置直接驱动装置以及结构
-实现了具有直接的力和力矩传递的非常紧凑的升降和回转部件，而没有机械的、容易磨损的传递构件，
-由于采用了一个共同的反应部件使二个驱动装置(调整构件)的惯性质量很小，
-由于采用具有高的机械固有频率的空心轴的反应部件而获得了高的机械刚性和驱动刚性。
换刀装置也称为换刀器，设计用于更换在加工中心、机床或生产机器上的刀具或者也作为刀具损坏监控系统的集成的驱动装置，以及用于另外类似的机床应用，在这些应用中，以圆柱形执行器为基础的集成的升降和回转驱动装置在结构方面和驱动技术方面确保了明显的优点。
附图说明
在以下描述中结合附图根据实施例对本发明的其它特征和细节进行详细描述。同时，在各个变体中描述的特征和关系在原则上都可以应用于所有的实施例。图中示出：
图1是根据本发明的换刀装置的第一设计方案；
图2是根据本发明的换刀装置的第二设计方案；
图3是升降和回转执行器(转子)的一个设计方案：
图4是具有定子单元的升降和回转执行器的原理图；
图5是具有多个定子部件的升降和回转执行器的原理图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的换刀装置1的第一设计方案。换刀装置具有换刀机械手2和用于实施升降和回转运动的升降和回转执行器3。升降和回转执行器3可以借助于二个直接驱动装置4，5驱动，其中，第一直接驱动装置4用于产生直线运动(升降运动)以及第二直接驱动装置5用于产生旋转运动(回转运动)。升降和回转执行器3的运动方向用箭头11示出。升降和回转执行器3如此地设计，即其可以旋转超过360°，例如围绕自身轴线旋转多圈。
第一直接驱动装置4设计成螺线管直线电机，也就是说具有螺线管线圈的直线电机，该螺线管线圈也称为环形或圆柱形线圈。根据其工作原理和作用方式，第一直接驱动装置4也称为直轴磁场电机(
Figure A20081016822400091
)。
第二直接驱动装置5设计成扭矩电机或转矩电机，其中，第二直接驱动装置根据其工作原理和作用方式也可以称之为横向磁场电机(Transversalflussmotor)。
第一和第二直接驱动装置4，5具有一个共同的转子，也称为反应部件，它就是升降和回转执行器3。
用于升降运动的第一直接驱动装置4与用于实现回转运动的第二直接驱动装置5组合。二个直接驱动装置4，5共同使用一个反应部件(升降和回转执行器3)。
升降和回转执行器3设计成空心轴的形状。因此，可以通过气动的或液压的供应管路13为换刀机械手2供应对于换刀机械手(换刀钳)和/或刀具的运行来说必要的介质，供应管路13穿过空心的升降和回转执行器3。在升降和回转执行器3的位于换刀机械手2相对侧的端部上设置有一个旋转穿引件17，管线13穿过该旋转穿引件从外面引入到升降和回转执行器3中。
每个直接驱动装置4，5都具有一个定子部件，也就是说存在有第一和第二定子部件8，9。两个定子部件8，9构成一个定子单元10，其中，定子单元10与机器机架12固定连接。定子单元10借助于轴承14支承在升降和回转执行器3上。轴承14例如设计成滚动轴承，如滚球轴承。
因为在定子单元10上连接有用于直线驱动装置4，5的，也就是说尤其是用于定子部件8，9的连接线路21，因此不必使连接线路21与定子单元10一起随同运动，因而进一步提高了换刀装置1的动态特性。
此外，分别在升降和回转执行器3的一端上设有一个末端缓冲器15，它吸收了运动着的升降和回转执行器3在其端部范围内的冲击。
图2示出了根据本发明的换刀装置1的第二种设计方案，这种装置基本上相当于根据图1的换刀装置1。
根据图2的升降和回转执行器3同时设计成具有一个带有缸密封件19的气压的缸16的末端缓冲器18，以便保证在运行中用于使驱动装置4，5卸荷的气动的重量平衡并在有运行故障时保证安全。同时，气压的缸16的压力腔直接连接至储能器20。封闭系统中的压力被调节成如此高，即对重力进行补偿。在气压的缸16和储能器20中的系统容积被设置成如此大小，即由于活塞杆，也就是说升降和回转执行器3的升降运动而导致的容积变化仅仅引起相对于调整设定的系统压力来说较小的压力变化。
图3示出了升降和回转执行器3的一个设计方案。升降和回转执行器设计成空心状的并在其表面上具有齿6和槽7。
这些槽7布置于轴向方向上和圆周方向上，因此形成矩形的齿6。升降和回转执行器3并不具有绕组或永磁铁，从而使其仅仅具有磁阻作用。
图4示出了具有定子单元10的升降和回转执行器3的原理图。定子部件8，9轴向直接并排地布置。它们驱动共同的转子，后者就是升降和回转执行器3，这些定子部件在其整个轴向长度上具有相同的构造。这意味着，第一直接驱动装置4(直线驱动装置)和第二直接驱动装置5(转动驱动装置)在实际的所有轴向位置上都可以共同地利用该升降和回转执行器3。此外，可以利用升降和回转执行器3的整个长度来形成力和力矩。此外有利的是，即使在较大的行程时，定子部件8，9也可以被相当紧密的装配在一起，从而可以确保紧凑的结构。
每个定子部件8，9都具有一个单相或者多相的绕组(示意性示出)。尤其是分别设置有一个三相绕组，用于连接互相交流电网。在此，设置用于产生直线或升降运动的第一直线驱动装置的第一定子部件8的绕组通过螺线管构成，该螺线管也被称为圆柱形或环形线圈。第二定子部件9的绕组通过已知的集中式的或者分布式的绕组构成。
此外，在每个定子部件8，9上除了绕组以外还设置有永磁铁。因此每个定子部件8，9都具有二个用于产生磁场的主动装置，从而可以实现较高的磁力线密度。这因而是特别有利的，这是因为升降和回转执行器3(转子)没有用于产生磁场的主动装置。因此可以简单而经济地制造升降和回转执行器3。
图5示出了具有多个定子部件8，9的升降和回转执行器3。尤其是分别设有二个定子部件8和二个定子部件9。因此可以根据所希望的要求通过设置其它的定子部件8，9来调整设定力或力矩。

Claims (12)

1.一种换刀装置(1)，具有换刀机械手(2)以及升降和回转执行器(3)，所述升降和回转执行器可利用第一直接驱动装置(4)驱动用于产生直线运动并且可利用第二直接驱动装置(5)驱动用于产生旋转运动，其特征在于，所述第一直接驱动装置(4)和所述第二直接驱动装置(5)具有一个共同的转子，所述转子作为所述升降和回转执行器(3)使用。
2.根据权利要求1所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述升降和回转执行器(3)设计成圆柱形的空心轴形状。
3.根据权利要求1或2所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述升降和回转执行器(3)具有一种磁阻轮廓，所述磁阻轮廓具有均匀地在圆周方向和轴向方向上分布的齿(6)和槽(7)。
4.根据权利要求3所述的换刀装置(1)，其特征在于，在所述磁阻轮廓的所述槽(7)中这样地设置有非铁材料，即所述升降和回转执行器(3)具有基本平滑的表面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述第一直接驱动装置(4)具有第一定子部件(8)，以及所述第二直接驱动装置(5)具有第二定子部件(9)，其中两个定子部件(8，9)形成定子单元(10)。
6.根据权利要求5所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述定子单元(10)与机器机架(12)固定连接。
7.根据权利要求5或6所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述升降和回转执行器(3)作为所述定子单元(10)的导向件使用，其中所述导向件被设计成滑动导向件或者球轴套。
8.根据权利要求5所述的换刀装置(1)，其特征在于，每个定子部件(8，9)都具有单相或多相的绕组和永磁铁。
9.根据权利要求8所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述第一定子部件(4)的绕组具有螺线管线圈。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述升降和回转执行器(3)作为用于所述换刀机械手和/或刀具的气动的和/或液压的供应管路的穿引装置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的换刀装置(1)，其特征在于，可以设置另外的第一和/或第二定子部件(8，9)，其中通过并联多个定子部件(8，9)可以调整直线驱动装置产生的力矩。
12.根据前述权利要求中任一项所述的换刀装置(1)，其特征在于，所述升降和回转执行器(3)设计成气动的或者液压的缸(16)的活塞，其中，所述缸(16)的压力腔直接连接至储能器(20)。
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