CN101708578A - 一种数控机床换刀机械手及其控制方法和换刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的数控机床换刀机械手及其控制方法和换刀方法，具体由机械手系统和控制系统组成。换刀机械手通过下支座安装在刀库和数控机床刀架之间，机械手步进电机和涡轮蜗杆减速器带动上支架上的中臂实现机械手在竖直平面内旋转；中臂上装有中臂气缸带动前臂滑道沿中臂方向伸缩来实现装卸刀动作；前臂滑道上装有前臂气缸带动前臂滑块沿前臂方向伸缩，配合前臂滑块上的手爪夹持气缸来实现抓刀动作；刀库通过刀库步进电机和涡轮蜗杆减速器来实现转动；机械手和刀库通过PLC控制模块来控制；通过可移动掌上控制器来无线控制PLC控制模块，其通信是通过可移动蓝牙模块和机械手蓝牙模块来实现。

Description

一种数控机床换刀机械手及其控制方法和换刀方法

技术领域

本发明涉及一种机械手换刀装置，是数控机床的辅助设备，具体地说是由气缸驱动的直线运动机构和步进电机驱动的旋转运动自动换刀机械手。

背景技术

目前，很多中小型企业没有使用加工中心，换刀基本上靠人工；现有许多换刀装置完全实现了换刀动作，但价格昂贵，且基本全部使用有线通信控制，还或多或少存在不适用和不经济性(凸轮传动、微电脑控制、伺服电机、液压传动等)。对比现有的一些专利可以明显看出这一点，根据中华人名共和国知识产权局专利检索可知，(1)专利名称：立卧复合式换刀装置(申请号：200820014416.9)，该实用新型提供了一种机加工设备的换刀装置，包括支架和与支架转轴连接的水平转动体，水平转动油缸，回转油缸，定位油缸等结构。与水平转动体轴连接有竖直转动提，在水平转动提上设有竖直转动油缸，回转油缸安装在竖直转动提上，使机械手转动。该专利使用油缸驱动，使用以及维护成本较高，结构复杂，零件较多，导致体积相对庞大。(2)专利名称：凸轮式立卧两用换刀机械手(专利号：03218445.X)，凸轮式立卧两用换刀机械手主要由凸轮机构、立卧转换机构、支撑部件、两个机械手、滑动直线导轨、气缸、底版、伺服电动机等组成。使用伺服电动机带动凸轮机构中的轴转动，在凸轮机构上设有两个从动件，一个从动件带动支撑部件中的底板，实现横向运动；另一个从动件带动支撑部件中的底板，实现纵向移动。该专利使用凸轮机构和伺服电机，凸轮机构的从动件承重较大，本身凸轮机构易磨损，精度降低快，机械手的使用寿命难以保证，且更换或维护成本比较高；(3)专利名称：机床自动换刀装置(申请号：200720073669.9)，是一种机床自动换刀装置，包括由微电脑控制器控制的主轴、主轴下方连接的夹头、由多个刀座连接成排的刀库，微电脑控制器动作。该专利控制部分采用微电脑控制器，控制成本较高，适用于大型刀库的换刀，不适合少量刀具的频繁换刀的数控机床专用加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用刀具较少，但需频繁换刀的数控机床的自动换刀机械手，且使用无线通信控制，气压传动，清洁便捷，易于扩展。对加工尺寸较大，工序比较集中的零件来说，加工过程中需要频繁更换刀具时，自动换刀装置的成本很高，普通中小企业很难接受；控制系统，有线通信存在连线多，易出故障，安装较繁琐，布线不便；管理复杂，灵活性欠佳；不便于设备扩充。本发明克服了现有技术的不足。

本发明的数控机床换刀机械手通过下支座安装在刀库和数控机床刀架之间，使用机械手步进电机和涡轮蜗杆减速器带动上支架上的中臂来实现机械手竖直平面内的旋转；中臂上装有中臂气缸带动前臂滑道沿中臂方向伸缩来实现装卸刀动作；前臂滑道上装有前臂气缸带动前臂滑块沿前臂方向伸缩，配合前臂滑块上的手爪夹持气缸来实现抓刀动作；刀库通过刀库步进电机和涡轮蜗杆减速器来实现转动；机械手和刀库通过PLC控制模块202来控制，PLC控制模块202与数控机床通过USB接口实现通信；通过可移动掌上控制器201来无线控制PLC控制模块202，其通信是通过可移动蓝牙模块和机械手蓝牙模块来实现。

本发明的有益效果有

(1)将换刀机械手用于数控机床，可以减少安装、调整刀具的辅助工作时间，提高制造企业特别是中小制造企业的生产效率，降低生产成本。

(2)本机械手相对于其它同类产品，制造成本较低，价格相对便宜，在当前中小企业的迫切需求下，其应用前景非常广阔。

(3)机械手滑动部分采用直线导轨，1这样可以保证机械手的精确抓刀寿命，维护成本低。

(4)控制系统采用了无线收发模块，去除了传统网络中的传输线缆，利用微波、射频(RF)等无线技术构成网络，越空收发数据，这就解决了连线多，易出故障，安装较繁琐，布线不便的问题；

(5)控制系统具有良好的可扩展性，每增加一台数控设备，只需将一块下位无线数据通信卡插入该数控设备通信串口即可实现通信，不必扩展主控计算机的通信接口。

附图说明

图1是数控机床换刀机械手换刀示意图

图2是数控机床换刀机械手总装图

图3是刀库总装图

图4是自动换刀系统流程图

图5是换刀机械手蓝牙控制原理图

图中，101、数控机床刀架；102、换刀机械手；103、刀库；1、下支座；2、上支座；3、中臂；4、前臂滑道；5、中臂气缸；6、前臂滑块；7、前臂气缸；8、手爪支架；9、夹持气缸；10、手爪关节一；11、手爪关节二；12、联轴器；13、涡轮蜗杆减速器；14、机械手步进电机；15、刀套；16、刀盘；17、轴端固定件；18、中轴；19、减速器上盖；20、减速器支座；21、蜗轮；22、蜗杆；202、PLC控制模块；203、机械手状态信号；204、机械手蓝牙模块；205、可移动蓝牙模块；206、换刀控制信号；207、可移动掌上控制器控制端；208、控制信号输入/输出显示；

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例

下面结合附图对本发明的内容作进一步说明

参见图1所示，刀库103安放在数控机床床头箱上，数控机床换刀机械手102安放在床头箱与数控机床刀架101之间；刀盘上的刀具平面、换刀机械手夹持面、刀架装刀平面三者在同一平面内；数控机床刀架的装刀位置固定，刀库刀具换刀位置固定。

参见图2所示，下支座1安置在地面，上支座2安装在下支座1上，两者连接处加上垫片，以实现机械手上下位置的微小调整；中臂3上装有中臂气缸5、前臂滑道4等部件，装在上支座2上的旋转步进电机14经过涡轮蜗杆减速器13带动中臂3上前臂滑道4转动以实现换到机械手在数控机床刀架101与刀库103之间163度的转动以实现取刀和装刀；整个前臂部分连接在中臂3上，中臂3与前臂滑道4分别装有中臂气缸5和前臂气缸7，其中的滑动部分采用线性导轨并采用消隙调整换刀过程中换刀机械手相对数控机床刀架101、刀库103的精度调整，从而达到准确换刀和避免与数控机床和刀库103等发生碰撞。

参考图3刀库总装图，步进电机驱动蜗杆22，通过蜗轮21带动刀盘16转动，由控制系统根据机械手换刀需要和刀套16的位置决定正传或反转的度数，使选刀路径最短；由PLC控制步进电机的转角和转速，用蜗轮蜗杆机构既起到减速作用，又可以起到制动刀盘定位作用，克服刀盘16的转动惯性，保证安全准确取刀和放刀。

参见图4自动换刀系统流程图，(1)首先是启动PLC，复位，由刀架101触动请求换刀信号；(2)PLC接到请求刀号信号进行判断目标位置和现在位置来确定最短路径，得出刀库103的旋向；(3)驱动刀库步进电机带动刀库转动到所需刀具的位置；(4)驱动机械手步进电机14转到刀库位置；(5)中臂气缸5动作，到达刀具夹持平面；(6)前臂气缸7动作，使机械手爪中心线和刀具中心线重合；(7)夹持气缸9动作，夹住刀具；(8)中臂气缸5动作，把刀具拔出刀盘；(9)机械手步进电机14动作，带动机械手转动到刀架位置。(10)中臂气缸5动作，装刀；(11)夹持气缸9动作，释放刀具；(12)前臂气缸7动作，使机械手爪中心线脱离刀具中心线；(13)机械手步进电机14动作，回到初始位置。其他换刀动作类似，在此不再赘述。

本发明控制系统采用蓝牙通信和PLC控制技术，该系统包括一个控制数控机床换刀机械手的PLC控制模块202、一个与PLC控制模块202直连的机械手蓝牙模块、一个可移动掌上控制器控制端207、一个与可移动掌上控制器控制端207直连的可移动蓝牙模块。最佳控制方案实施的是使用蓝牙模块，它用短射程无线电连接可移动掌上控制器控制端207和换刀机械手的PLC控制模块202，取代连接手提式和/或固定式电子设备的电缆，它遵循埃里克森公司的蓝牙协议。但是它不局限与蓝牙模块，使用本地无线电通信的其他模块(比如PC机上的蓝牙设备)也可以。在本发明的最佳实施方案中，主机为可移动蓝牙模块，它同机械手蓝牙模块进行无线电通信。

具体蓝牙控制实施为：参见图5换刀机械手蓝牙控制原理图，在数控机床换刀机械手的工作现场，数控机床换刀机械手是由PLC控制模块202来直接控制，当与可移动掌上控制器201进行蓝牙通信时，是先把机械手的状态信号反馈给机械手蓝牙模块204；然后机械手蓝牙模块204通过蓝牙无线电传输给可移动掌上控制器201的可移动蓝牙模块205；然后再由可移动蓝牙模块205传输给可移动掌上控制器控制端207；同样，当可移动掌上控制器201给数控机床换刀机械手发送控制信号时，是首先判断反馈的机械手状态信号，然后发送换刀控制信号206给可移动蓝牙模块205；然后可移动蓝牙模块205通过蓝牙无线电传输给机械手蓝牙模块204，再由机械手蓝牙模块204传输给PLC控制模块202，由PLC控制模块202驱动换刀机械手动作。其中机械手蓝牙模块204是由存储器204.1、激振器204.3、机械手蓝牙控制器204.2、接收/发送器204.3组成。

可移动掌上控制器201控制机械手及刀库的动作顺序如图4。其中选刀为比较关键的技术，方式为随机选刀。其中选刀原理如下：(1)记录当前刀号。当1号刀具处于取刀位置时，闭合所对应的到位行程开关，将数据1传入至数据寄存器VW0中；当2号刀具处于机械手位置时，闭合所对应的到位行程开关，将数据2传入至数据寄存器VW0中。以此类推，记录当前刀号。

(2)记录当前请求刀号。当请求选择1号刀具时，PLC得到信号，将常数1传入至数据寄存器VW2中，同时使得内部标志位置位，其他请求信号无效；当请求选择2号刀具时，PLC得到信号，将常数2传入至数据寄存器VW2中，同时使得内部标志位置位，其他请求信号无效；以此类推，记录当前的请求刀具号。

(3)当内部寄存器置位后，比较指令使得：

①如果寄存器数据VW0＞VW2，则执行减法运算VW0-VW2，运算结果存入VW6中，然后将VW6中的数据在下一逻辑行中进行比较。若VW6＞3，则刀库离请求刀号逆转方向最近，步进电机到东刀库逆转。若VW6＝3，则刀库离请求刀号顺转方向最近；同理，若VW6＜3，则电动机带动刀库顺转。

②如果寄存器数据VW0＝VW2，则到位指示灯亮，机械手开始取刀。

③如果寄存器数据VW0＜VW2，直接相减是一个负数，结果出错，因而将VW0加上刀具总数6后减去VW2，将得出的数据在下一逻辑行中比较。重复以上的过程，最后使得VW0＝VW2，机械手进行取刀操作。

Claims (3)

1.一种数控机床换刀机械手，其特征在于，由换刀机械手系统和数控系统组成，换刀机械手系统由数控机床刀架101、换刀机械手102和刀库103组成；刀库103安放在数控机床床头箱上，换刀机械手102安放在床头箱与数控机床刀架101之间，刀盘上的刀具平面、换刀机械手夹持面、刀架装刀平面三者在同一平面内，数控机床刀架的装刀位置固定，刀库刀具换刀位置固定；

换刀机械手102由下支座1、上支座2、中臂3、前臂滑道4、中臂气缸5、前臂滑块6、前臂气缸7、手爪支架8、夹持气缸9、手爪关节一10、手爪关节二11、联轴器12、涡轮蜗杆减速器13和机械手步进电机14组成；下支座1安置在地面，上支座2安装在下支座1上，两者连接处加上垫片；中臂3上装有中臂气缸5、前臂滑道4等部件，装在上支座2上的机械手步进电机14经过涡轮蜗杆减速器13带动中臂3上前臂滑道4转动；整个前臂部分连接在中臂3上，中臂3与前臂滑道4分别装有中臂气缸5和前臂气缸7，其中的滑动部分采用线性导轨并采用消隙调整换刀过程中换刀机械手相对数控机床刀架101、刀库103的精度调整；

刀库103由刀套15、刀盘16、轴端固定件17、中轴18、减速器上盖19、减速器支座20、蜗轮21和蜗杆22组成；机械手步进电机14驱动蜗杆22，通过蜗轮21带动刀盘16转动，由控制系统根据机械手换刀需要和刀套16的位置决定正传或反转的度数，使选刀路径最短；由PLC控制步进电机的转角和转速；

数控系统统包括一个控制换刀机械手102的PLC控制模块202、一个与PLC控制模块202直连的机械手蓝牙模块204、一个可移动掌上控制器控制端207、一个与可移动掌上控制器控制端207直连的可移动蓝牙模块205；可移动蓝牙模块遵循埃里克森公司的蓝牙协议；所述机械手蓝牙模块204是由存储器204.1、激振器204.3、机械手蓝牙控制器204.2、接收/发送器204.3组成。

2.一种控制根据权利要求1所述的数控机床换刀机械手的方法，其特征在于，当PLC控制模块202与可移动掌上控制器201进行蓝牙通信时，先把换刀机械手102的状态信号反馈给机械手蓝牙模块204；然后手蓝牙模块204通过蓝牙无线电传输给可移动掌上控制器201的可移动蓝牙模块205；再由可移动蓝牙模块205传输给可移动掌上控制器控制端207；

当可移动掌上控制器201给换刀机械手102发送控制信号时，首先判断反馈的换刀机械手102状态信号，然后发送换刀控制信号206给可移动蓝牙模块205；然后可移动蓝牙模块205通过蓝牙无线电传输给机械手蓝牙模块204，再由机械手蓝牙模块204传输给PLC控制模块202，由PLC控制模块202驱动换刀机械手动作。

3.一种根据权利要求1所述的数控机床换刀机械手的选刀方法，其特征在于，步骤如下：

(1)记录当前刀号；当1号刀具处于取刀位置时，闭合所对应的到位行程开关，将数据1传入至数据寄存器VW0中；当2号刀具处于机械手位置时，闭合所对应的到位行程开关，将数据2传入至数据寄存器VW0中；以此类推，记录当前刀号；

(2)记录当前请求刀号；当请求选择1号刀具时，PLC得到信号，将常数1传入至数据寄存器VW2中，同时使得内部标志位置位，其他请求信号无效；当请求选择2号刀具时，PLC得到信号，将常数2传入至数据寄存器VW2中，同时使得内部标志位置位，其他请求信号无效；以此类推，记录当前的请求刀具号；

(3)当内部寄存器置位后，比较指令使得：

①如果寄存器数据VW0＞VW2，则执行减法运算VW0-VW2，运算结果存入VW6中，然后将VW6中的数据在下一逻辑行中进行比较。若VW6＞3，则刀库离请求刀号逆转方向最近，步进电机到东刀库逆转。若VW6＝3，则刀库离请求刀号顺转方向最近；同理，若VW6＜3，则电动机带动刀库顺转；

②如果寄存器数据VW0＝VW2，则到位指示灯亮，机械手开始取刀；

③如果寄存器数据VW0＜VW2，直接相减是一个负数，结果出错，因而将VW0加上刀具总数6后减去VW2，将得出的数据在下一逻辑行中比较。重复以上的过程，最后使得VW0＝VW2，机械手进行取刀操作。

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