CN102267065B - 用于更换机床主轴上刀具的换刀装置及具有该装置的机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括换刀装置的机床以及用于更换机床主轴101上的刀具10a的换刀装置。换刀装置包括鼓式刀库2、轴架3、第一联接装置6、6a、7以及至少一第一齿轮级4、5。鼓式刀库2包括用于固持刀具10a、10b、10c的刀座2a、2b、2c。鼓式刀库2可旋转地支撑在轴架3上以将刀座2a、2b、2c与主轴101对齐。第一联接装置6、6a、7可旋转地支撑在轴架3上。第一联接装置6、6a、7利用至少一第一齿轮级4、5连接至鼓式刀库2上。第一联接装置6、6a、7适于与第二联接装置106a进行联接或解除联接，第二联接装置106a可旋转地支撑在机床的主轴头架104上且利用至少一第二齿轮级105、106b连接至机床主轴101。鼓式刀库2适于当第一和第二联接装置6、6a、7、106a处于联接状态时，被机床主轴101通过至少一第二齿轮级105、106a、第二和第一联接装置106a、7、6a、6以及至少一第一齿轮级5、4驱动以对齐所述刀座2a、2b、2c。

Description

用于更换机床主轴上刀具的换刀装置及具有该装置的机床

技术领域

本发明涉及一种用于更换机床主轴上的刀具的换刀装置，其包括鼓式刀库(tool drum)、轴架(axle carrier)以及传动装置。其中鼓式刀库具有多个沿其圆周设置的刀座，用于固持刀具。鼓式刀库可转动地支撑在轴架上，以使刀座与主轴对齐。通过传动装置，机床主轴可驱动鼓式刀库以对齐刀座。

而且，本发明还涉及一种机床，其包括主轴头架、设置在主轴头架内的主轴以及上述用于更换主轴上刀具的换刀装置。其中，换刀装置的鼓式刀库可通过传动装置被该机床主轴驱动以对齐鼓式刀库的刀座。

背景技术

这样的用于更换机床主轴上的刀具的换刀装置在现有技术中是已知的，例如见EP 577850A1、EP16526187A1以及EP1839806A1。所描述的换刀装置包括鼓式刀库以及轴架，其中鼓式刀库具有多个沿其圆周设置的刀座，用于固持刀具。鼓式刀库可旋转地支撑在轴架上，以通过转动鼓式刀库使刀座与主轴对齐。通过转动鼓式刀库来对齐刀座与主轴是通过机床主轴来执行的，因此无需额外的驱动。

因此，刀库旋转以及选刀所必需的刀座相对于主轴的定位是通过主轴驱动进行的，其中在该换刀装置的相对于机床主轴头架的换刀位置连接至主轴的主轴齿轮与换刀装置的齿轮啮合，从而实现通过转动主轴来旋转刀库。

然而，由于旋转刀库所需的机床主轴驱动的扭矩通常处在高转速范围，这种齿轮驱动的减速将不足以驱动鼓式刀库以可旋转地对齐刀座。由于这个原因，现有技术中，形成为凸轮减速齿轮的减速齿轮被额外地整合在鼓式刀库中。

例如，EP1652617A1示出了一个凸轮减速齿轮，包括具有滚珠驱动槽的驱动盘以及也设有凸轮驱动槽的被驱动盘。而且，具有径向滚珠导引开口的滚珠导引件设置在驱动盘与被驱动盘之间。

由于驱动盘和被驱动盘的各自滚珠驱动槽的不同设计，减速是通过下列方式实现的，即通过旋转驱动盘致使滚珠在滚珠导引件的径向滚珠开口中的滚珠的径向移动，径向滚珠开口中的滚珠的径向移动如然后被转化为被驱动盘的速度被降低的旋转运动。在这种情况下，驱动盘是由机床主轴利用齿轮传动机构驱动的，被驱动盘以不可旋转的方式连接至鼓式刀库，使得驱动盘的驱动致使刀库以降低的速度进行旋转。这种凸轮减速齿轮例如在JP 60205058介绍过。

然而，具有上述介绍类型的凸轮减速齿轮的这种换刀装置有各种缺点。一方面，这种凸轮减速齿轮的结构复杂，占空间，因为驱动盘、中间的滚珠导引件以及被驱动盘必须具有大的周界。而且，由于一种旋转运动传动至滚珠的径向运动，然后再传动至另一种旋转运动，这会导致高摩擦，主轴驱动必须克服这种高摩擦，这种高摩擦也导致磨损增加。而且，为了利用机床主轴来驱动刀库，有必要在主轴的工作空间内(即，在主轴的刀座的范围内)设置一个暴露的主轴齿轮，通过该主轴齿轮来驱动该凸轮减速齿轮的驱动盘。

发明内容

鉴于现有技术中的换刀装置的上述缺陷，本发明的目的是提供一种具有紧凑结构的换刀装置，其可被机床主轴驱动并减低摩擦。本发明的另一个目的是提供一种具有可旋转鼓式刀库的换刀装置，该鼓式刀库利用主轴驱动，无需使用复杂且摩擦频发的凸轮减速齿轮，但仍然可以实现从刀具主轴到刀库的有效减速。换句话说，本发明的目的是提供一种设有结构简单紧凑的高效低摩擦减速齿轮的换刀装置。本发明的另一目的是提供一种不要求在主轴的工作空间内设置暴露的用于驱动换刀装置的鼓式刀库的主轴齿轮的换刀装置。

为了实现上述目的，在此提供了根据权利要求所述的用于更换机床主轴上刀具的换刀装置以及如权利要求15所述的机床。本发明的优选实施例的特征描述于附属权利要求中。

根据本发明，一种用于更换机床主轴上的刀具的换刀装置，包括鼓式刀库、轴架第一联接装置以及至少一齿轮级或齿轮组件。鼓式刀库包括多个刀座，即换句话说，用于多个固持刀具的多个刀具固持装置。所述鼓式刀库可旋转地支撑在所述轴架上以将所述刀具固持装置与所述主轴对齐。第一联接装置可旋转地支撑在所述轴架上。所述第一联接装置利用所述至少一齿轮级或齿轮组件连接至所述鼓式刀库上。

根据本发明，所述第一联接装置适于与第二联接装置进行联接或解除联接，所述第二联接装置可旋转地支撑在所述机床的主轴头架上且利用至少一第二齿轮级连接至所述机床主轴。而且，所述鼓式刀库适于当所述第一和第二联接装置处于联接状态时，被所述机床主轴通过所述至少一第二齿轮级、所述第二和第一联接装置以及所述至少一第一齿轮级驱动以对齐所述刀具固持装置。

因此，根据本发明，可旋转地支撑在轴架上的第一联接装置被设置，其利用第一齿轮级连接刀库。因此，就可以利用第一联接装置和第二联接装置来驱动刀库。这样，当刀库利用第一联接装置驱动时，第一齿轮级使得高效和低摩擦减速成为可能。

而且，根据本发明，第一联接装置适于与第二联接装置进行联接或解除联接，第二联接装置可旋转地支撑在机床主轴头架上。因此，就可以利用位于主轴头架的第二联接装置来驱动刀库，刀库的驱动无需利用位于主轴工作空间内的主轴齿轮。

根据本发明，刀库适于当第一和第二联接装置处于联接状态时被机床主轴驱动。根据本发明，该驱动是利用至少一第二齿轮级来进行的，通过该至少一第二齿轮级，主轴可驱动第二联接装置，其中，第二联接装置驱动第一联接装置，该换刀装置的至少一第一齿轮级被第一联接装置驱动，从而驱动刀库。因此，进一步的减速得以通过第一和第二齿轮级的传动而实现。

因此，基于第二齿轮级、第二和第一联接装置和至少一第一齿轮级之间的联接，可以提供紧凑高效、低摩擦的减速齿轮，通过该减速齿轮，刀库可利用主轴驱动。这样，第二联接装置可旋转地支撑在机床主轴头架上，使得第一和第二联接装置之间的联接无需被设置在刀具主轴的工作空间内。因此，就可以以有利的方式自由改变主轴的工作空间，尤其是无需提供暴露的主轴齿轮。

优选的是，刀具固持装置围绕刀库的旋转轴线沿刀库的圆周设置。刀具固持装置可以与刀库一体成型或者安装至刀库。刀具固持装置优选的是包括用于支撑刀具的刀具支撑装置或抓紧刀具的刀具抓紧装置。例如，刀具固持装置可以为刀夹。

优选的是，所述第一联接装置设置于所述轴架上的、相对于所述鼓式刀库的旋转轴而言与主轴上的换刀位置相反的一侧上。这种设计的优点是第一联接装置的位于换刀装置的背离机床主轴的工作空间的区域，使得主轴的工作区域可保持自由状态，刀库的驱动可在换刀装置的相反一侧进行。

根据本发明的优选实施例，所述第一联接装置利用第一齿轮级连接至所述鼓式刀库。所述第一齿轮级优选的是包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述鼓式刀库同轴设置且以不可旋转的方式连接至所述鼓式刀库，所述第二齿轮以不可旋转的方式连接至所述第一联接装置。优选的是，在这种情况下，第一齿轮级为斜齿轮传动。

根据本发明的优选实施例，一个特别紧凑的传动齿轮可被提供用于驱动换刀装置的鼓式刀库，因为只有一个包含两个齿轮的单一齿轮级设置在换刀装置中。这样，所需要的减速可利用第一齿轮级和至少一第二齿轮级的传动比的总传动比来执行。优选的是，刀库的旋转轴线与第一联接装置的旋转轴线之间的倾角利用一斜齿轮传动加以补偿，该斜齿轮传动形成该第一齿轮级。这意味着第一齿轮和第二齿轮优选的为斜齿轮，他们的间隙角补偿刀库的旋转轴线与第一联接装置的旋转轴线之间的倾角。

根据本发明的又一优选实施例，所述第一联接装置利用第一齿轮级和第三齿轮级连接至所述鼓式刀库，其中，所述第一齿轮级包括第一齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮与所述鼓式刀库同轴设置且以不可旋转的方式连接至所述鼓式刀库。所述第三齿轮级包括第二齿轮和第四齿轮，所述第二齿轮以不可旋转的方式连接至所述第一联接装置。所述第一齿轮级的第三齿轮与所述第三齿轮级的第四齿轮以不可旋转的方式互相连接。

根据本发明的又一优选实施例，第一和第三齿轮级被整合在换刀装置中，从而可以有利地实现更高速度的减速，这是因为总传动比是源于第一、第二和第三齿轮级的传动比。因此，本优选实施例特别有利于刀库上具有更高数目的刀座的换刀装置，即，例如刀库的相邻刀具固持装置之间的角度降低的情形。这样，第一齿轮级可以为直齿轮或斜齿轮传动级，第三齿轮级可以为直齿轮或斜齿轮传动级。

根据一个特别优选的实施例，第一齿轮级为直齿轮传动，第三齿轮级为斜齿轮传动。这样，就可以有利的方式利用第三齿轮级的斜齿轮来补偿刀库的旋转轴线与第一联接装置的旋转轴线之间的倾斜，使得第一齿轮级的第三齿轮与第三齿轮级的第四齿轮的连接件可被设置一个与刀库的旋转轴线平行的旋转轴线，从而可以在换刀装置中实现特别紧凑的第一和第三齿轮级。

优选的是，第一齿轮级的第三齿轮和第三齿轮级的第四齿轮利用连接装置以不可旋转的方式连接。该连接装置优选的是被可旋转的支撑在轴架上。这样设计的优点是，这些齿轮级的结构可以更紧凑，因为第一联接装置与第二齿轮之间的连接以及第三齿轮与第四齿轮之间的连接都是可旋转地支撑在换刀装置的轴架上。

优选的是，第一和第二联接装置形成十字滑块联轴器。因此，第一和第二联接装置之间的联轴器可以提供特别简单的设计，其中，无需精确的对齐第一联接装置的旋转轴线与第二联接装置的旋转轴线，这是由于十字滑块联轴器的操作模式，此时其中一个联接装置包括十字滑块联轴器的两个盘，而另一个联接装置包括十字滑块联轴器的第三个盘。简单的凹槽和凸起连接可以提供第一和第二联接装置之间的联接的更简单设计，在这种设计中，其中一个联接装置具有凹槽，而另一个联接装置具有凸起。基本上，第一和第二联接装置之间的联接可以为摩擦连接(摩擦类和或磁类连接)和/或正锁紧连接，例如上述介绍的十字滑块联轴器或凹槽和凸起连接。

优选的是，所述第一联接装置适于通过相对于所述轴架上下移动所述主轴头架而与所述第二联接装置进行联接或解除联接。这样设计的优点是与第二联接装置的联接或解除联接可以一种特别简单的方式，通过相对于轴架上下移动机床主轴头架来进行。

优选的是，所述至少第一齿轮级和第二齿轮级形成减速齿轮。这样设计的优点是，减速可以通过第一和第二齿轮级的总传动比来达成。这样就有可能利用机床主轴来提供旋转刀库所需的扭矩。而且，这使得可以实现对刀库的旋转更精确的控制，以精确地对齐或定位刀库的刀座，因为刀库的一次旋转对应机床主轴的多次旋转。这样，该传动比优选的是根据至少一第一齿轮级和至少一第二齿轮级，以及根据第一、第二和第三齿轮级的总传动比分别加以预先确定。

优选的是，所述多个刀具固持装置沿所述鼓式刀库的圆周均匀设置，即，相邻的刀座之间的间隙角均匀。所述至少第一齿轮级和第二齿轮级的传动比设计成使得其总传动比这样改变，使得主轴旋转或者整数倍主轴旋转之后，所述鼓式刀库被移动一个刀具固持位置，具体而言，是移动一个与360度除以所述刀具固持装置的数目得到的角度相对应的角度。

这使得可以实现利用主轴驱动对刀库旋转特别简单的控制，因为与总传动比精确对应的主轴旋转或整数倍主轴旋转会致使刀库旋转的角度对应刀座的间隙角。这使得可以特别有利的方式更换具有不同刀具数目的更大或更小刀库，而无需更改主轴控制，因为总传动比可以由整合在刀库中的齿轮级来提供，使得主轴旋转或整数倍主轴旋转会将刀库移动一个刀具固持位置。为此，只需要每次分别更改第一齿轮级的传动比以及，例如，第一和第三齿轮级以适应均匀设置的刀座的数目，而无需调整第二齿轮级。

第二齿轮级可具有例如1：1或1：2的传动比，使得一次主轴旋转导致第二联接装置的一次旋转(传动比1：1)或半次旋转(传动比1：2)。因此，在联轴器为凸起与凹槽连接或十字滑块联轴器的优选设计中，一次主轴旋转有利地精确对应第二联接装置的一次完整或半次旋转，使得第二联接装置的联接或解除联接可分别以整数主轴旋转来分别达成。

优选的是，与所述第二联接装置呈联接状态的所述第一联接装置的旋转轴线与所述主轴的旋转轴线实质上垂直。这使得可以得到特别简单的结构，因为第一联接装置和第二联接装置都可以具有与主轴的旋转轴线实质上垂直的旋转轴线。因此，第二齿轮级可以由斜齿轮传动以紧凑的方式设置并具有简单的结构，其中该斜齿轮传动的旋转轴线实质上相互垂直。而且，当联轴器为凸起与凹槽连接或十字滑块联轴器，处于联接状态的第一和第二联接装置的垂直旋转轴线允许通过相对移动(优选的是，沿机床主轴头架的位移方向)所述第一和第二联接装置而达成联接装置的简单联接或解除联接。

优选的是，第一和第二联接装置处于联接状态时，所述鼓式刀库的旋转轴线朝所述第一联接装置倾斜，所述鼓式刀库的旋转轴线与所述第一联接装置的旋转轴线之间的倾角利用所述至少一第一齿轮级的至少一斜齿轮进行补偿。

优选的是，所述轴架适于借助于活节被连接至所述机床的固定装置，使得其被可枢转地支撑。这样设计的优点是，可旋转地支撑在轴架上的鼓式刀库可借助于该活节随轴架一同沿朝向或远离机床主轴的方向枢转，以对齐机床的刀座与主轴的旋转轴线，用以更换刀具。

根据本发明，机床包括主轴头架、设在所述主轴头架上的主轴、第二联接装置以及根据本发明上述至少任意一方面的换刀装置。第二联接装置可旋转地支撑在所述机床的主轴头架上且被所述机床主轴借助于第二齿轮级驱动。所述所述换刀装置的第一联接装置适于与所述第二联接装置进行联接或解除联接。所述机床适于，在所述第一和第二联接装置处于联接状态时，利用所述主轴通过所述第二齿轮级、所述第二和第一联接装置以及所述至少一第一齿轮级驱动所述鼓式刀库以对齐所述刀具固持装置。

因此，上述类型的创新机床具有本发明至少一或多个上述介绍的方面的换刀装置。这样，根据换刀装置的设计，可达成如上述换刀装置的各优选方面相同的优点。

优选的是，所述主轴头架可相对于所述换刀装置上下移动。这使得可以有利的方式通过上下移动主轴头架来控制换刀装置的换刀位置。

优选的是，所述换刀装置借助于至少一拉伸弹簧而抵靠于所述主轴头架的径向凸轮上，其中，当所述主轴头架被移动时，设在所述轴架上的导引装置被沿着所述径向凸轮引导，使得所述主轴头架的向上移动致使所述轴架朝向所述主轴的方向枢转，而所述主轴头架的向下移动致使所述轴架向远离所述主轴的方向枢转。这样，换刀装置朝向或远离主轴的枢转运动可简单地通过上下移动机床的主轴头架来实现。在这种情形下，导引装置可包括例如设置在轴架上的一个或多个滚轮。然而，导引装置也可以包括形成在或安装至轴架的一个或多个部分，该一个或多个部分被引导与主轴头架的径向凸轮接触。

优选的是，所述第一联接装置适于通过相对于所述轴架上下移动所述主轴头架而与所述第二联接装置进行联接或解除联接。这使得可以通过分别相对轴架和换刀装置上下移动主轴头架来达成第一和第二联接装置的特别简单的联接或解除联接。

优选的是，在所述主轴头架的最高位置，所述第一和第二联接装置处于联接状态。这样的优点在于，该联接状态可以特别简单的方式加以控制，因为其位于主轴头架的最高可控位置。

优选的是，所述主轴头架从所述最高位置向下的移动解除所述第一和第二联接装置之间的联接。因此，第一和第二联接装置之间的解除联接可以通过从最高位置向下移动主轴头架这种特别简单的方式来达成。

优选的是，机床包括连接至所述机床底座的固定装置，所述换刀装置的轴架借助于活节被可枢转地支撑在这个固定装置上。因此，可以提供固定装置的一个特别简单的设计，使换刀装置的轴架可枢转地支撑在这个固定装置上。

总之，本发明提供了一种具有紧凑结构的换刀装置，其可被机床主轴所驱动并降低摩擦。本发明的换刀装置提供了一种具有可旋转鼓式刀库的换刀装置，该鼓式刀库利用主轴驱动，无需使用复杂且摩擦频发的凸轮减速齿轮，但仍然可以实现从刀具主轴到刀库的有效减速。本发明的换刀装置可设有结构简单紧凑的高效低摩擦减速齿轮。而且，本发明不要求在主轴的工作空间内设置暴露的用于驱动换刀装置的鼓式刀库的主轴齿轮。

附图说明

图1例示了本发明第一实施例的换刀装置的局部剖面图。

图2例示了根据本发明第一实施例的通过上下移动主轴头架来控制换刀装置的枢转运动的结构图。

图3A、3B和3C例示了根据本发明第一实施例的第一和第二联接装置的细节。

图4A、4B、4C和4D例示了根据本发明第一实施例的借助于换刀装置对机床上刀具进行的换刀操作。

图5是根据本发明第二实施里的换刀装置的局部剖面示意图。

图6是根据本发明第二实施例的换刀装置的立体示意图。

图7是根据本发明另一实施例的换刀装置的含有刀具的刀夹的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式将参考附图描述如下。然而，本发明并不限定于所描述的实施例。本发明的范围是根据权利要求而确定。在附图中，相同或类似特征利用相同的标号来表示。关于图2、5和6中参考线的末端的点，应当注意的是，这些点标明这些参考线的末端，而不应被理解为所示的物体的技术细节。图2、5和6中的具有相应末端点的相应参考线被画成至少部分是线性的。这些至少部分呈线性的参考线并不代表所示的物体的任何技术细节。图3A中的点也不代表所示的物体的任何技术细节，而只是例示该图的一个截面，其在图3B和3C中以放大和立体的方式进行展示。

图1例示了本发明第一实施例的换刀装置1的局部剖面图。刀具10a、10b、10c可利用刀具固持夹2a、2b、2c(刀座或刀具固持装置)被径向地支撑在或固定至刀库2上，其中该刀库2可旋转地支撑在该轴架3上。轴架3借助于活节114a被可枢转地支撑在连接至机床底座110的固定装置114上，并利用拉伸弹簧11(见图2)的作用而抵靠在设有径向凸轮116的主轴头架(spindle stock)104上。主轴头架104可相对于底座110上下移动，主轴头架104具有安装在两侧的滑轨113a和113b。当主轴头架104上下移动时，滑轨113a和113b被底座110的导轨112引导。

如图2所示，本实施例中的轴架3包括滚轮12，当主轴头架104上下移动时，该滚轮12被引导沿着径向凸轮116移动，该滚轮12被拉伸弹簧11拉住抵靠在主轴头架104的径向凸轮116上。该主轴头架104的垂直移动(即，主轴头架104连同径向凸轮相对于换刀装置1的上下移动)因此导致轴架3连同刀库2的枢转运动，使得一个刀夹2a或一个固持在刀夹中的刀具10a可被移动到换刀操作所需的位置，在该位置该刀具与机床主轴101的旋转轴线101c对齐(例如，如图1所示)。

借助于径向凸轮116，主轴头架104的向上移动致使刀库2沿朝向主轴101的方向枢转，而主轴头架104的向下移动致使刀库2沿远离主轴101的方向枢转。机床主轴101包括主轴头101a，该主轴头101a具有用于固持刀具的刀座101b。主轴头101利用连接体102连接至主轴驱动轴的端部103(轴连接件103)而不可旋转，通过这个端部103，主轴101被旋转驱动。在图1的实施例中，刀座101b例示为大锥度(steep taper)刀座。然而，本发明并不限于大锥度刀座。例如，刀座101b也可以为例如空心轴椎体(hollow shaft cone)刀座或其它类型的主轴刀座。

图1示出本发明第一实施例的换刀装置1在主轴头架104位于最高位置时的示意图，此时，位于刀库2的最低位置的刀具10a与机床主轴101的旋转轴线101c对齐，其中，通过向下移动该主轴头架104，该刀具10a可被固持于主轴101的刀座101b中。

为了对齐刀座2a、2b、2c与主轴101的旋转轴线101c，刀库2利用轴承9a和9b可旋转地支撑在轴架3上。而且，第一联接装置的联接件6利用轴承8a和8b可旋转地支撑在轴架3上。联接件6以不可旋转的方式连接至直齿轮5(第二齿轮)。直齿轮5与整合在换刀装置1中的斜齿轮4(第一齿轮)形成第一齿轮级。斜齿轮4以不可旋转的方式固定至刀库2或与后者一体成型，使得不可旋转。在图1中，是例示了一个以不可旋转的方式连接至联接件6的直齿轮。然而，也可以提供一个与斜齿轮4连接的斜齿轮。只要是齿轮4和5之间具有一个齿轮间隙来补偿联接件6的旋转轴线与刀库2的旋转轴线3a之间的倾角，就足够了。

在图1所示的主轴头架104的最高位置，具有该换刀装置1的联接件6的该第一联接装置连接至联接件106a(第二联接装置)，该联接件106a借助于轴承115a和115b可旋转地支撑在机床的主轴头架104上。联接件106a以不可旋转的方式连接至位于主轴头架104内的斜齿轮106b，该斜齿轮106b与另一个斜齿轮105形成第二齿轮级。斜齿轮105以不可旋转的方式连接至主轴101，特别是，图1中的斜齿轮105是例示性地固定至主轴101的主轴头101而不可旋转。图1示出了换刀装置1的第一联接装置6、6a、7与第二联接装置的联接件106a之间的联接状态。

第一联接装置6、6a、7适于与第二联接装置106a联接，该第二联接装置106a利用第二齿轮级105、106b连接至机床主轴101。在第一和第二联接装置6、6a、7、106a的联接状态下，刀库2可被机床主轴101借助于第二齿轮级105、106b、第二和第一联接装置106a、6、6a、7之间的联接以及斜齿轮5、4的第一齿轮级驱动，以分别对齐刀夹2a、2b、2c与刀具10a、10b、10c。

在这种情况下，第一联接装置6、6a、7设置在轴架3上的与主轴101上的换刀位置相反(相对于刀库2的旋转轴3a)的一侧上，使得主轴101的工作空间，即图1的主轴101的下部区域，在刀座101b处保持空的状态，且没有现有技术中通常会提供的床头箱(spindle gearing)。

特别是在图1所示的本发明的第一实施例中，第一联接装置6、6a、7利用齿轮4和5构成的第一齿轮级连接至刀库2，斜齿轮4设置成与刀库同轴，直齿轮5以不可旋转的方式连接至联接件6。由于这种齿轮4和5的第一齿轮级为具有一个斜齿轮的的斜齿轮传动，这样就可以补偿刀库2的旋转轴线3c与联接件6的旋转轴线之间的倾斜，其中该联接件6的旋转轴线设置成与刀库2的旋转轴线3c垂直。这样，联接件106a的旋转轴线也设置成与主轴101的旋转轴线101c垂直。刀库2的旋转轴线3c有一个倾角，是因为在第一和第二联接装置6、6a、7、106a的联接状态下，刀库2朝向主轴101枢转。

齿轮4和5构成的第一齿轮级以及斜齿轮105和106b构成的第二齿轮级共同形成减速齿轮，利用这个减速齿轮，当主轴101驱动刀库2时，可以实现减速。

图3A至3C分别为根据本发明第一实施例由第一联接装置6、6a、7和第二联接装置106a构成的联轴器的操作模式和细节的示意图。这种情况下，图3A对应图1的主轴头架104的位置，其中主轴头架104位于最高位置，第一联接装置6、6a、7处于与第二联接装置106a联接的状态。

如图3B所示，在本实施例中，第一联接装置6、6a、7和第二联接装置106a构成的联轴器为十字滑块联轴器(Oldham coupling)，其中第一联接装置6、6a、7例示性地包括该十字滑块联轴器的外侧盘6a和中间盘7，而第二联接装置包括该十字滑块联轴器的外侧盘106a。如果十字滑块联轴器处于图3c所示的竖直位置，联接装置6、6a、7与106a可以通过主轴头架104向下移动而解除联接。通过再将主轴头架104向上移动，联接装置6、6a、7与106a可被重新联接。

在第一联接装置6、6a、7与第二联接装置106a的联接或解除联接过程中，联接装置这样对齐，使得第一联接装置6、6a、7的中间盘的凹槽与第二联接装置106a的外侧盘的凸起在竖直方向上(即主轴头架104的移动方向上)对齐。因此，这就可以通过第一和/或第二联接装置的半整数或整数旋转来实现一种可联接或可解除联接的状态，或从一种可联接或可解除联接的状态转变到另一种可联接或可解除联接的状态。

因此，特别是在本发明的优选实施例中，斜齿轮105、106b的第二齿轮级的传动具有1：1或1：2的传动比，使得主轴101的一次主轴旋转实现第二联接装置106a的整数或半整数旋转。在这些实施例中，可以通过主轴101的整数旋转或多个整数旋转使联轴器从一个可联接或可解除联接的状态转变到另一个可联接或可解除联接的状态。那么，优选的是，齿轮4和5的第一齿轮级的传动比应选择成使得总传动可按如下方式提供，即主轴101的一次旋转或主轴101的整数倍旋转使刀库2转过一个刀具的位置，即，在刀座2a、2b、2c是沿刀库2的圆周均匀设置的情况下，转过的角度对应360度除以这些均匀设置的刀座2a、2b、2c的数量得到的角度。

如果刀库2的容量例如是14个刀具且第二齿轮级105、106a的减速比为1：2，这意味着齿轮4和5的第一齿轮级的传动比或者其整数倍为1：7。因此，如果第一齿轮级4、5的传动比为1：7，第二齿轮级105、106a的传动比为1：2，则总传动比为1：14，再若14个刀座2a、2b、2c均匀等距地设置，主轴101的一次旋转致使刀库2转过刚好一个刀具位置。

在本实施例中，联接装置形成一个十字滑块联轴器，其中，换刀装置1上的第一联接装置6、6a、7包括该十字滑块联轴器的外侧盘6a和中间盘7，而第二联接装置包括该十字滑块联轴器的外侧盘106a。然而，本发明并不限于十字滑块联轴器的这种设计。在包含十字滑块联轴器的实施例中，位于机床主轴头架104的第二联接装置106a也可以具有该十字滑块联轴器的外侧盘和中间盘，第二联接装置则具有该十字滑块联轴器的外侧盘。在包含十字滑块联轴器的实施例中，基本上具有如下的优点，即这两个联接装置的旋转轴线并不必须要是精确对齐，这是因为稍微偏离其同轴位置的定位也不会限制该联轴器的功能。然而，本发明并不限于包含十字滑块联轴器的实施例。也可以例如通过简单的凸起与凹槽联接来提供一个特别简单的联轴器，但这样第一和第二联接装置的旋转轴线的精确定位就变得必需了。除了上述描述的正锁紧联轴器(positive locking coupling)，提供摩擦锁紧联轴器(例如，利用摩擦力或磁力或电磁力造成的附着摩擦力)也是可能的。在摩擦联轴器中，联轴器视情况也可以通过径向凸轮116(例如，当联接装置靠近时，借助于径向凸轮的小水平往复运动)进行额外的控制。

图4A和4D是根据本发明第一实施例的机床主轴101的刀座101b中的刀具10a利用换刀装置1进行换刀操作的示意图。在图4A中，机床主轴头架104位于最高位置，联轴器的联接装置6、6a、7、106a处于联接状态(也参考图1)。通过旋转主轴101，刀库2可绕轴架3上的可旋转轴承9a、9b的旋转轴线3a旋转以使预定刀具10a与主轴101的旋转轴线101c对齐。

对齐操作完成之后，通过向下移动主轴头架104，刀具10a被固持在主轴101的刀座101b中，其中联接装置6、6a、7、106a的连接先被解除(见图4B)，然而对齐的刀具10a被固持在主轴101的刀座101b中。通过进一步向下移动主轴头架104，径向凸轮116与轴架3上的滚轮12的配合使得刀库2朝远离主轴101的方向枢转(见图4C和4D)，于是，就可以在主轴头架104的较下位置利用固持在主轴101中的刀具10a对工件进行加工。

刀具10a、10b、10c利用弹簧组件夹紧在主轴101中。释放刀具夹紧装置所需的释放力以及移动是借助于主轴头架104的垂直移动来间接地施加和进行的。偏转杆108利用轴承109可枢转地支撑在主轴头架104上，偏转杆108一侧连接至弹簧偏置的刀具固持或释放杆107。借助于主轴头架104的垂直移动，利用支撑在该偏转杆108上的滚轮111以及位于机床底座110上的径向凸轮110a在该偏转杆108另一侧对该偏转杆108进行驱动(见图1和图4B至4D)。

图5是本发明换刀装置第二实施例的局部剖面示意图。第二实施例的换刀装置与第一实施例的差别在于支撑在轴架3上的齿轮级的数目。在图5的实施例中，第一齿轮级13、14为直齿轮传动级，另一个齿轮级15、16为斜齿轮传动级。

直齿轮传动级包括两个直齿轮13和14，其中一个直齿轮(第一齿轮)以不可旋转的方式连接至刀库2，直齿轮传动级的另一个直齿轮14(第三齿轮)以不可旋转的方式连接至斜齿轮传动级的斜齿轮15(第四齿轮)，且直齿轮14与斜齿轮15一起利用轴承18a和18b旋转支撑在轴架3上。另一个斜齿轮16(第二齿轮)以不可旋转的方式连接至第一联接装置6、6a、7的联接件6且利用轴承17a和17b旋转支撑在轴架3上。

这样，具有斜齿轮15和16的斜齿轮传动级补偿刀库2和第一联接装置6、6a、7的旋转轴线3a之间的倾角。这样就有可能以一种有利的方式使得以不可旋转的方式连接直齿轮传动级的直齿轮14(第三齿轮)与斜齿轮传动级的斜齿轮15(第四齿轮)的连接件可以与刀库2的旋转轴线平行，从而可以得到一个特别紧凑的构造，因为齿轮14和15可以设置成与刀库2平行(图5)。然而，本发明并不限于这种设计。在其它实施例中，齿轮13和14的齿轮级可为直或斜齿轮传动级，齿轮15和16的齿轮级可为直或斜齿轮传动级。在两个齿轮级都是斜齿轮级的实施例中，这两个斜齿轮传动级优选的是共同补偿刀库2的旋转轴线3a与第一联接装置6、6a、7的旋转轴线之间的倾角。

图6是本发明第二实施例的换刀装置的立体示意图。，具有两个可旋转地支撑在轴架3上的齿轮级的这种设计由于这两个协同运作的传动因而可以特别紧凑的方式实现刀库2上的大量刀座2a、2b、2c。这样，总传动是主轴101上的齿轮级105、106a(第二齿轮级)的传动与整合在换刀装置中的两个齿轮级(第一和第三齿轮级)的协同运作的结果。因此，本发明第二实施例的换刀装置特别适合于刀座数量大、脚间距小(即，相邻设置的刀座间的角度小)的刀库。

如果刀库2的容量例如是21个刀具且第二齿轮级105、106a的减速比为1：2，这意味着齿轮13、14、15和16的两个齿轮级的传动比或者其整数倍为1：10.5。因此，如果这两个齿轮级13、14、15和16的传动比为1：10.5，第二齿轮级105、106a的传动比为1：2，则得到的总传动比为1：21。其中，若21个刀座2a、2b、2c均匀等距地设置，则主轴101的一次旋转会致使刀库2转过刚好一个刀具位置。

图7是本发明又一个实施例的换刀装置的刀夹2c的示意图，其中刀具10c被固持在该刀夹2c中。在上述附图1至6中，刀具10a、10b、10c被固持在沿刀库2圆周设置的刀夹2a、2b、2c中。刀具10a、10b、10c这样形成使得它们可被固持在主轴101的大锥度刀座101b中。然而，本发明并不限于主轴101具有大锥度刀座101b的实施例。其它刀座界面也是可能的。例如，图7示出了一个适合于利用HSC(Hollow shaft Cone，空心轴锥体)方式容纳在主轴101上的刀具10c。在这样一个实施例中，HSC刀座将被设置在主轴101上。换刀装置的其它操作模式可如上述介绍的实施例一样加以提供。

总之，本发明提供了一种具有紧凑结构的换刀装置，其可被机床主轴所驱动并降低摩擦。本发明的换刀装置提供了一种具有可旋转鼓式刀库的换刀装置，该鼓式刀库利用主轴驱动，无需使用复杂且摩擦频发的凸轮减速齿轮，但仍然可以实现从刀具主轴到刀库的减速。本发明的换刀装置可设有结构简单紧凑的高效低摩擦减速齿轮。而且，本发明不要求在主轴的工作空间内设置暴露的用于驱动换刀装置的鼓式刀库的主轴齿轮。

                         元件列表

1                        换刀装置

2                        鼓式刀库

2a,2b,2c                 刀夹(刀具固持装置)

3                        轴架

3a                       轴架的旋转轴线

4                        斜齿轮(第一齿轮)

5                        直齿轮(第二齿轮)

6                        联接件

6a                       十字滑块联轴器的外侧盘

7                        十字滑块联轴器的中间盘

8a,8b                    轴承

9a,9b                    轴承

10a,10b,10c              刀具

11                       拉伸弹簧

12                       滚轮

13                       直齿轮(第一齿轮)

14                       直齿轮(第三齿轮)

15                       斜齿轮(第四齿轮)

16                       斜齿轮(第二齿轮)

17a,17b                  轴承

18a,18b                  轴承

101                      主轴

101a                     主轴头

101b                     主轴刀座

101c                     主轴的旋转轴线

102                      连接体

103                      驱动轴端部

104                      主轴头架

104a,104b,104c           轴承

105                      斜齿轮

106a                     联接件

106b                     斜齿轮

107                      释放杆

108                      偏转杆

109                      轴承

110                      机床底座

110                      径向凸轮(位于机床底座上)

111                      滚轮

112                      导轨

113a,113b                滑轨

114                      固定装置

114a                     活节

115a,115b                轴承

116                      径向凸轮(位于主轴头架上)

Claims (21)

1.一种用于更换机床的主轴(101)上的刀具(10a)的换刀装置，其特征在于其包括：

鼓式刀库(2)，包括用于固持多个刀具(10a、10b、10c)的多个刀具固持装置(2a、2b、2c)；

轴架(3)，所述鼓式刀库(2)可旋转地支撑在所述轴架(3)上以将所述刀具固持装置(2a、2b、2c)中的一个与所述主轴(101)对齐；

第一联接装置，可旋转的支撑在所述轴架(3)上；以及

至少一第一齿轮级，所述第一联接装置利用所述至少一第一齿轮级连接至所述鼓式刀库(2)上，

其中，所述第一联接装置适于与第二联接装置进行联接或解除联接，所述第二联接装置可旋转地支撑在所述机床的主轴头架(104)上且利用至少一第二齿轮级连接至所述机床的主轴(101)，以及

其中，所述鼓式刀库(2)适于当所述第一和第二联接装置处于联接状态时，被所述主轴(101)通过所述至少一第二齿轮级、所述第二和第一联接装置以及所述至少一第一齿轮级驱动，以将所述多个刀具固持装置(2a、2b、2c)中的一个与所述主轴(101)对齐。

2.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述第一联接装置设置于所述轴架(3)上的、相对于所述鼓式刀库(2)的旋转轴(3a)而言与主轴(101)上的换刀位置相反的一侧上。

3.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述至少一第一齿轮级包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述鼓式刀库(2)同轴设置且以不可旋转的方式连接至所述鼓式刀库(2)，所述第二齿轮以不可旋转的方式连接至所述第一联接装置。

4.如权利要求3所述的换刀装置，其特征在于，所述至少一第一齿轮级为斜齿轮传动。

5.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述第一联接装置利用所述至少一第一齿轮级和第三齿轮级连接至所述鼓式刀库(2)，其中，

所述至少一第一齿轮级包括第一齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮与所述鼓式刀库(2)同轴设置且以不可旋转的方式连接至所述鼓式刀库(2)，

所述第三齿轮级包括第二齿轮和第四齿轮，所述第二齿轮以不可旋转的方式连接至所述第一联接装置，以及

所述至少一第一齿轮级的第三齿轮与所述第三齿轮级的第四齿轮互相连接而不可旋转。

6.如权利要求5所述的换刀装置，其特征在于，所述至少一第一齿轮级为直齿轮传动，所述第三齿轮级为斜齿轮传动。

7.如权利要求5所述的换刀装置，其特征在于，所述第一齿轮级的第三齿轮与所述第三齿轮级的第四齿轮利用可旋转的支撑在所述轴架(3)上的连接装置进行连接。

8.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述第一和第二联接装置形成十字滑块联轴器(6a、7、106a)。

9.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述第一联接装置适于通过相对于所述轴架(3)上下移动所述主轴头架(104)而与所述第二联接装置进行联接或解除联接。

10.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述至少一第一齿轮级和第二齿轮级形成减速齿轮。

11.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述多个刀具固持装置(2a、2b、2c)沿所述鼓式刀库(2)的圆周均匀设置，所述至少一第一齿轮级和第二齿轮级的传动比设计成使得其总传动比这样调整，使得主轴旋转或者整数倍主轴旋转之后，所述鼓式刀库(2)被移动一个刀具固持位置，具体而言，是移动一个与360度除以所述刀具固持装置(2a、2b、2c)的数目得到的角度相对应的角度。

12.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，与所述第二联接装置呈联接状态的所述第一联接装置的旋转轴线与所述主轴(101)的旋转轴线(101c)实质上垂直。

13.如权利要求12所述的换刀装置，其特征在于，第一和第二联接装置处于联接状态时，所述鼓式刀库(2)的旋转轴(3a)朝所述第一联接装置倾斜，所述鼓式刀库(2)的旋转轴(3a)与所述第一联接装置的旋转轴线之间的倾角利用所述至少一第一齿轮级的至少一斜齿轮进行补偿。

14.如权利要求1所述的换刀装置，其特征在于，所述轴架(3)适于借助于活节(114a)被连接至所述机床的固定装置(114)，使得其被可枢转地支撑。

15.一种机床，其特征在于其包括：

主轴头架(104)；

设在所述主轴头架(104)上的主轴(101)；

第二联接装置，可旋转地支撑在所述机床的主轴头架(104)上且被所述主轴(101)借助于第二齿轮级驱动；以及

如权利要求1所述的用于更换所述主轴(101)上的刀具(10a)的换刀装置，

其中，所述换刀装置(1)的第一联接装置适于与所述第二联接装置进行联接或解除联接，以及

其中，所述机床适于，在所述第一和第二联接装置处于联接状态时，利用所述主轴(101)通过所述第二齿轮级、所述第二和第一联接装置以及所述至少一第一齿轮级驱动所述鼓式刀库(2)，以将所述刀具固持装置(2a、2b、2c)中的一个与所述主轴(101)对齐。

16.如权利要求15所述的机床，其特征在于，所述主轴头架(104)可相对于所述换刀装置(1)上下移动。

17.如权利要求16所述的机床，其特征在于，所述换刀装置(1)借助于至少一拉伸弹簧(11)而抵靠于所述主轴头架(104)的径向凸轮(116)上，其中，当所述主轴头架(104)被移动时，设在所述轴架(3)上的导引装置(12)被沿着所述径向凸轮(116)引导，使得所述主轴头架(104)的向上移动致使所述轴架(3)朝向所述主轴(101)的方向枢转，而所述主轴头架(104)的向下移动致使所述轴架(3)向远离所述主轴(101)的方向枢转。

18.如权利要求16所述的机床，其特征在于，所述第一联接装置适于通过相对于所述轴架(3)上下移动所述主轴头架(104)而与所述第二联接装置进行联接或解除联接。

19.如权利要求18所述的机床，其特征在于，在所述主轴头架(104)的最高位置，所述第一和第二联接装置处于联接状态。

20.如权利要求19所述的机床，其特征在于，所述主轴头架(104)从所述最高位置向下的移动解除所述第一和第二联接装置之间的联接。

21.如权利要求15所述的机床，其特征在于，进一步包括：连接至所述机床底座(110)的固定装置(114)，所述换刀装置(1)的轴架(3)借助于活节(114a)被可枢转地支撑在这个固定装置(114)上。