CN102528508B - 高速加工中心自动换刀装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速加工中心自动换刀装置，以替代弧面分度凸轮为主体的刀具换位机构，具有结构简单、制造方便的特点。本发明，包括箱体、刀臂主轴、换刀臂，动力传动机构、拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构、传动离合机构，具体改进点由刀具换位机构和传动离合机构两部分组成，刀具换位机构采用齿条机构与空套在刀臂主轴上的传动齿轮啮合，齿条机构通过一个换位摆杆与复合凸轮的运动关联；传动离合机构的结构：空套在刀臂主轴上的轴套的一侧与传动齿轮固定连接，刀具锁紧机构的推杆的中部加工有底面与推杆的轴线呈一定角度的T型槽，T型销安装在T型槽内，并插入刀臂主轴定位孔中，轴套上设有与T型销的轴颈相适应的轴向槽。

Description

高速加工中心自动换刀装置

技术领域

本发明属于一种自动换刀装置，应用于高速加工中心，实现加工中心主轴与刀具库上的刀具相互交换，涉及自动换刀装置和方法。

背景技术

高速加工中心自动换刀装置是高速加工中心的重要功能部件，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间和多次装夹工件引起的误差，以提高生产效率、降低生产成本，进而提高机床乃至整个生产线的生产效率。目前主流的高速加工中心自动换刀装置中，刀具换位是通过弧面分度凸轮为主体实现的，弧面分度凸轮是关键的组成零件。与国外成熟的技术相比，我国在弧面分度凸轮的研究上还存在一些关键技术问题需要解决，如：优良运动曲线选择、机构运行的可靠性、换刀机构复合凸轮的设计、凸轮的精密加工等。另外，弧面分度凸轮加工困难，售价昂贵，后续的维护费用也不容忽视。

发明内容

本发明的目的是提供一种主要改进刀具转位机构的高速加工中心自动换刀装置，以替代弧面分度凸轮为主体的刀具换位机构，具有结构简单、制造方便的特点。

本发明的技术方案：

高速加工中心自动换刀装置，包括箱体、刀臂主轴、换刀臂，动力传动机构、拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构、传动离合机构，刀臂主轴通过轴承支撑在箱体上，刀臂主轴可轴向往复运动，换刀臂固定在刀臂主轴前端；

所述动力传动机构的结构：主要由电动机、减速器、多个齿轮、复合凸轮组成，电动机与减速器连接，减速器通过多个齿轮把动力传递给复合凸轮，复合凸轮通过转轴支撑在箱体上，复合凸轮的轴线与换刀臂的轴线垂直，复合凸轮上设有三条功能不同的轮廓曲线1a、1b、1c，分别控制拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构；

所述拔插刀机构的结构：拔插刀摆杆的中部用销轴固定在箱体上，拔插刀摆杆的一端通过第一拨叉与刀臂主轴联接，拔插刀摆杆的另一端固定有轴承，复合凸轮与拔插刀摆杆的另一端通过轴承联接，拔插刀摆杆的轴承在复合凸轮的沟槽内滚动；拔插刀机构的动力由复合凸轮提供，复合凸轮推动拔插刀摆杆摆动，拔插刀摆杆带动刀臂主轴做轴向往复运动，实现拔刀或插刀；刀臂主轴做轴向往复运动是由复合凸轮的轮廓曲线1a控制的；

所述刀具锁紧机构的结构：主要由顶杆、摇杆、推杆、锁刀头、轴套组成，顶杆支撑在箱体上的导套内，顶杆的一端通过滚轮支撑在复合凸轮的外圆轮廓上，摇杆的中部通过支架铰接在箱体外侧壁上，顶杆的另一端与摇杆的一端铰接；刀臂主轴是空心的，推杆在刀臂主轴内导向；换刀臂两端是开口相反的卡爪，换刀臂内安装有导向滑块、弹簧、锁紧滑块，锁刀头设在刀臂主轴的前端，刀臂主轴的前端固定有轴套，锁刀头在轴套内导向，锁刀头的锥面与锁紧滑块相配合，推杆的前端通过螺钉与锁刀头固定连接；推杆的尾端从刀臂主轴内伸出，推杆的尾端套有复位弹簧，摇杆的另一端与推杆尾端相互作用；复合凸轮与滚轮接触，滚轮安装在顶杆的一端当复合凸轮推动顶杆运动时，顶杆推动摇杆摆动，使复位弹簧被压缩，锁刀头远离导向滑块，解除对导向滑块的挤压，换刀臂手臂内的弹簧复位，解除对锁紧滑块的挤压，刀具松开；当复合凸轮轮廓远离顶杆时，解除对顶杆的挤压，复位弹簧复位，带动锁刀头挤压导向滑块使其压缩换刀臂手臂内的弹簧，推动锁紧滑块配合卡爪来锁紧刀具；

其特征在于：

所述刀具换位机构的结构：主要由换位摆杆、第二拨叉、传动齿轮、齿条、滚动导轨副组成，齿条由滚动导轨副支承在箱体内壁上，换位摆杆的中部铰接在箱体上，换位摆杆的一端通过第二拨叉与齿条联接；传动齿轮空套在刀臂主轴上，传动齿轮与齿条啮合；换位摆杆的另一端固定有轴承，复合凸轮与换位摆杆的另一端通过轴承联接，换位摆杆的轴承在复合凸轮的沟槽内滚动；传动齿轮又与传动离合机构传动联接；复合凸轮推动换位摆杆摆动，换位摆杆带动齿条往复运动，齿条驱动传动齿轮旋转，传动齿轮通过传动离合机构将动力传递给刀臂主轴，使刀臂主轴做正反向旋转运动；刀臂主轴做正反向旋转运动是由复合凸轮的轮廓曲线1b控制的；

所述传动离合机构的结构：一个轴套空套在刀臂主轴上，轴套的一侧与刀具换位机构的传动齿轮固定连接，刀具锁紧机构的推杆的中部加工有T型槽，T型槽的底面与推杆的轴线成一定角度；T型销安装在T型槽内，并插入刀臂主轴定位孔中，轴套上设有与T型销的轴颈相适应的轴向槽；当刀具锁紧机构的推杆往复运动时，T型槽推拉T型销，使T型销沿自身轴线上下运动，从而联接或断开与轴套的传动，控制刀臂主轴的转位。

工作过程：电动机的动力驱动复合凸轮转动，复合凸轮上的轮廓曲线分别控制拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构，复合凸轮控制刀具换位机构，使换刀臂从换刀臂等待位置正向转动一预定角度（一般是30°至90°）而到达抓刀位置，使换刀臂两端上的卡爪抓取安装在加工中心主轴上的旧刀具和刀具库内的新刀具；刀具锁紧机构锁紧两刀具后，拔插刀机构将刀具沿机床主轴轴向拔出离开抓刀位置一预定距离，刀具换位机构使换刀臂继续正向旋转180°，两刀具位置相互交换；然后拔插刀机构再使换刀臂沿轴向返回到抓刀位置，以使换刀臂将新刀具插入机床主轴，同时旧刀具插入刀具库内；接着刀具锁紧机构松开刀具，刀具换位机构使换刀臂反向旋转，使其返回到换刀臂等待位置；之后传动离合机构切断齿轮与刀臂主轴之间的动力传递，使齿条继续运动返回到初始位置，与此同时齿轮空转、刀臂主轴及换刀臂停止转动。最后传动离合机构复位，复合凸轮转回到初始位置被锁紧，换刀结束。

有益效果：本发明改进了刀具转位机构，通过传动离合结构的配合，成功地解决了换刀臂正反转转动角度不相等、换刀臂必须被精确定位等难点，本发明换刀速度快、结构简单、制造方便，完全可以代替弧面分度凸轮为主体的刀具换位机构。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1所示沿A-A剖视图；

图3是图1所示沿B-B剖视图；

图4是本发明的后视图(去掉图1中所示箱体27的后壁及滚动导轨副，同时省略了箱体27外面的部分结构)；

图5是图4所示沿D-D剖视图（放大图）；

图6是图1所示的E向视图（放大图）；

图7是图1所示的I处局部放大图；

图8是图7所示的F-F剖视图。

具体实施方式

如图1所示的高速加工中心自动换刀装置，包括箱体27、刀臂主轴13、换刀臂18，动力传动机构、拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构、传动离合机构，刀臂主轴13通过轴承支撑在箱体27上，刀臂主轴可轴向往复运动，换刀臂18固定在刀臂主轴13前端。

动力传动机构如图1、2所示，电动机5与减速器3连接，减速器通过齿轮4、2、24传递给复合凸轮1，复合凸轮通过转轴支撑在箱体上，复合凸轮的轴线与换刀臂的轴线垂直，复合凸轮上设有三条功能不同的轮廓曲线1a、1b、1c组成，分别控制拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构。

拔插刀机构如图1、3所示，主要由拔插刀摆杆9、第一拨叉15、刀臂主轴13等组成，拔插刀摆杆9的中部用销轴6铰接在箱体27上，拔插刀摆,9的一端通过第一拨叉与刀臂主轴13联接，拔插刀摆杆的另一端固定有轴承28，复合凸轮1与拔插刀摆杆9的上端通过轴承28联接，轴承28在复合凸轮1的沟槽内滚动；拔插刀机构的动力由复合凸轮1提供，复合凸轮1推动拔插刀摆杆9摆动，拔插刀摆杆9带动刀臂主轴13做轴向往复运动；刀臂主轴13做轴向往复运动是由复合凸轮1的轮廓曲线1a控制的，使安装在刀臂主轴13端部的换刀臂18伸出或缩回，实现拔刀或插刀。

刀具换位机构如图4、5所示，主要由换位摆杆31、第二拨叉30、传动齿轮17、齿条22、滚动导轨副（由导轨33、两个滑块34组成）组成，齿条22由滚动导轨副支承在箱体27内壁上，换位摆杆31的中部铰接在箱体27上，换位摆杆31的一端通过第二拨叉与齿条22联接；传动齿轮17空套在刀臂主轴上，传动齿轮17与齿条22啮合；换位摆杆31的另一端固定有轴承29，复合凸轮1与换位摆杆31的另一端通过轴承29联接，换位摆杆的轴承29在复合凸轮1的沟槽内滚动；传动齿轮31又与传动离合机构传动联接；复合凸轮1推动换位摆杆31摆动，换位摆杆31带动齿条22往复运动，齿条22驱动传动齿轮17旋转，传动齿轮17通过传动离合机构将动力传递给刀臂主轴13，使刀臂主轴13做正反向旋转运动；刀臂主轴13做正反向旋转运动是由复合凸轮1的轮廓曲线控制的。

刀具锁紧机构如图1、6所示，主要由顶杆7、摇杆10、弹簧11和36、推杆14、锁刀头19、轴套21、换刀臂18、两个锁紧滑块35、两个导向滑块37组成，顶杆7支撑在箱体上的导套内，顶杆7的一端通过滚轮支撑在复合凸轮1的外圆轮廓上，摇杆10的中部通过支架铰接在箱体27外侧壁上，顶杆7的另一端与摇杆10的一端铰接；刀臂主轴13是空心的，推杆14在刀臂主轴13内导向；换刀臂18两端是开口相反的卡爪，换刀臂内安装有导向滑块37、弹簧36、锁紧滑块35，锁刀头19设在刀臂主轴的前端，刀臂主轴的前端固定有轴套21，锁刀头19在轴套21内导向，锁刀头19的锥面与导向滑块37相配合，推杆14的前端通过螺钉与锁刀头19固定连接；推杆14的尾端从刀臂主轴13内伸出，推杆的尾端套有复位弹簧11，摇杆10的另一端与推杆14尾端相互作用。当复合凸轮1的轮廓1c处于升程阶段时，推动顶杆7向左运动，顶杆7推动摇杆10摆动，使推杆14运动，其运动特性是由复合凸轮1的轮廓曲线1c控制的，锁刀头19远离导向滑块37，解除对导向滑块37的挤压，换刀臂18手臂内的弹簧36复位，解除对锁紧滑块35的挤压，刀具松开；当复合凸轮1的轮廓1c处于回程阶段时，解除对顶杆7的挤压，复位弹簧复位，带动锁刀头19挤压导向滑块37使其压缩换刀臂18手臂内的弹簧36，推动锁紧滑块35配合卡爪来锁紧刀具。

传动离合机构如图1、7、8所示，一个轴套16空套在刀臂主轴13上，轴套16的一侧与刀具换位机构的传动齿轮17固定连接，刀具锁紧机构的推杆14的中部加工有T型槽，T型槽的底面与推杆14的轴线成一定角度；T型销38安装在T型槽内，并插入刀臂主轴13定位孔中，轴套16上设有与T型销的轴颈相适应的轴向槽；当刀具锁紧机构的推杆往复运动时，T型槽推拉T型销38，使T型销38沿自身轴线上下运动，从而联接或断开与轴套16的传动，控制刀臂主轴的转位。

如图1所示，在复合凸轮1位于初始位置时，设有杆23、螺钉25及弹性柱销26组成的定位机构。

详细描述工作过程为：

电动机5驱动复合凸轮1转动，复合凸轮1上有三种轮廓曲线1a、1b、1c、它们分别控制拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构；复合凸轮1通过刀具换位机构使换刀臂18从换刀臂等待位置正向转动一预定角度（一般是30°至90°）而到达抓刀位置，使换刀臂18两端上的卡爪抓取安装在机床主轴上的旧刀具和刀具库内的新刀具；刀具锁紧机构锁紧两刀具后，拔插刀机构将刀具沿主轴轴向拔出离开抓刀位置一预定距离，刀具换位机构使换刀臂18继续正向旋转180°，两刀具位置相互交换；然后拔插刀机构再使换刀臂18沿轴向返回到抓刀位置，以使换刀臂18将新刀具插入机床主轴，同时旧刀具插入刀具库内；接着刀具锁紧机构松开刀具，刀具换位机构使换刀臂18反向旋转，使其返回到换刀臂等待位置；之后传动离合机构切断齿轮17与刀臂主轴13之间的动力传递，使齿条22继续运动返回到初始位置，同时齿轮17空转、刀臂主轴13及换刀臂18停止转动。最后传动离合机构复位，复合凸轮1转回到初始位置，被杆23、螺钉25及弹性柱销26配合锁紧，换刀结束。

Claims (1)

1.高速加工中心自动换刀装置，包括箱体、刀臂主轴、换刀臂，动力传动机构、拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构、传动离合机构，刀臂主轴通过轴承支撑在箱体上，刀臂主轴可轴向往复运动，换刀臂固定在刀臂主轴前端；

所述动力传动机构的结构：主要由电动机、减速器、多个齿轮、复合凸轮组成，电动机与减速器连接，减速器通过多个齿轮把动力传递给复合凸轮，复合凸轮通过转轴支撑在箱体上，复合凸轮的轴线与换刀臂的轴线垂直，复合凸轮上设有三条功能不同的轮廓曲线1a、1b、1c，分别控制拔插刀机构、刀具换位机构、刀具锁紧机构；

所述拔插刀机构的结构：拔插刀摆杆的中部用销轴固定在箱体上，拔插刀摆杆的一端通过第一拨叉与刀臂主轴联接，拔插刀摆杆的另一端固定有轴承，复合凸轮与拔插刀摆杆的另一端通过轴承联接，拔插刀摆杆的轴承在复合凸轮的沟槽内滚动；拔插刀机构的动力由复合凸轮提供，复合凸轮推动拔插刀摆杆摆动，拔插刀摆杆带动刀臂主轴做轴向往复运动，实现拔刀或插刀；刀臂主轴做轴向往复运动是由复合凸轮的轮廓曲线1a控制的；

所述刀具锁紧机构的结构：主要由顶杆、摇杆、推杆、锁刀头、轴套组成，顶杆支撑在箱体上的导套内，顶杆的一端通过滚轮支撑在复合凸轮的外圆轮廓上，摇杆的中部通过支架铰接在箱体外侧壁上，顶杆的另一端与摇杆的一端铰接；刀臂主轴是空心的，推杆在刀臂主轴内导向；换刀臂两端是开口相反的卡爪，换刀臂内安装有导向滑块、弹簧、锁紧滑块，锁刀头设在刀臂主轴的前端，刀臂主轴的前端固定有轴套，锁刀头在轴套内导向，锁刀头的锥面与锁紧滑块相配合，推杆的前端通过螺钉与锁刀头固定连接；推杆的尾端从刀臂主轴内伸出，推杆的尾端套有复位弹簧，摇杆的另一端与推杆尾端相互作用；复合凸轮与滚轮接触，滚轮安装在顶杆的一端当复合凸轮推动顶杆运动时，顶杆推动摇杆摆动，使复位弹簧被压缩，锁刀头远离导向滑块，解除对导向滑块的挤压，换刀臂手臂内的弹簧复位，解除对锁紧滑块的挤压，刀具松开；当复合凸轮轮廓远离顶杆时，解除对顶杆的挤压，复位弹簧复位，带动锁刀头挤压导向滑块使其压缩换刀臂手臂内的弹簧，推动锁紧滑块配合卡爪来锁紧刀具；

其特征在于：

所述刀具换位机构的结构：主要由换位摆杆、第二拨叉、传动齿轮、齿条、滚动导轨副组成，齿条由滚动导轨副支承在箱体内壁上，换位摆杆的中部铰接在箱体上，换位摆杆的一端通过第二拨叉与齿条联接；传动齿轮空套在刀臂主轴上，传动齿轮与齿条啮合；换位摆杆的另一端固定有轴承，复合凸轮与换位摆杆的另一端通过轴承联接，换位摆杆的轴承在复合凸轮的沟槽内滚动；传动齿轮又与传动离合机构传动联接；复合凸轮推动换位摆杆摆动，换位摆杆带动齿条往复运动，齿条驱动传动齿轮旋转，传动齿轮通过传动离合机构将动力传递给刀臂主轴，使刀臂主轴做正反向旋转运动；刀臂主轴做正反向旋转运动是由复合凸轮的轮廓曲线1b控制的；

所述传动离合机构的结构：一个轴套空套在刀臂主轴上，轴套的一侧与刀具换位机构的传动齿轮固定连接，刀具锁紧机构的推杆的中部加工有T型槽，T型槽的底面与推杆的轴线成一定角度；T型销安装在T型槽内，并插入刀臂主轴定位孔中，轴套上设有与T型销的轴颈相适应的轴向槽；当刀具锁紧机构的推杆往复运动时，T型槽推拉T型销，使T型销沿自身轴线上下运动，从而联接或断开与轴套的传动，控制刀臂主轴的转位。

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