CN102848248A - 一种微型加工机床的自动换刀装置及方法 - Google Patents

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汪地
杨浩
林锋
董锋
李智
张红奎
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Abstract

本发明涉及一种微型加工机床的自动换刀装置及方法。该换刀装置由换刀机构、刀库移动机构、主轴拉刀机构和选刀传感器组成，通过控制器控制改进的槽轮机构驱动圆盘式刀库选刀，然后由步进电机的带动驱动机构将刀库移动到换刀位置，通过机床主轴和刀库的相对运动及主轴电磁铁的得失电进行换刀。本发明的特点是结构简单、成本低廉及换刀准确可靠，特别适用微型加工中心的自动换刀系统。

Description

一种微型加工机床的自动换刀装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微型加工机床的自动换刀装置及方法，涉及机械制造加工领域。 
背景技术
加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后可以进行多道工序加工的数控机床。自动换刀装置是专门为各种加工中心配置，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度、可靠性及结构，是衡量自动换刀系统的重要标志。 
常见的自动换刀装置一般由刀库、机械手和驱动装置等组成。目前，国内外采用的刀库形式有转塔式、圆盘式和链式刀库等形式。驱动装置一般由液压、气液机构或凸轮机构组成，液压驱动方式拥有换刀快速的优点，但液压驱动因为使用电磁阀和液压元件，所以可靠性较低。凸轮结构换刀速度快、动作准确，但造价较高。机械手，是自动换刀装置中的核心组成部分，主要完成将主轴上的工作刀具与刀库中的待用刀具两者位置交换的任务。目前，国内外采用的机械手的类型主要有单臂机械手、双臂机械手和带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手。使用机械手进行刀具交换的自动换刀装置具有换刀时间短、工作平稳、定位准确等优点，但同时带来了结构复杂和造价较高的问题，不适用微型加工中心。 
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种微型加工机床的自动换刀装置及方法。它通过优化的槽轮机构驱动刀盘进行选刀，通过电机带动刀库在导轨上的移动，控制刀库精确运动到换刀位置，最后通过主轴和自动换刀装置间的相对运动完成换刀。 
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： 
一种微型加工中心的自动换刀装置包括换刀机构、刀库移动机构、主轴拉刀机构、步进电机、直流电机和传感器。其特征在于，所述的换刀机构通过一块托板和所述刀库移动机构相连，而处在机床的加工平面上方，从而在刀库移动机构的带动下左右移动；所述刀库移动机构通过一个横梁被固定在机床的立柱上；所述主轴拉刀机构固定在机床的主轴部件上；这样，通过换刀机构选择刀具，通过刀库移动机构将换刀机构带动到正确的换刀位置，最后通过机床主轴和换刀机构间的相对运动及主轴拉刀机构中拉刀电磁铁的吸合和释放完成换刀动作。
所述的换刀机构由圆盘式刀库、槽轮机构及其起连接作用的刀架组成。所述的槽轮机构的主动拨盘与直流电机输出轴相连，所述的槽轮机构的槽轮与圆盘式刀库相连。这样，通过直流电机带动所述的槽轮机构的主动拨盘匀角速度转动，驱动所述槽轮机构的槽轮间歇转动，从而控制圆盘式刀库进行选刀。所述圆盘式刀库的圆盘上固定有螺钉，用于触发所选刀具对应的传感器，从而达到正确选刀的目的。所述的刀架固定在刀库移动机构的托板上，从而随着托板的移动而移动。 
所述的刀库移动机构由横梁、导轨、框架、托盘、步进电机和传感器组成，框架中有导轨，托盘滑动安装在导轨上，并与步进电机输出轴相连，从而由所述步进电机控制托盘在导轨上左右移动，通过传感器精确定位在换刀位置，刀库移动机构通过横梁固定在机床立柱上。 
所述主轴拉刀机构固定在主轴上，它由夹头、转轴、弹簧、拉杆和电磁铁组成，通过电磁铁的得失电控制主轴松刀或夹紧刀具。在主轴和圆盘式刀库均到达换刀位置后，通过主轴的上下移动和自动换刀装置的左右移动完成换刀。 
本发明采用上述技术方案的优点是：由于采用槽轮机构可以实现精确选刀，结构简单，并提高了可靠性；通过主轴与自动换刀装置间的相对运动进行换刀，取消了机械手，从而使换刀装置结构更加简单、减少了装置的成本。特别适用于微型加工中心。 
附图说明
图1是加工机床结构示意图 
图2是换刀机构俯视图
图3是换刀机构仰视图
图4是换刀机构坐视图
图5是刀库移动机构结构示意图
图6是主轴拉刀机构结构示意图
图7是换刀过程示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下： 
实施例一：
参见图1，本微型加工机床的自动换刀装置，由换刀机构(10)、刀库移动机构(20)、主轴拉刀机构(30)和选刀传感器(9)组成，其特征在于：所述换刀机构(10)通过一块托板(23)和所述刀库移动机构(20)相连，而处在机床的加工平面上方，从而在刀库移动机构(20)的带动下左右移动；所述刀库移动机构(20)通过一个横梁(21)被固定在机床的立柱(2)上；所述主轴拉刀机构(30)固定在机床的主轴部件(3)上；这样，通过换刀机构(10)选择刀具，通过刀库移动机构(20)将换刀机构(10)带动到正确的换刀位置，最后通过机床主轴和换刀机构(10)间的相对运动及主轴拉刀机构(30)中拉刀电磁铁（35）的吸合和释放完成换刀动作。
实施例二： 
参见图1-图7，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述换刀机构(10)由一个圆盘式刀库(11)、5个控位螺钉(12)、一个刀架(13)、一个槽轮机构(14)和联接件(15)组成，槽轮机构(14)由主动拨盘(14-1)、从动槽轮(14-2)和机架(14-3)组成，槽轮机构(14)的主动拨盘(14-1)与刀盘驱动电机(7)的输出轴相连，并通过联接件(15)固定在刀架(13)上。槽轮机构(14)的从动槽轮(14-2)与圆盘式刀库(11)相连，并通过机架(14-3)固定在刀架(13)上。圆盘式刀库(11)的圆盘上均匀存放着5把刀具，并且在圆盘上表面对应安装有5个控位螺钉(12)，分别用于触发各自的由5个限位开关构成选刀传感器(9)，从而实现正确选刀。所述的刀库移动机构(20)，它由横梁(21)、导轨(22)、托板(23)、框架(24)、行程开关(25)、步进电机(8)组成，框架(24)中有两根导轨(22)，在导轨(22)上安装有可以滑动的托板(23)；托板(23)一方面与换刀机构(10)相连，一方面与步进电机(8)的输出轴相连，这样，当步进电机(8)转动时，带动托板(23)左右移动；最后利用横梁(21)把刀库移动机构(20)固定在机床的立柱(2)上。所述的主轴拉刀机构(30)由夹头(31)、转轴(32)、拉杆(33)、弹簧(34)和拉刀电磁铁（35）组成，夹头(31)固定在主轴上，它的上面套有转轴(32)和弹簧(34)；拉刀电磁铁（35）固定在立柱(2)上，另一端和拉杆(33)相连；拉杆(33)通过螺钉和转轴(32)固定联接。
实施例三： 
微型加工机床的总体结构如图1所示。由加工平台(1)、立柱(2)、主轴部件(3)、控制箱(4)、限位传感器(5)、自动换刀装置(6)组成。加工平台(1)通过导轨与机床的立柱(2)相连，机床的主轴部件(4)可以沿机床的立柱(2)上下移动。控制箱(4)通过支架和机床的立柱(2)相连，自动换刀装置(6)通过横梁和机床的立柱(2)相连。自动换刀装置(6)由换刀机构(10)、刀库移动机构(20)、主轴拉刀机构(30)、刀盘驱动电机(7)、 步进电机(8)和选刀传感器(9)组成。
换刀机构(10)是整个自动换刀装置的核心机构，如图2、图3和图4所示分别是它的俯视图、仰视图和左视图。它由圆盘式刀库(11)、螺钉(12)、刀架(13)、槽轮机构(14)和联接件(15)组成。槽轮机构(14)由主动拨盘(14-1)、从动槽轮(14-2)和机架(14-3)三部分组成，主动拨盘(14-1)与刀盘驱动电机(7)的输出轴相连，并通过联接件(15)固定在刀架(13)上。槽轮机构(14)的从动槽轮(14-2)与圆盘式刀库(11)相连，并通过机架(14-3)固定在刀架(13)上。圆盘式刀库(11)的圆盘上均匀开有5个U型槽，可分别存放5把刀具。在圆盘上表面的对应位置，安装有5个控位螺钉(12)，分别用于触发相应的选刀传感器(9)（由5个限位开关构成）。这样，当刀盘驱动电机(7)得到信号开始匀速转动，主动拨盘(14-1)也开始等角速度回转，同时带动从动槽轮(14-2)运动。当主动拔盘(14-1)上的圆柱销A没有进入从动槽轮(14-2)的径向槽时，从动槽轮(14-2)的内凹锁止弧面被主动拨盘(14-1)的外凸锁止弧面卡住，从动槽轮(14-2)保持静止不动；当圆柱销A进入从动槽轮(14-2)的径向槽时，锁止弧面被松开，则圆柱销A驱动从动槽轮(14-2)转动；当主动拨盘(14-1)上的圆柱销A离开径向槽时，下一个锁止弧面又被卡住，从动槽轮(14-2)又静止不动，从而控制圆盘式刀库(11)进行选刀。当圆盘式刀库(11)上的某个控位螺钉(12)触碰到相应的选刀传感器(9)后，说明已经到达指定的到位点，刀盘驱动电机(7)停止转动，选刀完毕。换刀机构(10)通过刀架(13)被固定在托板(22)上，这里的托板(22)主要有两个作用：一是承受圆盘式刀库(11)的重量，起到支撑整个换刀机构(10)的作用；二是带动换刀机构(10)左右移动到目标位置。 
图5是刀库移动机构(20)结构示意图，刀库移动机构(20)由横梁(21)、导轨(22)、托板(23)、框架(24)、行程开关(25)、步进电机(8)组成。框架(24)中有两根导轨(22)，在导轨(22)上安装有可以滑动的托板(23)，托板(23)一方面与换刀机构(10)相连，一方面与步进电机(8)的输出轴相连，这样，当步进电机(8)转动时，带动托板(23)左右移动，从而控制换刀机构(10)运动到正确的换刀位置。最后利用横梁(21)把刀库移动机构(20)固定在机床立柱(2)上。 
如图6所示的主轴拉刀机构(30)， 它由夹头(31)、转轴(32)、拉杆(33)、弹簧(34)和拉刀电磁铁（35）等组成。夹头(31)固定在主轴上，它的上面套有转轴(32)和弹簧(34)。拉刀电磁铁（35）固定在立柱(2)上，另一端和拉杆(33)相连。拉杆(33)通过螺钉和转轴(32)固定联接。这样当电磁铁得电，拉杆(33)拉起转轴(32)，夹头(31)张开，从而松刀；当电磁铁失电，在弹簧(31)作用下，夹头(31)夹紧刀具。 
本自动换刀装置的换刀方法示意图参见图7。以主轴(4)上的1号刀需换成2号刀为例，其基本步骤是：1) 系统接到换刀指令时，主轴(4)准停，将圆盘式刀库(11)旋转至1号刀所在的位置。运动过程示意图如图5a所示；2) Z轴（与主轴(4)重合）运行至换刀点位置，由限位传感器(5)来实现准停。如图5b所示；3) 圆盘式刀库(11)在托板24带动下慢速前进至换刀位置，由行程开关(25)实现准停，使在主轴(4)上的1号刀进入刀库的1号刀座。如图5c所示；4) 主轴(4)上用于抓刀的电磁铁得电，1号刀和主轴(4)分离，主轴(4)上升至零点位置，如图5d所示；5) 圆盘式刀库(11)在所述槽轮机构(14)的驱动下旋转，将2号刀旋转至所需位置。如图5e所示；6) 主轴(4)下降至换刀点位置，将2号刀装入主轴(4)，电磁铁失电，主轴抓刀。如图5f所示；7) 圆盘式刀库(11)后退至初始位置。如图5g所示；8) 主轴(4)返回至原点位置，完成整个换刀过程。如图5h所示。 

Claims (5)

1.一种微型加工机床的自动换刀装置，由换刀机构(10)、刀库移动机构(20)、主轴拉刀机构(30)和选刀传感器(9)组成，其特征在于：所述换刀机构(10)通过一块托板(23)和所述刀库移动机构(20)相连，而处在机床的加工平面上方，从而在刀库移动机构(20)的带动下左右移动；所述刀库移动机构(20)通过一个横梁(21)被固定在机床的立柱(2)上；所述主轴拉刀机构(30)固定在机床的主轴部件(3)上；这样，通过换刀机构(10)选择刀具，通过刀库移动机构(20)将换刀机构(10)带动到正确的换刀位置，最后通过机床主轴和换刀机构(10)间的相对运动及主轴拉刀机构(30)中拉刀电磁铁（35）的吸合和释放完成换刀动作。
2.  根据权利1所述的微型加工机床自动换刀装置，其特征在于：所述换刀机构(10)由一个圆盘式刀库(11)、5个控位螺钉(12)、一个刀架(13)、一个槽轮机构(14)和联接件(15)组成，槽轮机构(14)由主动拨盘(14-1)、从动槽轮(14-2)和机架(14-3)组成，槽轮机构(14)的主动拨盘(14-1)与刀盘驱动电机(7)的输出轴相连，并通过联接件(15)固定在刀架(13)上；
槽轮机构(14)的从动槽轮(14-2)与圆盘式刀库(11)相连，并通过机架(14-3)固定在刀架(13)上；
圆盘式刀库(11)的圆盘上均匀存放着5把刀具，并且在圆盘上表面对应安装有5个控位螺钉(12)，分别用于触发各自的由5个限位开关构成选刀传感器(9)，从而实现正确选刀。
3.  根据权利要求1所述的微型加工机床自动换刀装置其特征在于：所述的刀库移动机构(20)，它由横梁(21)、导轨(22)、托板(23)、框架(24)、行程开关(25)、步进电机(8)组成，框架(24)中有两根导轨(22)，在导轨(22)上安装有可以滑动的托板(23)；托板(23)一方面与换刀机构(10)相连，一方面与步进电机(8)的输出轴相连，这样，当步进电机(8)转动时，带动托板(23)左右移动；最后利用横梁(21)把刀库移动机构(20)固定在机床的立柱(2)上。
4. 根据权利要求1所述的微型加工机床自动换刀装置，其特征在于：所述的主轴拉刀机构(30)由夹头(31)、转轴(32)、拉杆(33)、弹簧(34)和拉刀电磁铁（35）组成，夹头(31)固定在主轴上，它的上面套有转轴(32)和弹簧(34)；拉刀电磁铁（35）固定在立柱(2)上，另一端和拉杆(33)相连；拉杆(33)通过螺钉和转轴(32)固定联接。
5.一种微型加工机床的自动换刀方法，采用权利1要求所述微型加工机床的自动换刀装置进行自动换刀，其特征在于基本操作步骤是：
1) 系统接到更换新刀具指令时，主轴(4)停止转动，步进电机(8)带动圆盘式刀库(11)旋转至被换刀具对应的刀座；
2) 主轴(4)运行至换刀点位置，由限位传感器(5)来实现准停；
3) 圆盘式刀库(11)在托板(24)带动下慢速前进至换刀位置，由行程开关(25)实现准停，使在主轴(4)上的被换刀具进入对应的刀座；
4) 主轴(4)上用于抓刀的电磁铁得电，被换刀具和主轴(4)分离，
主轴(4)上升至零点位置；
5) 圆盘式刀库(11)在槽轮机构(14)的驱动下旋转，利用选刀传感器(9)选刀，将新刀具旋转至所需位置；
6) 主轴(4)下降至换刀点位置，将新刀具装入主轴(4)，电磁铁失电，主轴(4)夹紧新刀具；
7) 圆盘式刀库(11)后退至初始位置；
8) 主轴(4)返回至原点位置，完成整个换刀过程。
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