CN104002173B - 伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置。其技术方案为：包括伸缩驱动伺服电机、回转驱动伺服电机、减速器、传动机构、电磁力锁紧机构、箱体、换刀手臂轴、换刀手臂，传动机构设于箱体内，电磁力锁紧机构安装在换刀手臂上；（1）.所述传动机构，包括滚珠丝杠传动机构和齿轮传动机构；伸缩驱动伺服电机、滚珠丝杠传动机构驱动换刀手臂轴及换刀手臂做直线伸缩运动；回转驱动伺服电机、减速器、齿轮传动机构带动换刀手臂轴做旋转运动；（2）.所述电磁力锁紧机构的磁力线圈通电后，产生磁场吸引楔形衔铁沿轴线运动，楔形衔铁推动小钢球，进而推动顶杆做伸出运动，实现刀具锁紧。本发明换刀时间短，结构简单，工作过程中噪音小，操作简单。

Description

伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置

技术领域

本发明涉及高速加工中心换刀机械装置，尤其是用伺服电机驱动换刀及利用电磁力锁紧的换刀机械装置。

背景技术

高速加工中心是高速机床的典型产品，高速部件如电主轴、高速丝杠和直线电动机的发展应用极大地提高了切削效率。为了配合机床的高效率,作为加工中心的重要部件之一的自动换刀装置(ATC)的高速化也相应成为高速加工中心的重要技术内容。高速加工中心自动换刀装置，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，弧面分度凸轮是关键的组成零件。虽然凸轮机构有良好的动态特性，通过凸轮联动驱动的换刀机械手，可在高速条件下可靠地运转，具有较短的刀对刀换刀时间，但凸轮机构工作曲面复杂，设计和制造难度大，造价高，且长时间使用会出现磨损，影响换刀动作的可靠性；在换刀装置锁紧机构方面，主要采用凸轮间歇推动顶杆对刀具进行锁紧，虽然运动可靠，但锁紧动力传递距离较长，结构较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，对刀换刀时间短，可以精确控制换刀手臂做旋转及伸缩运动的伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置。

为此，本发明的技术方案如下：伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置，包括伸缩驱动伺服电机、回转驱动伺服电机、减速器、传动机构、电磁力锁紧机构、箱体、换刀手臂轴、换刀手臂，传动机构设于箱体内，电磁力锁紧机构安装在换刀手臂上；

其特征在于：

(1).所述传动机构，包括滚珠丝杠传动机构和齿轮传动机构；

(1.1).滚珠丝杠传动机构主要由滚珠丝杠、丝杠螺母、滑座和滚动直线导轨副组成，伸缩驱动伺服电机通过花键与滚珠丝杠直接相连，滚珠丝杠和丝杠螺母啮合连接，丝杠螺母安装在滑座内，滑座安装在滚动直线导轨副上，滚动直线导轨副安装在箱体底面；换刀手臂轴左端通过轴承与滑座相连，能在滑座内转动，不能沿轴向移动；换刀手臂轴右端与换刀手臂固定连接，并通过滑动轴承支撑在箱体上，能相对箱体轴向滑动；伸缩驱动伺服电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠上的丝杠螺母在滚动直线导轨副的导向下，带动滑座直线往复运动，从而带动换刀手臂轴及换刀手臂做直线伸缩运动；

(1.2).齿轮传动机构主要由齿轮轴、主动齿轮、被动齿轮组成，回转驱动伺服电机通过减速器与齿轮轴相连，主动齿轮安装在齿轮轴上，主动齿轮和齿轮轴固定连接，主动齿轮与换刀手臂轴上的被动齿轮啮合，换刀手臂轴上的被动齿轮与换刀手臂轴花键连接，能在换刀手臂轴上作轴向滑动；回转驱动伺服电机通过减速器带动齿轮轴旋转，换刀手臂轴上的被动齿轮在齿轮轴上的主动齿轮驱动下，带动换刀手臂轴做旋转运动；

(2).电磁力锁紧机构主要由磁力线圈、楔形衔铁、小钢球、顶杆、弹簧组成；磁力线圈套在楔形衔铁的小圆柱体上，楔形衔铁的大圆柱体与磁力线圈之间装有弹簧；楔形衔铁的楔形面与小钢球接触，顶杆设置在换刀手臂内，顶杆在弹簧的弹力作用下与小钢球接触；磁力线圈通电后，产生磁场吸引楔形衔铁压缩弹簧沿轴线运动，楔形衔铁推动小钢球运动，小钢球推动顶杆做伸出运动，实现刀具锁紧。

有益效果：本发明所述的伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置，用两台伺服电机驱动换刀装置，通过数控实现两轴联动。其中一台伺服电机通过齿轮传动带动换刀手臂做回转运动，另一台伺服电机通过滚动丝杆传动机构将旋转运动变为直线运动，带动换刀手臂做伸缩运动，两种运动的协调靠数控两轴联动实现。两轴联动伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置使用伺服驱动技术，避免了空间弧面分度凸轮设计和制造困难，造价昂贵，长时间使用出现磨损，影响换刀动作可靠性的弊端，提高了精度和生产效率；使用电磁力锁紧技术，避免了锁紧动力传递距离长和结构复杂的弊端，缩短了动力传递距离，提高了锁紧效率。本发明的伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置换刀时间短，结构简单，安装、维修方便，工作过程中噪音小，操作简单。

附图说明

图1是本发明的主剖视图。

图2是图1所示沿A-A的剖视图。

图3是图1所示B的局部放大图。

图中所示：1为伸缩驱动伺服电机；2为箱体；3为滚珠丝杠；4为丝杠螺母；5为滑座；6为换刀手臂轴；7为被动齿轮；8为齿轮轴；9为键；10为主动齿轮；11为减速器；12为轴瓦；13为回转驱动伺服电机；14为滚动直线导轨副；15为垫块；16为换刀手臂；17为磁力线圈；18为第一弹簧,；19为楔形衔铁；20为小钢球；21为顶杆；22为第二弹簧；23为螺母堵头。

具体实施方式

如图1、2、3所示，进一步描述伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置的机械结构如下：图1是本发明伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置的主剖视图，它展示了伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置的传动机构、电磁力锁紧机构和零件之间的安装关系。

图2是图1所示沿A-A的剖视图，它展示了滚动直线导轨副与箱体的安装关系。

图3是图1所示B处的局部放大图，它清楚地展示了电磁力锁紧机构。

伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置，包括伸缩驱动伺服电机1、回转驱动伺服电机13、减速机11、传动机构、电磁力锁紧机构、箱体2、换刀手臂轴6及换刀手臂16，传动机构设于箱体内，电磁力锁紧机构安装在换刀手臂16上。

传动机构如图1和图2所示，包括滚珠丝杠传动机构和齿轮传动机构；滚珠丝杠传动机构主要由滚珠丝杠3、丝杠螺母4、滑座5和滚动直线导轨副14组成，伸缩驱动伺服电机1的输出轴为花键轴，滚珠丝杠3一端内部加工有内花键，与伸缩驱动伺服电机1花键轴直接相连，滚珠丝杠3和丝杠螺母4啮合连接，丝杠螺母4安装在滑座5内，滑座5安装在滚动直线导轨副14上，滚动直线导轨副14通过内六角圆柱头螺钉安装在垫块15上，垫块15通过内六角圆柱头螺钉安装在箱体2的底面上；换刀手臂轴6左端通过轴承与滑座5相连，能在滑座5内转动，不能沿轴向移动；换刀手臂轴6右端与换刀手臂16固定连接，并通过滑动轴承支撑在箱体2上，可以相对箱体2轴向滑动；因此，伸缩驱动伺服电机1带动滚珠丝杠3旋转，滚珠丝杠3上的丝杠螺母4在滚动直线导轨副14的导向下，带动滑座5直线往复运动，从而带动换刀手臂轴6及换刀手臂16做直线伸缩运动；齿轮传动机构主要由齿轮轴8、键9、主动齿轮(人字齿轮)10、被动齿轮(人字齿轮)7组成，回转驱动伺服电机13通过减速器12与齿轮轴8相连，主动齿轮(人字齿轮)10安装在齿轮轴8上，主动齿轮(人字齿轮)10和齿轮轴8之间通过键9连接，被动齿轮(人字齿轮)7内孔加工有内花键槽，与换刀手臂轴6上的外花键相配，能在换刀手臂轴6上轴向滑动，并与主动齿轮(人字齿轮)10啮合；由于一对啮合的人字齿轮可以承受一定的轴向力，所以当换刀手臂6做直线伸缩运动时，被动齿轮(人字齿轮)7在换刀手臂轴6上轴向滑动，换刀手臂轴6上的外花键长度是根据换刀手臂16的直线伸缩距离确定的；回转驱动伺服电机13通过减速机12带动齿轮轴8旋转，齿轮轴8带动主动齿轮(人字齿轮)10、被动齿轮(人字齿轮)7，带动换刀手臂轴6做回转转运动。

电磁力锁紧机构如图3所示，其安装在换刀手臂16上，主要由磁力线圈17、第一弹簧18、楔形衔铁19、小钢球20、顶杆21、第二弹簧22组成，磁力线圈17套在楔形衔铁19的小圆柱体上，楔形衔铁19的大圆柱体与磁力线圈17之间装有第一弹簧18，楔形衔铁19内孔与换刀手臂轴6间隙配合，楔形衔铁19的楔形面与小钢球20接触，顶杆21设置在换刀手臂16内，顶杆21在第二弹簧22(第二弹簧22的外端通过螺母堵头23限位，第二弹簧22的内端通过顶杆21上的台阶限位，)的弹力作用下与小钢球20接触；磁力线圈17通电，产生磁场吸引楔形衔铁19压缩弹簧18沿轴线运动，楔形衔铁19推动小钢球20运动，小钢球20推动顶杆21做伸出运动，实现刀具锁紧。

伸缩驱动伺服电机1及回转驱动伺服电机13是常规的伺服电机，只不过为了区分，从功能上进行了分别限定。

在换刀手臂轴6直线伸缩运动过程中，为了保证被动齿轮7与主动齿轮10的相对位置不变化，可以在箱体内设有主动齿轮10的轴向限位装置(图1中没有表达出来)。此时，被动齿轮7及主动齿轮10不局限于人字齿轮，可以是直齿轮或斜齿轮。

本发明的工作过程：

①换刀过程第一步：换刀手臂16旋转90°(取刀)

伸缩驱动伺服电机1停止工作，磁力线圈17断电，回转驱动伺服电机13启动，通过齿轮传动机构，带动换刀手臂轴6旋转，数控程序控制回转驱动伺服电机13转动一定角度，来实现换刀手臂16旋转90°，从而实现取刀；

②换刀过程第二步：电磁力锁紧机构对刀具进行锁紧(锁紧)

伸缩驱动伺服电机1、回转驱动伺服电机13都停止工作，电磁力锁紧机构中的磁力线圈17通电，产生磁场，吸引楔形衔铁19做轴向运动，楔形衔铁19推动小钢球20运动，小钢球20推动顶杆21做伸出运动，实现刀具锁紧；

③换刀过程第三步：换刀手臂16伸出(拔刀)

回转驱动伺服电机13停止工作，磁力线圈17继续通电，伸缩驱动伺服电机1启动，通过滚珠丝杠传动机构，带动换刀手臂轴6做直线伸出运动，数控程序控制伸缩驱动伺服电机1转过一定角度，带动换刀手臂16伸出一定的距离，实现拔刀；

④换刀过程第四步：换刀手臂16伸出到位后，旋转180°(换刀)

伸缩驱动伺服电机1停止工作，磁力线圈17继续通电，回转驱动伺服电机13启动，通过齿轮传动机构，带动换刀手臂轴6旋转，数控程序控制回转驱动伺服电机13转动一定角度，实现换刀手臂16旋转180°换刀；

⑤换刀过程第五步：换刀手臂16收缩(插刀)

回转驱动伺服电机13停止工作，磁力线圈17继续通电，伸缩驱动伺服电机1反向启动，通过滚珠丝杠传动机构，带动换刀手臂轴6做直线收缩运动，数控程序控制伸缩驱动伺服电机1反向转过一定角度，带动换刀手臂16收缩一定的距离，实现插刀；

⑥换刀过程第六步：电磁力锁紧机构对刀进行解锁(解锁)

伸缩驱动伺服电机1、回转驱动伺服电机13都停止工作，磁力线圈17断电，产生的磁场消失，楔形衔铁19在弹簧18的弹力作用下反向运动，小钢球20复位，顶杆21在弹簧22的弹力作用下复位，实现解锁；

⑦换刀过程第七步：换刀手臂16复位

伸缩驱动伺服电机1停止工作，磁力线圈17断电，回转驱动伺服电机13启动，通过齿轮传动机构，带动换刀手臂轴6旋转，数控程序控制回转驱动伺服电机13转动一定角度，来实现换刀手臂16旋转90°，从而实现换刀手臂16复位，为下一次换刀做好准备。

Claims (2)

1.伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置，包括伸缩驱动伺服电机、回转驱动伺服电机、减速器、传动机构、电磁力锁紧机构、箱体、换刀手臂轴、换刀手臂，传动机构设于箱体内，电磁力锁紧机构安装在换刀手臂上；

其特征在于：

(1).所述传动机构，包括滚珠丝杠传动机构和齿轮传动机构；

(1.1).滚珠丝杠传动机构主要由滚珠丝杠、丝杠螺母、滑座和滚动直线导轨副组成，伸缩驱动伺服电机通过花键与滚珠丝杠直接相连，滚珠丝杠和丝杠螺母啮合连接，丝杠螺母安装在滑座内，滑座安装在滚动直线导轨副上，滚动直线导轨副安装在箱体底面；换刀手臂轴左端通过轴承与滑座相连，能在滑座内转动，不能沿轴向移动；换刀手臂轴右端与换刀手臂固定连接，并通过滑动轴承支撑在箱体上，能相对箱体轴向滑动；伸缩驱动伺服电机带动滚珠丝杠旋转，滚珠丝杠上的丝杠螺母在滚动直线导轨副的导向下，带动滑座直线往复运动，从而带动换刀手臂轴及换刀手臂做直线伸缩运动；

(1.2).齿轮传动机构主要由齿轮轴、主动齿轮、被动齿轮组成，回转驱动伺服电机通过减速器与齿轮轴相连，主动齿轮安装在齿轮轴上，主动齿轮和齿轮轴固定连接，主动齿轮与换刀手臂轴上的被动齿轮啮合，换刀手臂轴上的被动齿轮与换刀手臂轴花键连接，能在换刀手臂轴上作轴向滑动；回转驱动伺服电机通过减速器带动齿轮轴旋转，换刀手臂轴上的被动齿轮在齿轮轴上的主动齿轮驱动下，带动换刀手臂轴做旋转运动；

(2).电磁力锁紧机构主要由磁力线圈、楔形衔铁、小钢球、顶杆、弹簧组成；磁力线圈套在楔形衔铁的小圆柱体上，楔形衔铁的大圆柱体与磁力线圈之间装有弹簧；楔形衔铁的楔形面与小钢球接触，顶杆设置在换刀手臂内，顶杆在弹簧的弹力作用下与小钢球接触；磁力线圈通电后，产生磁场吸引楔形衔铁压缩弹簧沿轴线运动，楔形衔铁推动小钢球运动，小钢球推动顶杆做伸出运动，实现刀具锁紧。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动电磁力锁紧换刀机械装置，其特征在于：所述主动齿轮及被动齿轮是人字齿轮。