CN105690163A - 加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于数控加工装置领域，具体涉及数控加工中心的主轴不停转无机械手自动换刀装置。包括主轴、刀柄、刀库和数控系统。主轴具有调速功能、周向位置实时检测与调整功能；刀柄包括与主轴同轴连接的外锥柄、刀体、套设在刀体上的轴承，凹槽、A啮合装置和刀具。刀库包括多个刀位和刀位换位装置、每个刀位包括用来夹持刀具的刀夹、驱动刀具旋转的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B啮合装置，该主轴不停转自动换刀装置可以实现加工中心主轴上的刀具在主轴不停转的情况和刀库中的刀具进行快速换刀，节约了加工中心加工中的辅助加工时间，提高了数控机床的使用效率，降低了加工成本，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于数控加工装置领域，具体涉及数控加工中心的主轴不停转快速自动换刀装置。
背景技术
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。随着切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也在逐步提高，换刀的速度已成为高水平加工中心的一项重要指标。
衡量换刀速度的方法主要有三种：1.刀对刀换刀时间2.位置对位置换刀时间3.切削对切削换刀时间。由于切削对切削换刀时间基本上就是加工中心两次切削之间的时间，反映了加工中心换刀所占用的辅助时间，因此切削对切削换刀时间应是衡量加工加工中心效率的直接标准。机床的换刀通常都是主轴停止旋转后进行，但是从机床主轴停止到重新启动达到额定转速亦需要一定的时间，其实质也是一个时间的浪费，为了降低或消除从机床主轴停止到重新启动达到额定转速所需要的辅助时间，本发明提供了一种加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，旨在减少加工辅助时间，提高机床的利用率。
发明内容
本发明提供了一种加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，适用于无机械手的数控加工中心换刀，旨在减少数控加工中的切削对切削的换刀时间，减少加工辅助时间，提高机床的利用率。
加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于：包括主轴、刀柄、刀库和数控系统。
主轴包括主轴旋转驱动装置、与刀柄同轴连接的内锥孔、调整主轴转速的调速系统、主轴周向位置的实时检测与调整系统；内锥孔设置在主轴的最前端；调速系统、实时检测与调整系统和主轴旋转驱动装置与数控系统相连接。
刀柄包括与主轴同轴连接的外锥柄、设置在外锥柄下方的刀体、套设在刀体上的轴承，套设在轴承外圈上用来被刀夹夹持的凹槽、A啮合装置和刀具；外锥柄设置在刀柄的最上端，轴承、凹槽和A啮合装置依次设置在刀体的中部，刀具设置在刀体的下端。
刀库包括包括多个刀位和刀位换位装置、每个刀位包括用来夹持刀具的刀夹、驱动刀具旋转的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B啮合装置；刀位换位装置根据加工程序需要用来更换刀具的刀位，刀夹通过夹持刀柄上的凹槽来夹持刀具。刀具驱动电机与B啮合装置相连接，当需要刀具旋转时，刀具驱动电机驱动B啮合装置旋转；当刀具装入刀位后，刀位中的B啮合装置与刀柄上的A啮合装置相啮合。
数控系统通过电缆和主轴的调速系统、实时检测与调整系统、主轴驱动装置、以及刀库刀位中的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统、刀位换位装置相连接通讯。
所述套设在刀体上的轴承的外圈和用来被刀夹夹持的凹槽制作成两个独立的零件或者整体的一体化结构。
主轴的主轴周向位置的实时检测与调整系统实时监测主轴上的刀具的周向位置，并保持在换刀时，主轴上的刀具的周向位置和刀库刀位中的B啮合装置的周向位置一致。
刀库刀位中刀具周向位置的实时检测与调整系统实时监测刀位中刀具的周向位置，并保持在换刀时，刀库刀位中的B啮合装置的周向位置和主轴旋转的周向位置一致。
更进一步的，主轴的转速在0-200000转/分之间。
更进一步的，刀库中驱动刀具旋转的刀具驱动电机可驱动刀具转速在0-200000转/分之间。
更进一步的，主轴上安装有失速报警与系统加工暂定装置。
更进一步的，刀库中驱动刀具旋转的刀具驱动电机安装有失速报警与系统加工暂停装置。
更进一步的，A啮合装置和B啮合装置的啮合对为齿轮对、涡轮蜗杆、橡胶轮对。
加工中心主轴不停转无机械手自动换刀过程：
（1）主轴上的刀具放回到刀库中的空刀位中（卸刀）；
1）主轴上的刀具以一定的转速完成一个工步的加工后，主轴和刀具一起返回到换刀点，刀具和主轴继续旋转，保持上一个工步加工中所使用的转速；刀库中的刀位换位装置提前将将要进行卸刀的空刀位更换至换刀点，并提前启动驱动刀具旋转的刀具驱动电机，驱动与刀具啮合的B啮合装置达到和主轴及刀具同样的的转速，且刀库的刀夹与刀柄上的凹槽保持同样高度的对齐状态，刀柄上的A啮合装置与刀库中的B啮合装置也保持对齐状态，且通过数控系统以及主轴与刀库刀位中的周向位置的实时检测与调整系统保证刀具和主轴的周向位置与刀库中B啮合装置的周向位置一致；
2）刀库带动空刀位向前移向主轴上的刀具，刀夹夹持住刀柄上的凹槽，刀位中的B啮合装置与刀柄上的A啮合装置相啮合，此时主轴和刀柄及刀位中的A啮合装置B啮合装置保持同样的转速，且周向位置一致；
3）主轴向上抬起到该刀位的上方，主轴和刀柄相配合的锥柄脱离，刀具卸下，刀具放回到了刀库的刀位中，卸下的刀具的转速通过驱动刀具旋转的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统和数控系统进行联合调控，使其转速降低至零。
（2）刀库中的另一把刀具装入主轴（装刀）；
1）主轴向上抬起到刀位的上方后，将要装入主轴的刀具和刀位提前启动进行旋转，转速为下一个工步设定的转速，并且通过数控系统以及主轴与刀库的周向位置的实时检测与调整系统保证主轴的周向位置与刀库中刀具的周向位置一致，且调整主轴的转速与刀具的转速一致；将要装入主轴的刀具和刀位通过刀位换位装置移动到主轴的下方；
2）主轴向下移动，使主轴的内锥孔和刀具的外锥柄相配合，主轴和刀具实现同周向和同转速的旋转；
3）刀库向后退出，刀夹与刀具脱离，刀柄上的A啮合装置与刀库中的B啮合装置脱离，即实现了刀具到主轴的安装。刀具安装完成后，主轴即可带动刀具进行下一个工步的加工。
本发明提供了一种加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，实现了主轴始终在旋转的状态，主轴上的刀具放回到刀库中的空刀位，然后将刀库中的另一把刀具装入主轴的整个过程中，避免了传统换刀装置在换刀过程中，主轴的转速要从高速降到停止，然后在装刀后再进行重新启动旋转的过程，节约了切削到切削之间的换刀时间，可有效的减少加工辅助时间，提高了机床的有效工作时间和设备利用率，降低了生产成本，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明所述加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置一具体实施方式的结构示意图。
图2是实施例中所述主轴结构示意图。
图3是实施例中所述刀柄结构示意图。
图4是实施例中所述刀库结构示意图。
图5是实施例中所述加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置卸刀过程示意图。
图6是实施例中所述加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置装刀过程示意图。
图中标号说明：
1.主轴，2.刀柄，3.刀库；
101.主轴旋转驱动装置，102.内锥孔；
201.拉钉，202.外锥柄，203.凹槽，204.轴承，205.刀体，206.A啮合装置，207.刀具；
301．刀位，302．刀位换位装置，303．刀夹，304．刀具驱动电机，305．B啮合装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于：包括主轴1、刀柄2、刀库3和数控系统（未示）。主轴1包括中部的电主轴旋转驱动装置101、与刀柄2同轴连接的内锥孔102、调整主轴转速的调速系统（未示）、主轴周向位置的实时检测与调整系统（未示）。刀柄2包括拉钉201、与主轴1同轴连接的外锥柄202、设置在外锥柄202下方的刀体205、套设在刀体205上的轴承204，套设在轴承204外套上用来被刀夹303夹持的凹槽203、A啮合装置206和刀具，所述的锥柄为ER16M-5锥柄，刀体205上的轴承204采用NN3005高速轴承，轴承204材料为GCr4，内径r=25,R=47,齿面呈倒梯形。刀库3包括包括12个刀位301和刀位换位装置302、每个刀位301包括用来夹持刀具的刀夹303、驱动刀具旋转的刀具驱动电机304、刀具周向位置的实时检测与调整系统（未示）、与刀具啮合的B啮合装置305，所述的A啮合装置206和B啮合装置305的啮合对为齿轮对，齿轮参数均为m=0.8,z=40,α=20°，Ha*=1,Hc*=0.25,齿厚h=4mm，精度等级5级，所述的刀具驱动电机304为HF-102K伺服电机。
数控系统通过电缆和主轴的调速系统、实时检测与调整系统、主轴驱动装置、以及刀库刀位301中的刀具驱动电机304、刀具周向位置的实时检测与调整系统、刀位换位装置302相连接。
主轴1的主轴周向位置的实时检测与调整系统实时监测主轴1上的刀具的周向位置，并保持在换刀时和刀库刀位301中的B啮合装置305的周向位置一致。刀库刀位301中刀具周向位置的实时检测与调整系统实时监测刀位301中刀具的周向位置，并保持在换刀时和主轴1旋转的周向位置一致。
主轴1上安装有失速报警与系统加工暂定装置，刀库3中驱动刀具旋转的刀具驱动电机304安装有失速报警与系统加工暂停装置。
加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置按照以下步骤进行换刀：
（1）主轴1上的刀具放回到刀库3中的空刀位301中（卸刀）；
1）主轴1上的刀具以一定的转速完成一个工步的加工后，主轴1和刀具一起返回到换刀点，刀具和主轴1继续旋转，保持上一个工步加工中所使用的转速；刀库3中的刀位换位装置302提前将将要进行卸刀的空刀位301更换至换刀点，并提前启动驱动刀具旋转的刀具驱动电机304，驱动与刀具啮合的B啮合装置305达到和主轴1及刀具同样的的转速，且刀库3的刀夹303与刀柄2上的凹槽203保持同样高度的对齐状态，刀柄2上的A啮合装置206与刀库3中的B啮合装置305也保持对齐状态，且通过数控系统以及主轴1与刀库刀位301中的周向位置的实时检测与调整系统保证刀具和主轴1的周向位置与刀库3中B啮合装置305的周向位置一致；
2）刀库3带动空刀位301向前移向主轴1上的刀具，刀夹303夹持住刀柄2上的凹槽203，刀位301中的B啮合装置305与刀柄2上的A啮合装置206相啮合，此时主轴1和刀柄2及刀位301中的A啮合装置206B啮合装置305保持同样的转速，且轴向位置一致；
3）主轴1向上抬起到该刀位301的上方，主轴1和刀柄2相配合的锥柄脱离，刀具卸下，刀具放回到了刀库3的刀位301中，卸下的刀具的转速通过驱动刀具旋转的刀具驱动电机304、刀具周向位置的实时检测与调整系统和数控系统进行联合调控，使其转速降低至零。
（2）刀库3中的另一把刀具装入主轴1（装刀）；
1）主轴1向上抬起到刀位301的上方后，将要装入主轴1的刀具和刀位301提前启动进行旋转，转速为下一个工步设定的转速，并且通过数控系统以及主轴1与刀库3的周向位置的实时检测与调整系统保证主轴1的周向位置与刀库3中刀具的周向位置一致，且调整主轴1的转速与刀具的转速一致；将要装入主轴1的刀具和刀位301通过刀位换位装置302移动到主轴1的下方；
2）主轴1向下移动，使主轴1的内锥孔102和刀具的外锥柄202相配合，主轴1和刀具实现同周向和同转速的旋转；
3）刀库3向后退出，刀夹303与刀具脱离，刀柄2上的A啮合装置206与刀库3中的B啮合装置305脱离，即实现了刀具到主轴1的安装。刀具安装完成后，主轴1即可带动刀具进行下一个工步的加工。
经过了上述无机械手的数控加工中心主轴不停转换刀实验，其切削到切削的换刀时间从之前主轴1停转的换刀时间6.2秒减少到了现在主轴1不停转换刀时间4.3秒，换刀时间减少了近30%。
Claims (9)
1.加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于：包括主轴、刀柄、刀库和数控系统；
主轴包括主轴旋转驱动装置、与刀柄同轴连接的内锥孔、调整主轴转速的调速系统、主轴周向位置的实时检测与调整系统；内锥孔设置在主轴的最前端；
刀柄包括与主轴同轴连接的外锥柄、设置在外锥柄下方的刀体、套设在刀体上的轴承，套设在轴承外圈上用来被刀夹夹持的凹槽、A啮合装置和刀具；外锥柄设置在刀柄的最上端，轴承、凹槽和A啮合装置依次设置在刀体的中部，刀具设置在刀体的下端；
刀库包括包括多个刀位和刀位换位装置、每个刀位包括用来夹持刀具的刀夹、驱动刀具旋转的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B啮合装置；刀位换位装置根据加工程序需要用来更换刀具的刀位，刀夹通过夹持刀柄上的凹槽来夹持刀具；刀具驱动电机与B啮合装置相连接，当需要刀具旋转时，刀具驱动电机驱动B啮合装置旋转；当刀具装入刀位后，刀位中的B啮合装置与刀柄上的A啮合装置相啮合；
数控系统通过电缆和主轴的调速系统、实时检测与调整系统、主轴驱动装置、以及刀库刀位中的刀具驱动电机、刀具周向位置的实时检测与调整系统、刀位换位装置相连接通讯。
2.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述套设在刀体上的轴承的外圈和用来被刀夹夹持的凹槽制作成整体的一体化结构。
3.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述主轴的主轴周向位置的实时检测与调整系统实时监测主轴上的刀具的周向位置，并保持在换刀时，主轴上的刀具的周向位置和刀库刀位中的B啮合装置的周向位置一致。
4.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述刀库刀位中刀具周向位置的实时检测与调整系统实时监测刀位中刀具的周向位置，并保持在换刀时，刀库刀位中的B啮合装置的周向位置和主轴旋转的周向位置一致。
5.根据权利要求1-4中任一条所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述主轴的转速在0-200000转/分之间。
6.根据权利要求1-4中任一条所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述刀库中驱动刀具旋转的刀具驱动电机可驱动刀具转速在0-200000转/分之间。
7.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述主轴上安装有失速报警与系统加工暂定装置。
8.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述刀库中驱动刀具旋转的刀具驱动电机安装有失速报警与系统加工暂停装置。
9.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转无机械手自动换刀装置，其特征在于，所述A啮合装置和B啮合装置的啮合对为齿轮对、涡轮蜗杆、橡胶轮对。
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