CN105773264A - 加工中心主轴不停转有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有机械手自动换刀装置。包括主轴、刀柄、刀库、换刀机械手和数控系统。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锥套、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，本发明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有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有机械手自动换刀装置，适用于有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有机械手自动换刀装置，其特征在于：包括主轴、刀柄、刀库、换刀机械手和数控系统。
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换刀机械手的卡爪夹持的凹槽、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；在刀柄的使用过程中，外锥柄与主轴或锥套同轴连接。
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锥套；刀位换位装置根据加工程序需要更换刀具的刀位，锥套通过夹持刀柄上的外锥柄来夹持刀具。
换刀机械手包括伸缩旋转支架、机械手大臂、A卡爪和B卡爪，驱动刀具旋转的A刀具驱动电机和B刀具驱动电机、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B1啮合装置和B2啮合装置；伸缩旋转支架与机械手大臂垂直，且伸缩旋转支架一端与机械手大臂中部联接；A卡爪和B卡爪分别设置在机械手大臂的两端；A刀具驱动电机和B刀具驱动电机安装在机械手大臂的A卡爪和B卡爪之间，与刀具啮合的B1啮合装置和B2啮合装置分别与A刀具驱动电机和B刀具驱动电机相连接，当需要刀具旋转时，A刀具驱动电机和B刀具驱动电机驱动相应的啮合装置旋转；
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位换位装置、以及换刀机械手的A刀具驱动电机和B刀具驱动电机、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、伸缩旋转支架相连接通讯。
套设在刀体上的轴承的外圈和用来被换刀机械手的卡爪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，主轴上刀具的周向位置与机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹相对应的啮合装置的周向位置一致。
机械手中刀具周向位置的实时检测与调整系统实时监测机械手中啮合装置的周向位置，并保持在换刀时，机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹相对应的啮合装置的周向位置与主轴上刀具的周向位置一致。
更进一步的，主轴的转速在0-200000转/分之间。
更进一步的，换刀机械手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，换刀机械手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，刀具上的啮合装置和换刀机械手中的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有机械手自动换刀过程：
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下一个工步的刀具更换至换刀点，此时换刀机械手的机械手大臂的长度方向是垂直于主轴与刀位的连线方向的，机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹相对应的啮合装置的刀具驱动电机提前启动，驱动啮合装置达到与主轴上的刀具相同的转速和周向位置，并保持在换刀时，机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹相对应的啮合装置的周向位置与主轴上刀具的周向位置一致，而此时机械手中另一个将要夹持刀库中刀具的刀夹相对应的啮合装置是不旋转的；
2）机械手旋转90度，机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹夹持住了主轴上的刀具，主轴上的刀具保持旋转状态，另一个将要夹持刀库中刀具的刀夹夹持住了刀库中的刀具，刀库中的刀具现在仍然无需旋转；
3）机械手的伸缩旋转支架伸出一段距离，机械手的刀夹带动主轴上的刀具和刀库中的刀具分别与主轴和刀库脱离；
4）在伸缩旋转支架的旋转驱动下，机械手大臂旋转180度，使原主轴上的刀具和刀库中的刀具交换位置，在交换位置的同时，主轴上卸下来的刀具在刀具驱动电机的反向制动作用下开始降速至零，刀库中卸下来的刀具在另一个刀具驱动电机的驱动作用下升速至下一个工步需要的转速，且同时主轴也通过调速系统调整转速至下一个工步需要的转速；
5）机械手的伸缩旋转支架缩回到原来位置，原主轴上的刀具以非旋转状态装入到了刀库的刀位中，原刀库中的刀具以下一个工步需要的转速装入到了主轴上；
6）机械手大臂反向旋转90度，机械手的两个刀夹分别与主轴上的刀具、刀库中的刀具脱离，机械手回复到机械手大臂的长度方向垂直于主轴与刀位的连线方向的原来位置，换刀过程完成。
如果刀具交换过程中，原主轴上没有刀具、或者刀库的相应刀位中没有刀具，则这个刀具交换过程是单纯的装刀或者单纯的卸刀过程。
刀具交换完成后，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有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有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是实施例中所述机械手结构示意图。
图6是实施例中刀具交换过程第1-3步的示意图。
图7是实施例中刀具交换过程第4-6步的示意图。
图中标号说明：
1.主轴，2.刀柄，3.刀库，4.机械手；
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．锥套；
401．伸缩旋转支架，402.机械手大臂，403.A卡爪，404.B卡爪，405.A刀具驱动电机，406.B刀具驱动电机，407.B1啮合装置，408.B2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有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有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、换刀机械手4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外套上用来被换刀机械手4的卡爪夹持的凹槽203、A啮合装置206和刀具207，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207的锥套303；刀位换位装置302根据加工程序需要更换刀具207的刀位301，锥套303通过夹持刀柄2上的外锥柄202来夹持刀具207。
换刀机械手4包括伸缩旋转支架401、机械手大臂402、A卡爪403和B卡爪404，驱动刀具旋转的A刀具驱动电机405和B刀具驱动电机406、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B1啮合装置407和B2啮合装置408；伸缩旋转支架401与机械手大臂402垂直，且伸缩旋转支架401一端与机械手大臂402中部联接；A卡爪403和B卡爪404分别设置在机械手大臂402的两端；A刀具驱动电机405和B刀具驱动电机406安装在机械手大臂402的A卡爪403和B卡爪404之间，与刀具啮合的B1啮合装置407和B2啮合装置408分别与A刀具驱动电机405和B刀具驱动电机406相连接。
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3刀位301中的刀位换位装置302、以及换刀机械手4的A刀具驱动电机405和B刀具驱动电机406、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、伸缩旋转支架401相连接通讯。
所述的A啮合装置206与B1啮合装置407和B2啮合装置408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。
加工中心主轴不停转有机械手自动换刀过程：
1）主轴1上的刀具207以一定的转速完成一个工步的加工后，主轴1和刀具207一起返回到换刀点，刀具207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提前将将要进行下一个工步的刀具207更换至换刀点，此时换刀机械手4的机械手大臂402的长度方向是垂直于主轴1与刀位301的连线方向的，机械手4中将要夹持主轴1上刀具207的A刀夹403相对应的B1啮合装置407的A刀具驱动电机405提前启动，驱动B1啮合装置407达到与主轴1上的刀具207相同的转速和周向位置，并保持在换刀时，机械手4中将要夹持主轴1上刀具207的A刀夹403相对应的B1啮合装置407的周向位置与主轴1上刀具207的周向位置一致，而此时机械手4中另一个将要夹持刀库3中刀具207的B刀夹404相对应的B2啮合装置408是不旋转的；
2）机械手大臂402旋转90度，机械手4中的A刀夹403夹持住了主轴1上的刀具207，主轴1上的刀具207保持旋转状态，另一个B刀夹404夹持住了刀库3中的刀具207，刀库3中的刀具207现在仍然无需旋转；
3）机械手4的伸缩旋转支架401伸出200mm的距离，机械手4的A刀夹403带动主轴1上的刀具207与主轴1脱离，B刀夹404带动刀库3中的刀具207与刀库3脱离；
4）在伸缩旋转支架401的旋转驱动下，机械手大臂402旋转180度，使原主轴1上的刀具207和刀库3中的刀具207交换位置，在交换位置的同时，主轴1上卸下来的刀具207在刀具驱动电机的反向制动作用下开始降速至零，刀库3中卸下来的刀具207在另一个刀具驱动电机的驱动作用下升速至下一个工步需要的转速，且同时主轴1也通过调速系统调整转速至下一个工步需要的转速；
5）机械手4的伸缩旋转支架401缩回200mm回到原来位置，原主轴1上的刀具207以非旋转状态装入到了刀库3的刀位301中，原刀库3中的刀具207以下一个工步需要的转速装入到了主轴1上；
6）机械手大臂402反向旋转90度，机械手4的两个刀夹分别与主轴1上的刀具207、刀库3中的刀具207脱离，机械手4回复到机械手大臂402的长度方向垂直于主轴1与刀位301的连线方向的原来位置，换刀过程完成。
经过了上述有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4.5秒减少到了现在主轴1不停转换刀时间3.1秒，换刀时间减少了近30%。
Claims (10)
1.加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于：包括主轴、刀柄、刀库、换刀机械手和数控系统；
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换刀机械手的卡爪夹持的凹槽、A啮合装置和刀具；
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锥套；刀位换位装置根据加工程序需要更换刀具的刀位，锥套通过夹持刀柄上的外锥柄来夹持刀具；
换刀机械手包括伸缩旋转支架、机械手大臂、A卡爪和B卡爪，驱动刀具旋转的A刀具驱动电机和B刀具驱动电机、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、与刀具啮合的B1啮合装置和B2啮合装置；
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位换位装置、以及换刀机械手的A刀具驱动电机和B刀具驱动电机、A刀具周向位置的实时检测与调整系统和B刀具周向位置的实时检测与调整系统、伸缩旋转支架相连接通讯。
2.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于，所述刀柄的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。
3.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于，所述换刀机械手的伸缩旋转支架与机械手大臂垂直，且伸缩旋转支架一端与机械手大臂中部联接；A卡爪和B卡爪分别设置在机械手大臂的两端；A刀具驱动电机和B刀具驱动电机安装在机械手大臂的A卡爪和B卡爪之间，与刀具啮合的B1啮合装置和B2啮合装置分别与A刀具驱动电机和B刀具驱动电机相连接，当需要刀具旋转时，A刀具驱动电机和B刀具驱动电机驱动相应的啮合装置旋转。
4.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有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换刀机械手的卡爪夹持的凹槽制作成整体的一体化结构。
5.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有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，主轴上刀具的周向位置与机械手中将要夹持主轴上刀具的刀夹相对应的啮合装置的周向位置一致。
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有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。
7.根据权利要求1-4中任一条所述的加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于，所述换刀机械手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。
8.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有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。
9.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于，所述换刀机械手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。
10.根据权利要求1所述的加工中心主轴不停转有机械手自动换刀装置，其特征在于，所述刀具上的啮合装置和换刀机械手中的啮合装置的啮合对为齿轮对、涡轮蜗杆、橡胶轮对。
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