CN107000147B - 数控机床及其自动换刀装置 - Google Patents

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Abstract

一种数控机床的自动换刀装置，其包括框架(22)、线性驱动机构、花键套(20)、花键轴(19)、转动驱动装置和换刀臂(29)，线性驱动机构驱动花键套(20)，并由花键套(20)带动换刀臂(29)沿花键轴(19)的轴向进行直线运动，转动驱动装置驱动花键轴(19)，并由花键轴(19)带动花键套(20)以及换刀臂(29)绕花键轴(19)的轴向进行转动。还公开一种数控机床。自动换刀装置的结构简单，且设计难度低，加工容易，故障率低，能够有效降低成本。

Description

数控机床及其自动换刀装置
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，特别是涉及一种自动换刀装置以及应用该自动换刀装置的数控机床。
背景技术
目前，国内外加工中心采用的自动换刀装置主要是凸轮联动式，凸轮联动式的自动换刀装置可靠性好，换刀速度高。因此，凸轮联动式的自动换刀装置最易独立推向市场，形成专业化、产业化生产。
加工中心上使用的凸轮联动式的自动换刀装置的基本原理主要分作两部分：1、机械手的旋转分度动作，包括抓刀、180°换刀和回零动作；2、机械手的直线平移动作，包括拔刀和插刀动作。其中机械手的旋转分度动作采用蜗杆凸轮(另称滚齿凸轮)垂直分度机构来实现，既机械手的直线起，由同一个电动机驱动，通过凸轮曲线的设计，使机械手在一个换刀运作循环内连续完成抓刀、拔刀、180°换刀、插刀和回零动作，实现自动换刀装置的凸轮联动换刀。
然而，众所周知，凸轮曲线是一种逆向工程，其由实际物理运动拟合组成多段曲线并连接而成。设计凸轮曲线涉及诸多压力角计算、回转角技术和运动的死点计算等，凸轮联动式的自动换刀装置的设计，要把结构设计、动力学分析计算以及自动换刀装置的动作联动关系进行综合考虑，并反复计算以取得较好的设计结果，从而保证自动换刀装置的换刀运动连续、高速、平稳、可靠。正是由于凸轮联动式的自动换刀装置本身的结构和原理决定了凸轮联动式的自动换刀装置的结构复杂，制造精度要求高，设计难度大，加工困难，故障率高以及成本高等。
综上所述，有必要提供一种自动换刀装置以及应用该自动换刀装置的数控机床以解决上述问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种数控机床及其自动换刀装置，该自动换刀装置的结构简单，能够有效降低成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种数控机床的自动换刀装置，其包括：框架；线性驱动机构，线性驱动机构设置于框架上；花键套，花键套与线性驱动机构转动连接；花键轴，花键轴穿设于花键套内；转动驱动装置，转动驱动装置设置于框架上且与花键轴连接；换刀臂，套接于花键套上，并与花键套垂直；其中，线性驱动机构驱动花键套，并由花键套带动换刀臂沿花键轴的轴向进行直线运动，转动驱动装置驱动花键轴，并由花键轴带动花键套以及换刀臂绕花键轴的轴向进行转动。
其中，线性驱动机构包括：线性导轨，线性导轨固定于框架上且沿花键轴的轴向设置；滑块，滑块滑动支撑于线性导轨上；轴承座，轴承座固定于滑块上；滚动轴承，滚动轴承的外圈固定于轴承座上，花键套固定于滚动轴承的内圈上；线性驱动器，线性驱动器固定于框架上且与滑块连接，进而驱动滑块、轴承座、滚动轴承以及花键套沿线性导轨进行直线运动。
其中，线性驱动器为气缸。
其中，框架的内部形成第一容置腔，线性导轨、滑块、轴承座、滚动轴承以及花键套设置于第一容置腔内，线性驱动器设置于框架的外侧，并通过框架上的第一通孔与滑块连接。
其中，换刀臂设置于框架的外侧，自动换刀装置进一步包括连接臂杆，连接臂杆穿设于框架上的第二通孔内，并连接换刀臂与花键套。
其中，轴承座设置有内孔，滚动轴承设置于内孔内，线性驱动机构进一步包括外圈压盖和内圈压盖，其中外圈压盖和内圈压盖用于分别将滚动轴承的外圈和内圈压持于内孔内。
其中，线性驱动机构包括过渡套，过渡套设置于花键套与滚动轴承的内圈之间且分别与花键套和滚动轴承的内圈之间形成紧配合。
其中，线性驱动机构还包括轴承座垫板，轴承座通过轴承座垫板与滑块固定连接。
其中，转动驱动装置包括：联轴器，联轴器的一端与花键轴连接；减速机，减速机的一端与联轴器的另一端连接；转动驱动器，转动驱动器与减速机的另一端连接，进而通过减速机和联轴器驱动花键轴绕花键轴的轴线进行转动。
其中，转动驱动器为伺服电机，框架的内部形成第二容置腔，联轴器、减速机和转动驱动器设置于框架的外侧，花键轴设置于第二容置腔，并通过框架上的通孔与联轴器连接。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种数控机床，该数控机床包括自动换刀装置，该自动换刀装置包括：框架；线性驱动机构，线性驱动机构设置于框架上；花键套，花键套与线性驱动机构转动连接；花键轴，花键轴穿设于花键套内；转动驱动装置，转动驱动装置设置于框架上且与花键轴连接；换刀臂，套接于花键套上，并与花键套垂直；其中，线性驱动机构驱动花键套，并由花键套带动换刀臂沿花键轴的轴向进行直线运动，转动驱动装置驱动花键轴，并由花键轴带动花键套以及换刀臂绕花键轴的轴向进行转动。
其中，线性驱动机构包括：线性导轨，线性导轨固定于框架上且沿花键轴的轴向设置；滑块，滑块滑动支撑于线性导轨上；轴承座，轴承座固定于滑块上；滚动轴承，滚动轴承的外圈固定于轴承座上，花键套固定于滚动轴承的内圈上；线性驱动器，线性驱动器固定于框架上且与滑块连接，进而驱动滑块、轴承座、滚动轴承以及花键套沿线性导轨进行直线运动。
其中，线性驱动器为气缸。
其中，框架的内部形成第一容置腔，线性导轨、滑块、轴承座、滚动轴承以及花键套设置于第一容置腔内，线性驱动器设置于框架的外侧，并通过框架上的第一通孔与滑块连接。
其中，换刀臂设置于框架的外侧，自动换刀装置进一步包括连接臂杆，连接臂杆穿设于框架上的第二通孔内，并连接换刀臂与花键套。
其中，轴承座设置有内孔，滚动轴承设置于内孔内，线性驱动机构进一步包括外圈压盖和内圈压盖，其中外圈压盖和内圈压盖用于分别将滚动轴承的外圈和内圈压持于内孔内。
其中，线性驱动机构包括过渡套，过渡套设置于花键套与滚动轴承的内圈之间且分别与花键套和滚动轴承的内圈之间形成紧配合。
其中，线性驱动机构还包括轴承座垫板，轴承座通过轴承座垫板与滑块固定连接。
其中，转动驱动装置包括：联轴器，联轴器的一端与花键轴连接；减速机，减速机的一端与联轴器的另一端连接；转动驱动器，转动驱动器与减速机的另一端连接，进而通过减速机和联轴器驱动花键轴绕花键轴的轴线进行转动。
其中，转动驱动器为伺服电机，框架的内部形成第二容置腔，联轴器、减速机和转动驱动器设置于框架的外侧，花键轴设置于第二容置腔，并通过框架上的通孔与联轴器连接。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的数控机床的自动换刀装置包括框架、线性驱动机构、花键套、花键轴、转动驱动装置和换刀臂，线性驱动机构设置于框架上，花键套与线性驱动机构转动连接，花键轴穿设于花键套内，转动驱动装置设置于框架上且与花键轴连接，换刀臂与花键套连接，其中，线性驱动机构驱动花键套，并由花键套带动换刀臂沿花键轴的轴向进行直线运动，转动驱动装置驱动花键轴，并由花键轴带动花键套以及换刀臂绕花键轴的轴向进行转动。本发明的自动换刀装置的结构简单，且其设计难度低，加工容易，故障率低，能够有效降低成本。
附图说明
图1是本发明自动换刀装置的立体结构示意图；
图2是本发明自动换刀装置的剖切结构示意图；
图3是本发明自动换刀装置的局部爆炸图。
具体实施方式
本发明公开一种数控机床，其中该数控机床包括自动切换装置。如图1-图3所示，自动换刀装置包括框架22、线性驱动机构、花键套20、花键轴19、转动驱动装置、换刀臂29和连接臂杆4。
框架22做主体，框架22支撑所有的器件，线性驱动机构设置于框架22上，花键套20与线性驱动机构转动连接，花键轴19穿设于花键套20内。
其中，线性驱动机构包括线性导轨10、滑块9、轴承座5、轴承座垫板1、滚动轴承34、线性驱动器2、过渡套25、外圈压盖11和内圈压盖12。
线性导轨10和滑块9组成导向单元，线性导轨10固定于框架22上且沿花键轴19的轴向设置，进一步地，框架22设有导向基板23，线性导轨10固定在导向基板23上。滑块9滑动支撑于线性导轨10上，也就是说，滑块9可沿花键轴19的轴向在线性导轨10往复滑动。轴承座5固定于滑块9上，优选地，轴承座5通过轴承座垫板1与滑块9固定连接。
滚动轴承34的外圈固定于轴承座5上，花键套20固定于滚动轴承34的内圈上，花键套20套在花键轴19上。过渡套25设置于花键套20与滚动轴承34的内圈之间且分别与花键套20和滚动轴承34的内圈之间形成紧配合。在本实施例中，轴承座5设置有内孔(未图示)，滚动轴承34设置于内孔内，且外圈压盖11和内圈压盖12用于分别将滚动轴承34的外圈和内圈压持于内孔内。
线性驱动器2固定于框架22上且与滑块9连接。在本实施例中，线性驱动2器为气缸，气缸的活塞杆通过气缸连接支架3与轴承座垫板1相连接。应理解，在其他实施例中，线性驱动2为液压油缸。
在本实施例中，框架22的内部形成第一容置腔(未图示)，线性导轨10、滑块9、轴承座5、滚动轴承34以及花键套20设置于第一容置腔内，线性驱动器2设置于框架22的外侧，并通过框架22上的第一通孔(未图示)与滑块9连接。
换刀臂29设置于框架22的外侧，套接于花键套上，并与花键套垂直。连接臂杆4穿设于框架22上的第二通孔(未图示)内，并分布连接换刀臂29与花键套20。在本实施例中，连接臂杆4通过螺钉与花键套20固定连接，换刀臂29安装在连接臂杆4的端部。应理解，在本实施例的换刀臂29设置于框架22的一侧，线性驱动器2设置于框架22的另一侧，换刀臂29和线性驱动器2相对设置。
转动驱动装置包括联轴器33、减速机30和转动驱动器31。联轴器33的一端与花键轴19连接，联轴器33的另一端与减速机30的一端连接，减速机31的另一端与转动驱动器31连接。既减速机30通过联轴器33与花键轴19相连，转动驱动器31与减速机30直连。优选地，减速机30通过电机座7安装在框架22上。在本实施例中，转动驱动器31为伺服电机。应理解，在其他实施例中，转动驱动器31并不限定于伺服电机，转动驱动器31还可以为步进电机。
在本实施例中，框架22的内部进一步形成有第二容置腔(未图示)，联轴器33、减速机30和转动驱动器31设置于框架22的外侧，花键轴19设置于第二容置腔内，并通过框架22上的通孔与联轴器33连接。应理解，联轴器33、减速机30和转动驱动器31与线性驱动器2设置在框架22的同一侧。
下面说明本发明自动换刀装置的工作原理。
气缸的活塞杆往复运动，可以驱动滑块9、轴承座5、滚动轴承34以及花键套20沿线性导轨10进行直线运动，进而带动换刀臂29和连接臂杆4沿花键轴19的轴向进行直线运动，形成自动换刀装置的机械手直线平移动作，从而可以实现拔刀和插刀功能动作。
伺服电机通过减速机30和联轴器33驱动花键轴19绕花键轴19的轴线进行转动，既伺服电机的旋转扭矩通过减速机31、联轴器33、花键轴19和花键套20传递到换刀臂29和连接臂杆4，形成自动换刀装置的机械手旋转分度动作，从而可以实现抓刀、180°换刀和回零功能动作。
本实施例通过对传统凸轮联动式自动换刀装置的功能分解和分析，利用简单的气缸往复运动和伺服电机的精确可控制的旋转、分度和定位功能，实现了自动换刀装置的机械手旋转分度动作和机械手的直线平移动作。
综上所述，本发明的数控机床的自动换刀装置包括框架、线性驱动机构、花键套、花键轴、转动驱动装置和换刀臂，线性驱动机构设置于框架上，花键套与线性驱动机构转动连接，花键轴穿设于花键套内，转动驱动装置设置于框架上且与花键轴连接，换刀臂与花键套连接，其中，线性驱动机构驱动花键套，并由花键套带动换刀臂沿花键轴的轴向进行直线运动，转动驱动装置驱动花键轴，并由花键轴带动花键套以及换刀臂绕花键轴的轴向进行转动。本发明的自动换刀装置的结构简单，其制造精度要求低，且设计难度低，加工容易，故障率低，保证自动换刀装置的换刀运动连续、高速、平稳和可靠，同时能够有效降低成本。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (18)

1.一种数控机床的自动换刀装置，其中，所述自动换刀装置包括：
框架；
线性驱动机构，所述线性驱动机构设置于所述框架上；
花键套，所述花键套与所述线性驱动机构转动连接；
花键轴，所述花键轴穿设于所述花键套内；
转动驱动装置，所述转动驱动装置设置于所述框架上且与所述花键轴连接；
换刀臂，所述换刀臂套接于所述花键套上，并与所述花键套垂直；
其中，所述线性驱动机构包括：
线性导轨，所述线性导轨固定于所述框架上且沿所述花键轴的轴向设置；
滑块，所述滑块滑动支撑于所述线性导轨上；
轴承座，所述轴承座固定于所述滑块上；
滚动轴承，所述滚动轴承的外圈固定于所述轴承座上，所述花键套固定于所述滚动轴承的内圈上；以及
线性驱动器，所述线性驱动器固定于所述框架上且与所述滑块连接，进而驱动所述滑块、所述轴承座、所述滚动轴承以及所述花键套沿所述线性导轨进行直线运动；
其中，所述线性驱动机构驱动所述花键套，并由所述花键套带动所述换刀臂沿所述花键轴的轴向进行直线运动，所述转动驱动装置驱动所述花键轴，并由所述花键轴带动所述花键套以及所述换刀臂绕所述花键轴的轴向进行转动。
2.根据权利要求1所述的自动换刀装置，其中，所述线性驱动器为气缸。
3.根据权利要求1所述的自动换刀装置，其中，所述框架的内部形成第一容置腔，所述线性导轨、所述滑块、所述轴承座、所述滚动轴承以及所述花键套设置于所述第一容置腔内，所述线性驱动器设置于所述框架的外侧，并通过所述框架上的第一通孔与所述滑块连接。
4.根据权利要求3所述的自动换刀装置，其中，所述换刀臂设置于所述框架的外侧，所述自动换刀装置进一步包括连接臂杆，所述连接臂杆穿设于所述框架上的第二通孔内，并连接所述换刀臂与所述花键套。
5.根据权利要求1所述的自动换刀装置，其中，所述轴承座设置有内孔，所述滚动轴承设置于所述内孔内，所述线性驱动机构进一步包括外圈压盖和内圈压盖，其中所述外圈压盖和所述内圈压盖用于分别将所述滚动轴承的外圈和内圈压持于所述内孔内。
6.根据权利要求5所述的自动换刀装置，其中，所述线性驱动机构包括过渡套，所述过渡套设置于所述花键套与所述滚动轴承的内圈之间且分别与所述花键套和所述滚动轴承的内圈之间形成紧配合。
7.根据权利要求6所述的自动换刀装置，其中，所述线性驱动机构还包括轴承座垫板，所述轴承座通过所述轴承座垫板与所述滑块固定连接。
8.根据权利要求1所述的自动换刀装置，其中，所述转动驱动装置包括：
联轴器，所述联轴器的一端与所述花键轴连接；
减速机，所述减速机的一端与所述联轴器的另一端连接；
转动驱动器，所述转动驱动器与所述减速机的另一端连接，进而通过所述减速机和所述联轴器驱动所述花键轴绕所述花键轴的轴线进行转动。
9.根据权利要求8所述的自动换刀装置，其中，所述转动驱动器为伺服电机，所述框架的内部形成第二容置腔，所述联轴器、所述减速机和所述转动驱动器设置于所述框架的外侧，所述花键轴设置于所述第二容置腔，并通过所述框架上的通孔与所述联轴器连接。
10.一种数控机床，其中，所述数控机床包括自动换刀装置，所述自动换刀装置包括：
框架；
线性驱动机构，所述线性驱动机构设置于所述框架上；
花键套，所述花键套与所述线性驱动机构转动连接；
花键轴，所述花键轴穿设于所述花键套内；
转动驱动装置，所述转动驱动装置设置于所述框架上且与所述花键轴连接；
换刀臂，所述换刀臂套接于所述花键套上，并与所述花键套垂直；
其中，所述线性驱动机构包括：
线性导轨，所述线性导轨固定于所述框架上且沿所述花键轴的轴向设置；
滑块，所述滑块滑动支撑于所述线性导轨上；
轴承座，所述轴承座固定于所述滑块上；
滚动轴承，所述滚动轴承的外圈固定于所述轴承座上，所述花键套固定于所述滚动轴承的内圈上；以及
线性驱动器，所述线性驱动器固定于所述框架上且与所述滑块连接，进而驱动所述滑块、所述轴承座、所述滚动轴承以及所述花键套沿所述线性导轨进行直线运动；
其中，所述线性驱动机构驱动所述花键套，并由所述花键套带动所述换刀臂沿所述花键轴的轴向进行直线运动，所述转动驱动装置驱动所述花键轴，并由所述花键轴带动所述花键套以及所述换刀臂绕所述花键轴的轴向进行转动。
11.根据权利要求10所述的数控机床，其中，所述线性驱动器为气缸。
12.根据权利要求10所述的数控机床，其中，所述框架的内部形成第一容置腔，所述线性导轨、所述滑块、所述轴承座、所述滚动轴承以及所述花键套设置于所述第一容置腔内，所述线性驱动器设置于所述框架的外侧，并通过所述框架上的第一通孔与所述滑块连接。
13.根据权利要求12所述的数控机床，其中，所述换刀臂设置于所述框架的外侧，所述自动换刀装置进一步包括连接臂杆，所述连接臂杆穿设于所述框架上的第二通孔内，并连接所述换刀臂与所述花键套。
14.根据权利要求10所述的数控机床，其中，所述轴承座设置有内孔，所述滚动轴承设置于所述内孔内，所述线性驱动机构进一步包括外圈压盖和内圈压盖，其中所述外圈压盖和所述内圈压盖用于分别将所述滚动轴承的外圈和内圈压持于所述内孔内。
15.根据权利要求14所述的数控机床，其中，所述线性驱动机构包括过渡套，所述过渡套设置于所述花键套与所述滚动轴承的内圈之间且分别与所述花键套和所述滚动轴承的内圈之间形成紧配合。
16.根据权利要求15所述的数控机床，其中，所述线性驱动机构还包括轴承座垫板，所述轴承座通过所述轴承座垫板与所述滑块固定连接。
17.根据权利要求10所述的数控机床，其中，所述转动驱动装置包括：
联轴器，所述联轴器的一端与所述花键轴连接；
减速机，所述减速机的一端与所述联轴器的另一端连接；
转动驱动器，所述转动驱动器与所述减速机的另一端连接，进而通过所述减速机和所述联轴器驱动所述花键轴绕所述花键轴的轴线进行转动。
18.根据权利要求17所述的数控机床，其中，所述转动驱动器为伺服电机，所述框架的内部形成第二容置腔，所述联轴器、所述减速机和所述转动驱动器设置于所述框架的外侧，所述花键轴设置于所述第二容置腔，并通过所述框架上的通孔与所述联轴器连接。
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