CN107283202A - 换刀机构、加工中心及用该加工中心的换刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换刀机构、加工中心及用该加工中心的换刀方法。换刀机构包括刀臂，刀臂的两端能够分别固持加工机头的待换刀具和刀库的预定刀具，还包括：刀库驱动机构，其用于驱动刀库沿上下方向移动；刀臂驱动机构，其用于驱动刀臂旋转以使刀臂的两端在加工机头和刀库之间交换位置；加工机头驱动机构，其用于驱动加工机头沿上下方向移动；刀库驱动机构和加工机头驱动机构能够分别驱动刀库和加工机头上移以分别脱离预定刀具和待换刀具，以及分别驱动刀库和加工机头下移以分别装入待换刀具和预定刀具。本发明具有换刀精度较高、制造维护成本较低，结构组成简单，占用安装空间较小，能够适用于多头加工中心的有益效果。

Description

换刀机构、加工中心及用该加工中心的换刀方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别涉及一种换刀机构、具有其的加工中心及用该加工中心的换刀方法。

背景技术

机床常用于3C行业，特别是手机零部件加工行业，以便对精细零部件进行加工，比如对零部件进行车、铣等。目前主流的加工机床仍是单头加工中心，多头加工中心并不常用。

无论是单头加工中心还是多头加工中心，一般都包括刀库和换刀机构。刀库用于定位、安装刀具，一个刀库可以容纳多个刀具，刀库容量大小直接关系到定位、安装其上的刀具数量。换刀机构用于将刀具在刀库与加工机头之间对换，有的具有能旋转的刀臂，对应旋转式换刀方式，有的不具有刀臂，对应推拉式换刀方式。

请参考图1，图1为一种现有的换刀机构示意图。如图1所示，现有的一种换刀机构采用凸轮机构与连杆机构实现刀臂上下动作，采用圆柱凸轮与槽轮机构实现刀臂旋转运动。换刀机构20包括有一凸轮22、一主轴24与一换刀臂26。其中凸轮22与主轴24设置于机体10内，凸轮22受驱使转动，进而带动主轴24沿着竖直方向上、下往复移动；主轴24另受控制而转动，其底端位于机体10外，且固定连接换刀臂26，换刀臂26随着主轴24的转动而作旋摆，以完成换刀切换动作。这种机构的利用凸轮机构带动换刀臂进行旋转、平移两项运动有以下缺点：

第一，刀库整体结构比较庞大，需要足够的安装空间，只能安装在加工机头的侧方，从而增加了加工中心的Y轴尺寸，不能够适用于多头加工中心；

第二，现有的上下移动与刀臂旋转是通过凸轮组件一起完成，旋转速度比较固定，刀臂在接近主轴时会容易与主轴产生一定的撞击，容易损坏主轴，而且成本高昂，使得刀臂结构复杂，控制精度也不高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的换刀机构尺寸庞大、机构繁琐、制造维护成本高昂、控制精度不高，并不能适用于多头加工中心的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种换刀机构，用于在刀库和加工机头之间对换刀具，包括刀臂，所述刀臂的两端能够分别固持所述加工机头的待换刀具和所述刀库的预定刀具，还包括：刀库驱动机构，其用于驱动所述刀库沿上下方向移动；刀臂驱动机构，其用于驱动所述刀臂旋转以使所述刀臂的两端在所述加工机头和所述刀库之间交换位置；加工机头驱动机构，其用于驱动所述加工机头沿上下方向移动；所述刀库驱动机构和所述加工机头驱动机构能够分别驱动所述刀库和所述加工机头上移以分别脱离所述预定刀具和所述待换刀具，以及分别驱动所述刀库和所述加工机头下移以分别装入所述待换刀具和所述预定刀具。另外，所述换刀机构与需要换刀的所述加工机头沿X轴方向布置，以实现在X轴方向换刀。

优选地，所述刀库驱动机构包括第一电机和传动部件，所述传动部件连接于所述第一电机的输出端与所述刀库之间，以将所述第一电机输出的旋转运动转换为所述刀库沿上下方向的移动；所述刀臂驱动机构包括第二电机，所述刀臂连接于所述第二电机的输出端以在所述第二电机的驱动下旋转。

优选地，所述换刀机构包括至少两个刀臂，一个刀臂用于在所述刀库和一个加工机头之间对换刀具，所述第二电机的输出端连接至所述至少两个刀臂，以驱动所述至少两个刀臂同步旋转。

优选地，所述换刀机构还包括：刀库安装板，所述刀库安装板的一侧安装所述刀库，另一侧设置滑块，机床横梁，所述机床横梁设置有沿上下方向延伸的轨道，所述滑块能够装配于所述轨道以相对于所述机床横梁沿上下方向滑行。

优选地，所述传动部件包括配合安装的丝杠和螺母，所述丝杠连接于所述第一电机的输出端，所述螺母安装于所述刀库安装板，所述丝杠受所述第一电机驱动而旋转时所述螺母相对于所述丝杠移动以带动所述刀库沿上下方向移动。

优选地，所述刀库安装板开设装配凹槽，所述螺母嵌入所述装配凹槽内部而固定于所述刀库安装板。

优选地，所述机床横梁具有箱型结构，所述箱型结构具有由顶板、侧板和底板围成的内部空间，所述第二电机安装于所述内部空间，所述第一电机安装于所述顶板，并与所述轨道位于所述侧板的同一侧。

优选地，所述刀臂的两端具有卡刀槽，所述刀臂还包括：容纳腔，所述容纳腔在所述卡刀槽的槽口处垂直于所述刀具的行进方向延伸；弹性件，所述弹性件容纳于所述容纳腔，所述弹性件的一端固定于所述容纳腔，另一端安装有凸块；当所述弹性件自然伸长时，所述凸块能够凸出所述卡刀槽的内壁，当所述刀具到达所述卡刀槽的槽口时，所述凸块受所述刀具挤压而能够退回，当所述刀具越过所述卡刀槽的槽口时，所述凸块能够受所述弹性件的作用而复位。

本发明还提供一种加工中心，包括刀库、加工机头和换刀机构，所述换刀机构在刀库和所述加工机头之间对换刀具，所述换刀机构为上述各实施方案中的换刀机构。

本发明还提供一种用上述各实施方案中的换刀机构的换刀方法，用于对换所述刀库的预定刀具和所述加工机头的待换刀具，包括以下步骤：卡刀步骤：所述刀臂旋转，以使所述刀臂的两端分别固持所述预定刀具和所述待换刀具；拔刀步骤：所述刀库和所述加工机头上移，以使所述预定刀具脱离所述刀库，以及所述待换刀具脱离所述加工机头；换刀步骤：所述刀臂旋转以使分别固持有所述预定刀具和所述待换刀具的两端交换位置；装刀步骤：所述刀库和所述加工机头下移，以使所述预定刀具装入所述加工机头，以及所述待换刀具装入所述刀库；退刀步骤：所述刀臂旋转以使所述刀臂的两端分别脱离所述预定刀具和所述待换刀具。

优选地，在所述拔刀步骤、所述装刀步骤中，所述刀库受第一电机驱动而上下移动，所述加工机头受加工机头驱动机构驱动而上下移动；在所述卡刀步骤、所述换刀步骤、所述退刀步骤中，所述刀臂受第二电机驱动而旋转。

优选地，在所述卡刀步骤之前，沿机床的X轴方向依次布置所述刀库、所述刀臂和所述加工机头，沿机床的Y轴设置所述刀臂的臂展方向；在所述卡刀步骤中，所述刀臂顺时针旋转90度，在所述换刀步骤中，所述刀臂顺时针旋转180度，在所述退刀步骤中，所述刀臂逆时针旋转90度。

本发明提供的换刀机构、具有其的加工中心及用该加工中心的换刀方法具有以下有益效果：

第一，刀臂仅仅进行旋转运动从而避免应用复杂的机械结构，使换刀机构，尤其是刀臂结构更加简洁，而且减小了换刀机构的体积，尤其是沿加工中心X轴方向的厚度，从而减小了加工中心的整体尺寸；

第二，换刀机构沿X轴方向的厚度减小，换刀机构能够与需要换刀的加工机头沿X轴方向布置，换刀机构不用安装在加工机头的侧方，从而实现与加工机头迎面换刀，能够用于多头加工中心；

第三，刀臂的旋转运动，与刀库和加工机头的上下移动分开控制，控制精度更高，从而提高换刀效率和换刀准确度，对换刀过程的控制也更为方便灵活；

第四，刀臂旋转的的同时刀库和加工机头上下移动，这还缩短了工作时间而提高了换刀效率。

附图说明

图1为一种现有的换刀机构示意图；

图2为本发明提供的换刀机构的第一视角的立体图；

图3为本发明提供的换刀机构的第二视角的立体图；

图4为本发明提供的换刀机构的后视图；

图5为本发明提供的换刀机构的俯视图；

图6为本发明提供的换刀机构的仰视图；

图7为本发明提供的换刀机构的正视图，其中省略了机床横梁；

图8为本发明提供的换刀机构的分解图，示出换刀机构的轨道与滑块；

图9A为本发明提供的换刀机构的分解图，示出换刀机构的刀臂；

图9B为图9中的刀具与刀臂组装的爆炸图；

图10为本发明提供的加工中心的第一视角的立体图；

图11为本发明提供的加工中心的第二视角的立体图；

图12为本发明提供的加工中心在换刀开始前的状态示意图：

图13为本发明提供的加工中心在换刀开始前的另一个状态示意图；

图14为本发明提供的加工中心在换刀过程中的一个步骤的示意图；

图15为图14中加工中心的另一视角示意图；

图16为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；

图17为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；

图18为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；

图19为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；

图20为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图。

附图标记说明

现有技术：

换刀机构20

凸轮22

主轴24

换刀臂26

机体10。

本发明：

刀库100

刀具101

机床主轴200

换刀机构300

刀臂310

卡刀槽311

容纳腔312

弹性件313

凸块314

转轴315

轴承316

刀库驱动机构320

第一电机321

丝杠322

螺母323

刀臂驱动机构330

第二电机331

同步带轮340

同步带350

刀库安装板360

装配凹槽361

机床横梁370

顶板371

前部侧板372

后部侧板373

底板374

轨道381

滑块382。

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本发明的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本发明的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本发明还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本发明精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本发明不受该部分公开的具体实施例的限制。本发明专利的保护范围应以权利要求书为准。

本发明的目的不仅仅在于解决现有的换刀机构尺寸庞大、机构繁琐、制造维护成本高昂、控制精度不高，并不能适用于多头加工中心的技术问题，还用于解决其他所能够实际解决的技术问题。

请参考图2至图11，其中，图2为本发明提供的换刀机构的第一视角的立体图；图3为本发明提供的换刀机构的第二视角的立体图；图4为本发明提供的换刀机构的后视图；图5为本发明提供的换刀机构的俯视图；图6为本发明提供的换刀机构的仰视图；图7为本发明提供的换刀机构的正视图，其中省略了机床横梁；图8为本发明提供的换刀机构的分解图，示出换刀机构的轨道与滑块；图9A为本发明提供的换刀机构的分解图，示出换刀机构的刀臂；图9B为图9A中的刀具与刀臂组装的爆炸图；图10为本发明提供的加工中心的第一视角的立体图；图11为本发明提供的加工中心的第二视角的立体图。

在本发明中，“X轴”、“Y轴”、“Z轴”均以机床坐标系为参考系，其中Z轴指与主轴轴线平行的方向，一般指上下方向，X轴指机床主轴的移动方向，一般指前后方向，具体X轴、Y轴、Z轴的指向请参考图10。

应当理解，本发明提供的换刀机构用于刀库中已经处于“换刀定点”的刀具，“换刀定点”指刀具能够在刀库和加工机头之间即刻传递的状态。当刀具处于换刀定点时以及处于换刀定点之后的传递过程中时，刀具都时刻保持竖直定向。相比于换刀定点，刀具还具有在刀库中所处的其他状态，这种其他状态即指刀具的存储状态。

在一些情况下，刀具需要变换定向位置，比如刀具在刀库中在水平位置存储，那么需要变换到竖直位置才能用于传递，预定刀具从存储状态调整至换刀定点并同时竖直定向；在另一些情况，刀具在刀库中存储时即处于竖直平面内，但不处于竖直定向，因而需要在竖直平面内变换角度至竖直定向，那么预定刀具从存储状态调整至换刀定点并同时处于通过变换角度而实现的该竖直定向。还有一些情况，刀具不需要变换定向，刀具在刀库中存储时即处于竖直定向，当刀具调整至换刀定点时依然处于竖直定向。

本发明提供的换刀机构300用于在机床的刀库100和加工机头(加工机头一般安装于机床主轴200)之间更换刀具101，该换刀机构300包括刀臂310，刀臂具有两个卡刀槽311，两个卡刀槽311能够分别固持加工机头的待换刀具和刀库100的预定刀具，刀臂310能够旋转以用于将刀库100的预定刀具101从刀库100传递给加工机头，或者将加工机头的待换刀具传递给刀库100，从而在加工机头和刀库100之间换刀。

各刀臂的两端还可以具有其他的类似卡刀槽的固持刀具的结构，比如卡刀容腔等，这类结构能够夹紧刀具或者以磁性吸合刀具。该换刀机构300还包括刀库驱动机构320、刀臂驱动机构330和加工机头驱动机构，其中，刀臂驱动机构330驱动刀臂310在XY平面内旋转，以使两个卡刀槽311在加工机头和刀库100之间交换位置，刀库驱动机构320和加工机头驱动机构分别驱动刀库100和加工机头上移从而分别脱离预定刀具和待换刀具，以及分别驱动刀库100和加工机头下移从而分别装入待换刀具和预定刀具。刀库驱动机构320包括第一电机321和传动部件，第一电机321运行带动输出端的输出部件旋转，传动部件连接于第一电机321的输出端与刀库100之间，将第一电机321的输出部件的旋转运动转换为刀库100沿Z轴的移动，其中，传动部件可以为齿轮齿条结构、滚珠丝杠322结构等能够简单实现将旋转运动转化为直线运动的机构。

刀臂驱动机构330包括第二电机331，刀臂310连接于第二电机331的输出端以在第二电机331的驱动下旋转，刀臂310可以直接连接于第二电机331的输出端的输出轴，也可以具有单独的转轴315，该转轴315通过联轴器与第二电机331的输出轴连接，从而也能够达到在第二电机331的驱动下旋转的目的。可以参照现有技术进行刀臂310的安装。

请参考图12至图20，其中，图12为本发明提供的加工中心在换刀开始前的状态示意图：图13为本发明提供的加工中心在换刀开始前的另一个状态示意图；图14为本发明提供的加工中心在换刀过程中的一个步骤的示意图；图15为图14中加工中心的另一视角示意图；图16为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；图17为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；图18为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；图19为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图；图20为本发明提供的加工中心在换刀过程中的另一步骤的示意图。

开始换刀之前，刀臂310、刀库100和机床主轴200均处于初始位置，比如刀库100和机床主轴200均在刀臂310之上远离刀臂310。在优选的实施方案中，刀库100、刀臂310和加工机头依次沿X轴方向布置，刀臂310的臂展方向为机床的Y轴方向。

换刀开始之前，如果刀库100和机床主轴200的初始位置均在刀臂310之上远离刀臂310，那么第一电机321和加工机头驱动机构分别驱动刀库100和加工机头下移到预定位置，该预定位置使得刀库100和加工机头能够准确地向刀臂310的两个卡刀槽311传递刀具。

应当理解，如果刀库的形式对应上述“一些情况”，那么当第一电机和机头驱动机构将刀库和加工机头驱动到预定位置之后，预定刀具从水平位置翻转到竖直位置以处于所述换刀定点(见图13)，当然，如果刀库的形式对应上述“另一些情况”，那么便不存在图13中所示的刀具翻转的步骤，也即刀具可以是一直处于竖直定向，也可以是翻转到竖直定向。也就是说，无论如何，在该预定位置，刀库的用于对换的刀具已经处于换刀定点(见图12和图13)。

并且，在换刀之前，如果加工机头正处于沿X轴方向远离刀库100的加工位置，那么加工机头应该先沿X轴方向朝向刀库100运动。

以下以刀臂310沿机床的Y轴方向延伸为例，说明换刀过程大致可以按照以下几个步骤进行：

卡刀步骤：第二电机331驱动刀臂310顺时针(从上向下方向观察)旋转90度，刀臂310旋转一定角度后两个卡刀槽311能够分别固持预定刀具和待换刀具(见图14和图15)；

拔刀步骤：第一电机321驱动刀库100上移，加工机头驱动机构驱动加工机头上移，以使预定刀具脱离刀库100，以及待换刀具脱离加工机头(见图16)；

换刀步骤：第二电机331驱动刀臂310顺时针(从上向下方向观察)旋转180度，以使分别固持有预定刀具和待换刀具的两个卡刀槽311交换位置(见图17)；

装刀步骤：第一电机321驱动刀库100下移，加工机头驱动机构驱动加工机头下移，以使预定刀具装入加工机头，以及待换刀具装入刀库100(见图18)；

退刀步骤：第二电机331驱动刀臂310逆时针(从下向上方向观察)旋转90度，以使刀臂310的两个卡刀槽311分别脱离预定刀具和待换刀具(见图19)。

换刀完毕之后，还可以包括回位步骤：第一电机321驱动刀库100上移，加工机头驱动机构驱动加工机头上移(见图20)。

应当理解，在上述卡刀步骤、换刀步骤和退刀步骤中，刀臂310的旋转角度也可以为其他角度。

还应当理解，在上述各个步骤中，刀臂对刀具的固持通过上述类似卡刀槽的结构夹紧或者吸合刀具而实现，同理，刀臂脱离刀具也通过上述类似卡刀槽的结构释放对刀具的夹紧或者解除对刀具的吸合而实现。

本发明还提供一种加工中心，其包括本发明任意实施方案的换刀机构，该加工中心包括刀库100、加工机头和上述实施方案的换刀机构300，该换刀机构300用于在刀库100和加工机头之间更换刀具。该加工中心具有各实施方案中的换刀机构的有益效果。

在又一种优选的实施方案中，加工机头至少为两个，刀臂也至少为两个，一个刀臂用于在一个加工机头与所述刀库之间对换刀具，从而该换刀机构应用于多头加工中心。

本发明中的加工机头驱动机构可以为电机、气缸、油缸等常见的能够驱动目标部件移动的结构，比如可以利用机床控制加工机头加工作业中上下移动的电机。刀库驱动机构和刀臂驱动机构还可以为除电机以外而具有精细控制功能的油缸、气缸等具有驱动功能的部件。不同于现有技术中刀臂310既要实现旋转运动又要实现Z轴的平移运动并且采用复杂的机械结构，在本发明中，采用三个驱动机构分别控制刀库100的上下移动、刀臂310的旋转运动和加工机头的上下移动，具有以下好处：

第一，刀臂仅仅进行旋转运动从而避免应用复杂的机械结构，使换刀机构，尤其是刀臂结构更加简洁，而且减小了换刀机构的体积，尤其是沿加工中心X轴方向的厚度，从而减小了加工中心的整体尺寸；

第二，如图10和图11所示，换刀机构沿X轴方向的厚度减小，换刀机构能够与需要换刀的加工机头沿X轴方向布置，换刀机构不用安装在加工机头的侧方，从而实现与加工机头迎面换刀，能够用于多头加工中心；

第三，刀臂的旋转运动，与刀库和加工机头的上下移动分开控制，控制精度更高，从而提高换刀效率和换刀准确度，对换刀过程的控制也更为方便灵活；

第四，刀臂旋转的同时刀库和加工机头上下移动，这还缩短了工作时间而提高了换刀效率。

在具有电机的实施方案中，还具有以下优势：

刀臂的旋转运动，与刀库和加工机头的上下移动用电机分开控制，在刀臂接近加工机头时，电机可调节速度慢慢接近加工机头，这样就会大大减小加工机头的损坏。

优选地，换刀机构300可以包括至少两个刀臂310，刀臂310的数目与加工机头的数目相同，具有多个刀臂310的换刀机构300能够应用于多头加工中心。至少两个刀臂310中的一个与第二电机331连接，具体是连接至第二电机331的输出端，从而与第二电机331连接的该刀臂310受第二电机331驱动而旋转。该换刀机构300还包括至少两个同步带轮340，同步带轮340的数目与刀臂310的数目相同，并且每个刀臂310均安装有同步带轮340，各个同步带轮340之间安装有同步带350，在同步带350的带动下，各个同步带轮340同步旋转。

从而，在该实施方案中，通过单一驱动机构实现多线操作，降低成本，提升生产率。

如图9A所示，以刀臂310通过单独的转轴315与第二电机331连接为例说明：同步带轮340套装在转轴315外周，从转轴315上方装入并用平键做周向固定，通过螺钉与转轴315进行轴向固定；轴承316也装入转轴315，用于将转轴315支撑于安装结构(例如下文中的机床横梁370)，轴承316可以与同步带轮340安装在安装结构(例如下文中的机床横梁370)的上下两侧，比如，同步带轮340安装于机床横梁370的上方，轴承316安装于机床横梁370的下方。

当转轴315通过第二电机331的输出轴带动而旋转时，刀臂310旋转，同时同步带轮340也跟随转轴315而同步旋转，同步带轮340上的同步带350带动其他同步带轮340旋转，其他同步带轮340带动安装的刀臂310旋转。单独的第二电机331提供动力源即获得各个刀臂310同步转动的效果，也就是实现了在多头加工中心上应用该换刀机构300。

优选地，该换刀机构300还可以包括至少两个旋转驱动机构330，也就是说，包括至少两个第二电机331，其中各个旋转驱动机构330的第二电机331可以仅仅驱动一个刀臂310，也可以通过上述同步带轮340机构而同步驱动多个刀臂310。而且，该换刀机构300可以仅仅具有一个刀库驱动机构320，也可以具有多个刀库驱动机构320，只要能够保证各个刀库沿Z轴同步移动即可。

总之，换刀机构可以包括至少两个所述刀臂，每个刀臂用于在刀库和每个加工机头之间对换刀具，第二电机的输出端连接至所述至少两个刀臂，以驱动至少两个刀臂同步旋转。

以图2至图6为例，该换刀机构300具有单独的刀库驱动机构320和两个旋转驱动机构330，每个旋转驱动机构330驱动两个刀臂310，因而，该换刀机构300能够进行四个刀臂310的旋转和移动控制，适用于具有四个加工机头的加工中心。

显然，该技术方案使得该换刀机构300能够应用于多头加工中心。

优选地，该换刀机构300还包括刀库安装板360和机床横梁370，如图5、图6和图8所示，该刀库安装板360的一侧安装有刀库100，另一侧安装有滑块382；机床横梁370设置有沿机床的Z轴方向延伸的轨道381，滑块382能够装配于轨道381以相对于机床沿Z轴方向滑行。

机床横梁370相对于机床的底座固定，是换刀机构300的框架结构，机床横梁370朝向刀库100的一侧安装有轨道381，刀库安装板360朝向机床横梁370的一侧安装有滑块382，该滑块382用于与轨道381装配而沿轨道381在Z轴方向上下移动，起到导向刀库100的作用。

在一种情况下，刀库安装板360可以为单独的一块板体，其上安装有全部的刀库100，在这种情况下，刀库安装板360整体具有一个滑块382即可，当然，为了导向可靠也可以设置若干个轨道381-滑块382机构。在另一种情况下，刀库安装板360也可以为单独的多个板体，各个板体上分别安装刀库100，在这种情况下，机床横梁370应该设置有多个轨道381，相应地每个刀库安装板360均应该安装有滑块382，从而保证各个刀库100均受到导向。如图5所示，该实施例中具有四个刀库100、四个刀臂310和两套轨道381-滑块382结构。

优选地，刀库驱动机构320的传动部件可以包括彼此装配在一起的丝杠322和螺母323，该丝杠322可以直接连接于第一电机321的输出端，可以直接连接于第一电机321的输出端也可以通过输出轴而连接，该螺母323固定安装于刀库安装板360。因而，丝杠322在第一电机321的驱动下旋转，与之配合的螺母323相对丝杠322沿Z轴移动，刀库安装板360与刀库100也相应地沿Z轴移动。

该实施方案提供了传动机构的具体实施例，该传动机构也可以为其他机构，比如齿轮齿条机构等，只要能够将旋转运动转换为直线运动，并且尽可能少地占用安装空间即可。

进一步地，如图7和图8所示，刀库安装板360可以开设有装配凹槽361，该螺母323嵌入该装配凹槽361而固定于刀库安装板360。该螺母323不应局限于现有技术中常见形状的螺母，其可以为内壁沿圆周方向具有螺纹结构的任何形状的零件，只要其能够与丝杠322匹配，并且能够安装于刀库安装板360即可。

在该实施例中，刀库安装板360开设装配凹槽361，螺母323可以通过其自身的安装结构，比如凸缘、折边等通过螺丝固定于该装配凹槽361周围的刀库安装板360本体，也可以直接焊接固定于该装配凹槽361内壁，而省去上述自身的安装结构。

无论如何，在本实施例中，螺母323的螺纹结构主体位于该装配凹槽361内部，从而进一步节省了换刀机构300在XY平面内的尺寸，具体是X轴方向的厚度。

优选地，如图3所示，机床横梁370具有箱型结构，箱型结构具有由顶板371、前部侧板372、后部侧板373(前部侧板372和后部侧板373统称为侧板)和底板374围成的内部空间。轨道381安装于前部侧板372，假设轨道381安装于前部侧板372的前侧，那么：第二电机331安装于内部空间，也即安装于前部侧板372的后侧；第一电机321比如通过三角形支架安装于顶板371，该三角形支架的一侧边固定于顶板371，另一侧边固定第一电机321，从而使得第一电机321与轨道381位于侧板(具体是前部侧板372)的同一侧，即前侧。

同样地，底板374可以开设刀臂310安装孔，刀臂310在底板374的下方通过贯穿刀臂310安装孔的转轴315与第二电机331的输出轴连接，刀臂310通过与底板374之间的轴承316而支撑于底板374，同步带轮340安装于上述内部空间，而刀臂310位于机床横梁370的下方，即上述内部空间之外。

该实施例提供了该换刀机构300的更为详细的安装方案和零件布局，在该实施例中，箱型结构具有稳固和容纳性好的特点，如此布置第一电机321和第二电机331有利于最大化地利用安装空间和提高整体稳定性。

优选地，参考图9B，刀臂310包括卡刀槽311、容纳腔312和弹性件313，其中，当刀具101位于卡刀槽311内部时，该卡刀槽311的内壁与刀具101紧贴，而防止刀具101意外从卡刀槽311脱离；容纳腔312在卡刀槽311的槽口处垂直于刀具101的行进方向延伸，也即容纳腔312的延伸方向垂直于卡刀槽311的深度方向；弹性件313容纳于容纳腔312，弹性件313的一端固定于容纳腔312底部，另一端安装有凸块314，该弹性件313可以具体为螺旋弹簧、或者弹力较好的弹性体。

当弹性件313自然伸长时，凸块314能够凸出卡刀槽311的内壁，当刀具101到达卡刀槽311的槽口时，无论是在进入卡刀槽311过程中还是在离开卡刀槽311过程中，凸块314均受刀具101挤压而能够退回到容纳腔312内，即不再从卡刀槽311内壁凸出，当刀具101越过卡刀槽311的槽口时，凸块314能够受弹性件313的作用而复位，即又从卡刀槽311的内部凸出。

该技术方案将刀臂310的卡刀机构整体进行简化，不设置额外的零件与刀臂310本体配合，为仅仅在刀臂310本体上开容纳腔312，还有利于缩小结构尺寸。

上述第一电机321和第二电机331均可以为伺服电机，从而对刀臂和刀库进行伺服控制，更进一步提高控制精度；还可以与减速机匹配使用。

产业上的可利用性

本发明提供的换刀机构300能够独立地应用于现有技术的机床上，本发明提供的加工中心能够应用为单头加工中心或者多头加工中心。

以上各个实施例在不违背本发明精神范围内可以任意地进行组合。为简洁起见，本文省略了部分零部件的描述，然而该部分零部件均应当理解为能够采用现有技术实施。

Claims (12)

1.一种换刀机构，其用于在刀库和加工机头之间对换刀具，所述换刀机构包括刀臂，所述刀臂的两端能够分别固持所述加工机头的待换刀具和所述刀库的预定刀具，其特征在于，所述换刀机构还包括：

刀库驱动机构，其用于驱动所述刀库沿上下方向移动；

刀臂驱动机构，其用于驱动所述刀臂旋转以使所述刀臂的两端在所述加工机头和所述刀库之间交换位置；以及

加工机头驱动机构，其用于驱动所述加工机头沿上下方向移动，

所述刀库驱动机构和所述加工机头驱动机构能够分别驱动所述刀库和所述加工机头上移以分别脱离所述预定刀具和所述待换刀具，以及分别驱动所述刀库和所述加工机头下移以分别装入所述待换刀具和所述预定刀具。

2.根据权利要求1所述的换刀机构，其特征在于，

所述刀库驱动机构包括第一电机和传动部件，所述传动部件连接于所述第一电机的输出端与所述刀库之间，以将所述第一电机输出的旋转运动转换为所述刀库沿上下方向的移动；

所述刀臂驱动机构包括第二电机，所述刀臂连接于所述第二电机的输出端以在所述第二电机的驱动下旋转。

3.根据权利要求2所述的换刀机构，其特征在于，所述换刀机构包括至少两个刀臂，一个所述刀臂用于在所述刀库和一个加工机头之间对换刀具，所述第二电机的输出端连接至所述至少两个刀臂，以驱动所述至少两个刀臂同步旋转。

4.根据权利要求2所述的换刀机构，其特征在于，所述换刀机构还包括：

刀库安装板，所述刀库安装板的一侧安装所述刀库，另一侧设置滑块；以及

机床横梁，所述机床横梁设置有沿上下方向延伸的轨道，所述滑块能够装配于所述轨道以相对于所述机床横梁沿上下方向滑行。

5.根据权利要求4所述的换刀机构，其特征在于，所述传动部件包括配合安装的丝杠和螺母，所述丝杠连接于所述第一电机的输出端，所述螺母安装于所述刀库安装板，所述丝杠受所述第一电机驱动而旋转时所述螺母相对于所述丝杠移动以带动所述刀库沿上下方向移动。

6.根据权利要求5所述的换刀机构，其特征在于，所述刀库安装板开设装配凹槽，所述螺母嵌入所述装配凹槽内部而固定于所述刀库安装板。

7.根据权利要求4所述的换刀机构，其特征在于，所述机床横梁具有箱型结构，所述箱型结构具有由顶板、侧板和底板围成的内部空间，所述第二电机安装于所述内部空间，所述第一电机安装于所述顶板，并与所述轨道位于所述侧板的同一侧。

8.根据权利要求1所述的换刀机构，其特征在于，所述刀臂的两端具有卡刀槽，所述刀臂还包括：

容纳腔，所述容纳腔在所述卡刀槽的槽口处垂直于所述刀具的行进方向延伸；以及

弹性件，所述弹性件容纳于所述容纳腔，所述弹性件的一端固定于所述容纳腔，另一端安装有凸块，

当所述弹性件自然伸长时，所述凸块能够凸出所述卡刀槽的内壁，当所述刀具到达所述卡刀槽的槽口时，所述凸块受所述刀具挤压而能够退回，当所述刀具越过所述卡刀槽的槽口时，所述凸块能够受所述弹性件的作用而复位。

9.一种加工中心，其包括刀库、加工机头和换刀机构，所述换刀机构在所述刀库和所述加工机头之间对换刀具，其特征在于，所述换刀机构为权利要求1-8中任一项所述的换刀机构。

10.一种用权利要求1-8中任一项所述的换刀机构的换刀方法，其特征在于，用于对换所述刀库的预定刀具和所述加工机头的待换刀具，所述换刀方法包括以下步骤：

卡刀步骤：所述刀臂旋转，以使所述刀臂的两端分别固持所述预定刀具和所述待换刀具；

拔刀步骤：所述刀库和所述加工机头上移，以使所述预定刀具脱离所述刀库以及所述待换刀具脱离所述加工机头；

换刀步骤：所述刀臂旋转以使分别固持有所述预定刀具和所述待换刀具的两端交换位置；

装刀步骤：所述刀库和所述加工机头下移，以使所述预定刀具装入所述加工机头，以及所述待换刀具装入所述刀库；以及

退刀步骤：所述刀臂旋转以使所述刀臂的两端分别脱离所述预定刀具和所述待换刀具。

11.根据权利要求10所述的换刀方法，其特征在于，在所述拔刀步骤、所述装刀步骤中，所述刀库受第一电机驱动而上下移动，所述加工机头受加工机头驱动机构驱动而上下移动；在所述卡刀步骤、所述换刀步骤、所述退刀步骤中，所述刀臂受第二电机驱动而旋转。

12.根据权利要求10所述的换刀方法，其特征在于，

在所述卡刀步骤之前，沿机床的X轴方向依次布置所述刀库、所述刀臂和所述加工机头，沿机床的Y轴方向设置所述刀臂的臂展方向；

在所述卡刀步骤中，所述刀臂顺时针旋转90度，

在所述换刀步骤中，所述刀臂顺时针旋转180度，

在所述退刀步骤中，所述刀臂逆时针旋转90度。