CN110142634A - 一种刀库用滑块递推刀具传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种刀库用滑块递推式刀具传动系统。它包括支撑部件、传动部件、导轨部件和刀套组部件。用于数控加工中金刀套组部件位于导轨部件中，刀套组部件按照导轨部件轨迹运动；导轨部件通过螺栓连接的方式固定在支撑部件上；传动部件为刀套组部件提供动力，传动部件中的链轮轮齿拨动刀套组部件中的滑块运动，滑块带动刀套运动，刀套用于固定刀具实现机械手刀库中刀具的传动。本发明用滑块导轨结构代替链轮传动方式，克服了链传动存在的多边形效应，降低振动，并且降低了零件数量，节省空间，便于安装与运输。

Description

一种刀库用滑块递推刀具传动系统
技术领域
本发明涉及一种CNC数控机床配置的无链刀库传动部分，设计一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，属于机械设计与制造领域。
背景技术
刀具系统是现代自动化加工过程中用到的一种储刀和换刀的装置。主要由刀具和换刀机构组成。刀库主要是为数控机床提供储刀位置，并且能够根据程序正确选择刀具加以定位，实现刀具交换。换刀机构则是进行换刀动作。刀库系统改变了传统的以人为主的换刀方式，借由电脑程序的控制，完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、镗孔、攻牙等。近年来刀具系统的发展已经超越其工具机的角色。
国内使用的机械手刀库多是链式刀库。链式刀库一般主要用于大型的卧式加工中心，链条式刀库可以储存数量较多的刀具，一般都是在20把以上，有些可以储存到160把以上，它是由链条将要换的刀具传到指定的位置，在由机械手将刀具装到主轴上。链条式刀库容量大，换刀时间快，但是由于链条式结构的传动方式存在着明显的缺陷，机械刚性差，传动间隙大，造成刀库的刀具定位精度差，价格贵，振动大，针对这一存在问题，本发明设计了一种新型的传动方式，即递推式传动，使用滑块导轨的模式取代链式传动。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，取代传统刀库中链式刀具传动系统，不涉及刀库其他部分组件的修改，从而提高刀库的刀具定位精度，减少振动，降低制造成本。
为达到上述目的，本发明的构思是：
机械手链式刀库的链式传动方式震动非常大。其根本原因是链式传动中的多边形效应引起的。如图1所示，左图为链条悬空部分轴线与链轮圆心最远的状态，右图为链条悬空部分轴线与链轮圆心最近的状态，在传动过程中，这两种状态交替出现产生链条悬空部分的振动。为了改善这种震动，将链式传动改为递推式传动。
普通链式刀库的传动结构链条包括销轴、链片、滚子和卡簧，它们缺一不可，如果是双层链或者三层链数量会倍数增加，并且由于零件数量较多，装配过程复杂，误差叠加严重，导致最终不合格率上升，返修件增加，产品质量无法保证。并且零件数量增多后，导致加工成本上升、工时增加，造成的运输成本较大。
而递推传动是将滑块置于与之配合的导轨之中，通过链轮拨动滑块，滑块与滑块之间递推，使所有滑块能够在导轨内运转。滑块上装有刀套，刀具放置在刀套内，滑块的移动实现刀具的传动。递推传动的方式克服了链式传动多边形效应引起的振动问起，并且零件少，装配简单，传动结构可以实现弯折，空间利用率高，成本低。
因为递推传动的整过运动过程滑块与导轨之间为滑动摩擦，因此对材料的耐磨性有较高要求，而且润滑不充分，只有首次添加润滑脂，且滑块承受的载荷较轻，基于以上工况，采用磷化的方式对滑块进行表面处理，增强其耐磨性，延长使用寿命。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
本发明的创新点是将链式传动改为递推式传动。所谓递推式传动，是自行研发设计了一种滑块导轨机构，滑块上下底面设计了两个圆柱形凸台，使其位于导轨的凹槽中，按照导轨的行迹运动。链轮作为驱动轮拨动滑块，滑块之间相互推动，使得整个刀库链运转起来。
一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，包括支撑部件、传动部件、导轨部件和刀套组部件其特征在于：刀套组部件位于导轨部件中，刀套组部件按照导轨部件轨迹运动；导轨部件通过螺栓连接的方式固定在支撑部件上；传动部件为刀套组部件提供动力，传动部件中的链轮轮齿拨动刀套组部件中的滑块运动，实现机械手刀库中刀具的传动，链轮与滑块位置关系如图2所示。
所述的支撑部件，包括铸铁平台A、铸铁平台B、基座A、基座B、导轨支撑、导轨外压条、主盖板、主盖板支撑块、垫块和垫块支板，铸铁平台B通过螺栓连接的方式固定于铸铁平A，基座A通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B的较窄侧面，基座B通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B较宽侧面远离基座A的位置上。导轨部件通过螺栓连接的方式与垫块相连接，垫块通过螺栓连接的方式固定在垫块支板上，垫块支板通过螺栓连接的方式分别固定在基座A、基座B和铸铁平台B上；所述导轨部件为垂直弯折的长腰环形，其弯折的两部分位分别位于基座A和基座B上，带有直线形的导轨部件部分位于铸铁平台B上。
所述的传动部件包括伺服电机、减速器、电机座、支撑座、链轮、深沟球轴承、角接触球轴承、主动轴和锁紧螺母，伺服电机通过减速器与主动轴直连，减速器固定在电机座上，主动轴通过一对深沟球轴承和一对角接触球轴承以及锁紧螺母固定五个自由度，所以主动轴只能进行旋转运动，轴承外部由支撑座与结构件基座B相连进行固定，链轮与主动轴固定，以上所以构件组成动力输出机构，均采用螺栓连接。
所述的导轨部件，包括导轨支撑和导轨外压条。导轨外压条通过螺栓连接的方式固定在导轨支撑的两侧，形成一个凹槽。导轨外压条和导轨支撑组成导轨，导轨有内外两条，中间的间距刚好放滑块，导轨部件与滑块滑动配合示意图如图11所示。外压条所选用的材料为共聚甲醛，是高分子量聚甲醛，一种热塑性树脂，也是重要的工程塑料。有优异的刚性，耐磨性好、摩擦系数和吸水性小的特点。而在基座处，由于要放置传动部件部分的链轮，所以导轨支撑不能固定于基座B上，用主盖板代替导轨支撑，导轨外压条通过螺栓固定在主盖板两侧，形成一个凹槽。主盖板通过螺栓与主盖板支撑连接，主盖板支撑通过螺栓固定在基座B上。整个导轨部件规定了刀套组部件的运动轨迹。
所述刀套组部件是由滑块和刀套两部分组成。其中滑块的设计是本发明的创新点。滑块设计如图9，滑块有四个圆柱凸台，上下各两个，这个圆柱凸台嵌于轨道外压条形成的凹槽，在其中可以实现滑动；为了保证滑块的速度在直线运动和圆周运动中的一致性，同时避免在圆周运动处滑块与滑块之间为线接触，将滑块接触面一部分设计成为斜面如图9中标注所示，斜面的斜度i＝tanb，设链轮每转过一个齿的角度为a，即∠a，如图10(a)所示，为了同时满足速度要求，可以得到如图10(b)所示的几何关系，AB＝BC，∠AOC＝∠AOB＝a，∠b＝1/2∠AOB，所以∠b＝1/2∠a，从而确定斜面的斜度，当在圆周轨道中运动时相邻滑块的斜面处接触，当在直线轨道中运动时相邻滑块的平面处接触。滑块与导轨的接触主要是与导轨外压条之间的滑动摩擦，所以导轨外压条选择了耐磨性较好的材料。导轨与滑块接触处对粗糙度要求不高，且导轨与滑块之间的压力来源于刀的重量，载荷不大，刀库链只有首次润滑脂添加，长期使用下润滑状态较差。在上述的轻载、润滑条件差、粗糙度要求不高的条件下，选用磷化的方式对滑块进行表面处理，来减少摩擦和改善零件润滑状态。刀套通过螺栓连接的方式固定在滑块上。刀套随着滑块的滑动，带动刀具移动。
本发明与现有试验设备相比，具有如下突出实质性特点和显著的优点：
本发明振动小，零件少装配简单，空间利用率高，成本低，节省空间。
附图说明
图1为已有技术链式刀库的链式传动机构中链与链轮接触部分的振动分析示意图。
图2为本发明的斜视系统结构示意图。
图3为本发明的主视图。
图4为图3中A-A处剖视图。
图5为图3的左视图。
图6为图3的右视图。
图7为图3的俯视图。
图8为图3的后视图。
图9为滑块结构示意图。
图10为滑块分布图。
图11为滑块与导轨配合示意图。
图12为链轮与滑块配合示意图。
其中：1-铸铁平台A；2-导轨支撑；3-导轨外压条；4-主盖板；5-刀套；6-铸铁平台B；7-限位块；8-主盖板支撑块；9-垫块；10-垫块支板；11-基座A；12-滑块；13-基座B；14-伺服电机；15-减速器；16-电机座；17-支撑座；18-链轮；19-深沟球轴承；20-角接触球轴承；21-主动轴；22-锁紧螺母。Ⅰ-支撑部件；Ⅱ-传动部件；Ⅲ-导轨部件；Ⅳ-刀套组部件。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图2，本刀库用滑块递推刀具传动系统，包括支撑部件(Ⅰ)、传动部件(Ⅱ)、导轨部件(Ⅲ)和刀套组部件(Ⅳ)。刀套组部件(Ⅳ)位于导轨部件(Ⅲ)中，刀套组部件(Ⅳ)按照导轨部件(Ⅲ)轨迹运动；导轨部件(Ⅲ)通过螺栓连接的方式固定在支撑部件(Ⅰ)上；传动部件(Ⅱ)为刀套组部件(Ⅳ)提供动力，传动部件(Ⅱ)中的链轮(18)轮齿拨动刀套组部件(Ⅳ)中的滑块(12)运动，实现机械手刀库中刀具的传动，链轮(18)与滑块(12)位置关系如图2所示。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特列3处如下：参见图3-图8，所述的支撑部件(Ⅰ)包括铸铁平台A(1)、铸铁平台B(6)、基座A(11)、基座B(13)、导轨支撑(2)、导轨外压条(3)、主盖板(4)、主盖板支撑块(8)、垫块(9)和垫块支板(10)，铸铁平台B(6)通过螺栓连接的方式固定于铸铁平台A(1)，基座A(11)通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B(6)的较窄侧面，基座B(13)通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B(6)较宽侧面远离基座A(11)的位置上；导轨部件(Ⅲ)通过螺栓连接的方式与垫块(9)相连接，垫块(9)通过螺栓连接的方式固定在垫块支板(10)上，垫块支板(10)通过螺栓连接的方式分别固定在基座A(11)、基座B(13)和铸铁平台B(6)上；所述导轨部件(Ⅲ)为垂直弯折的长腰环形，其弯折的两部分位分别位于基座A(11)和基座B(13)上，带有直线形的导轨部件(Ⅲ)部分位于铸铁平台B(13)上。
所述的传动部件(Ⅱ)包括伺服电机(14)、减速器(15)、电机座(17)、支撑座(17)、链轮(18)、深沟球轴承(19)、角接触球轴承(20)、主动轴(21)和锁紧螺母(22)，伺服电机(14)通过减速器(15)与主动轴(21)直连，减速器(15)固定在电机座(16)上，主动轴(21)通过一对深沟球轴承(19)和一对角接触球轴承(20)以及锁紧螺母(22)固定五个自由度，所以轴承只能进行旋转运动，轴承外部由支撑座(17)与结构件基座B(13)相连进行固定，链轮(18)与主动轴(21)固定，以上所以构件组成动力输出机构，均采用螺栓连接。
所述的导轨部件(Ⅲ)，包括导轨支撑(2)和导轨外压条(3)，导轨外压条(3)通过螺栓连接的方式固定在导轨支撑(2)的两侧，形成一个凹槽，导轨外压条(3)和导轨支撑(2)组成导轨，导轨为内外两条，中间的间距刚好放滑块(12)，导轨部件(Ⅲ)与滑块(12)滑动配合；而在基座B(13)处，由于要放置传动部件部分的链轮(18)，所以导轨支撑(2)不能固定于基座B(13)上，用主盖板(4)代替导轨支撑(2)，导轨外压条(3)通过螺栓固定在主盖板(4)两侧，形成一个凹槽；主盖板(4)通过螺栓与主盖板支撑(8)连接，主盖板支撑(8)通过螺栓固定在基座B(13)上；整个导轨部件(Ⅲ)规定了刀套组部件(Ⅳ)的运动轨迹。
参见图9-图12，所述所述刀套组部件(Ⅳ)是由滑块(12)和刀套(5)两部分组成，其中滑块(12)有四个圆柱凸台(9-1)，上下各两个，这个圆柱凸台(9-1)嵌于轨道外压条(3)形成的凹槽，在其中可实现滑动；为了保证滑块(12)的速度在直线运动和圆周运动中的一致性，同时避免在圆周运动处滑块(12)与滑块(12)之间为线接触，将滑块(12)接触面一部分为斜面(9-2)，斜面(9-2)的斜度i＝tanb，设链轮每转过一个齿的角度为a，即∠a，为了同时满足速度要求，可以得到AB＝BC，∠AOC＝∠AOB＝a，∠b＝1/2∠AOB，所以∠b＝1/2∠a，从而确定斜面的斜度，当在圆周轨道中运动时相邻滑块的斜面处接触，当在直线轨道中运动时相邻滑块平面(9-3)处接触；滑块(12)与导轨的接触主要是与导轨外压条(3)之间的滑动摩擦，所以导轨外压条(3)选择了耐磨性较好的材料；导轨与滑块(12)接触处对粗糙度要求不高，且导轨与滑块(12)之间的压力来源于刀的重量，载荷不大，刀库链只有首次润滑脂添加，长期使用下润滑状态较差；在上述的轻载、润滑条件差、粗糙度要求不高的条件下，选用磷化的方式对滑块(12)进行表面处理，来减少摩擦和改善零件润滑状态；刀套(5)通过螺栓连接的方式固定在滑块(12)上；刀套(5)随着滑块(12)的滑动，带动刀具移动。
本发明的工作原理如下：
伺服电机14通过减速器15与主动轴21相连，主动轴21与链轮18连接，从而伺服电机14带动链轮18转动，链轮18的转动拨动滑块12在轨道中运动，滑块12上装有刀套5，刀套5用于安装刀具，从而实现刀具的位置变换。链轮18、滑块12和导轨部件(Ⅲ)(导轨支撑2和导轨外压条3)的功能实现了链传动在刀库换刀结构中的作用，并且克服了链传动多边形效应导致的振动大问题。
本实施例的伺服电机12的功率为750W；减速器11为10倍减速器。
本实施例克服了传统链式刀库所存在的多边形效应，极大的降低了刀库在运作过程中的振动。由于通过滑块导轨结构取代了链条，所以零件个数降低，加工成本以及工时降低，同时装配容易。由于导轨滑块结构可以实现弯折，所以比链式结构节省空间，提高机床内部空间利用率。

Claims (5)

1.一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，包括支撑部件(Ⅰ)、传动部件(Ⅱ)、导轨部件(Ⅲ)和刀套组部件(Ⅳ)其特征在于：刀套组部件(Ⅳ)位于导轨部件(Ⅲ)中，刀套组部件(Ⅳ)按照导轨部件(Ⅲ)轨迹运动；导轨部件(Ⅲ)通过螺栓连接的方式固定在支撑部件(Ⅰ)上；传动部件(Ⅱ)为刀套组部件(Ⅳ)提供动力，传动部件(Ⅱ)中的链轮(18)轮齿拨动刀套组部件(Ⅳ)中的滑块(12)运动，实现机械手刀库中刀具的传动。
2.根据权利要求1所述的一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，其特征在于：所述的支撑部件(Ⅰ)包括铸铁平台A(1)、铸铁平台B(6)、基座A(11)、基座B(13)、导轨支撑(2)、导轨外压条(3)、主盖板(4)、主盖板支撑块(8)、垫块(9)和垫块支板(10)，铸铁平台B(6)通过螺栓连接的方式固定于铸铁平台A(1)，基座A(11)通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B(6)的较窄侧面，基座B(13)通过螺栓连接的方式固定在铸铁平台B(6)较宽侧面远离基座A(11)的位置上；导轨部件(Ⅲ)通过螺栓连接的方式与垫块(9)相连接，垫块(9)通过螺栓连接的方式固定在垫块支板(10)上，垫块支板(10)通过螺栓连接的方式分别固定在基座A(11)、基座B(13)和铸铁平台B(6)上；所述导轨部件(Ⅲ)为垂直弯折的长腰环形，其弯折的两部分位分别位于基座A(11)和基座B(13)上，带有直线形的导轨部件(Ⅲ)部分位于铸铁平台B(13)上。
3.根据权利要求1所述的一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，其特征在于：所述的传动部件(Ⅱ)包括伺服电机(14)、减速器(15)、电机座(17)、支撑座(17)、链轮(18)、深沟球轴承(19)、角接触球轴承(20)、主动轴(21)和锁紧螺母(22)，伺服电机(14)通过减速器(15)与主动轴(21)直连，减速器(15)固定在电机座(16)上，主动轴(21)通过一对深沟球轴承(19)和一对角接触球轴承(20)以及锁紧螺母(22)固定五个自由度，所以轴承只能进行旋转运动，轴承外部由支撑座(17)与结构件基座B(13)相连进行固定，链轮(18)与主动轴(21)固定，以上所以构件组成动力输出机构，均采用螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，其特征在于：所述的导轨部件(Ⅲ)，包括导轨支撑(2)和导轨外压条(3)，导轨外压条(3)通过螺栓连接的方式固定在导轨支撑(2)的两侧，形成一个凹槽，导轨外压条(3)和导轨支撑(2)组成导轨，导轨为内外两条，中间的间距刚好放滑块(12)，导轨部件(Ⅲ)与滑块(12)滑动配合；而在基座B(13)处，由于要放置传动部件部分的链轮(18)，所以导轨支撑(2)不能固定于基座B(13)上，用主盖板(4)代替导轨支撑(2)，导轨外压条(3)通过螺栓固定在主盖板(4)两侧，形成一个凹槽；主盖板(4)通过螺栓与主盖板支撑(8)连接，主盖板支撑(8)通过螺栓固定在基座B(13)上；整个导轨部件(Ⅲ)规定了刀套组部件(Ⅳ)的运动轨迹。
5.根据权利要求1所述的一种刀库用滑块递推式刀具传动系统，其特征在于：所述刀套组部件(Ⅳ)是由滑块(12)和刀套(5)两部分组成，其中滑块(12)有四个圆柱凸台(9-1)，上下各两个，这个圆柱凸台(9-1)嵌于轨道外压条(3)形成的凹槽，在其中可实现滑动；为了保证滑块(12)的速度在直线运动和圆周运动中的一致性，同时避免在圆周运动处滑块(12)与滑块(12)之间为线接触，将滑块(12)接触面一部分为斜面(9-2)，斜面(9-2)的斜度i＝tanb，设链轮每转过一个齿的角度为a，即∠a，为了同时满足速度要求，可以得到AB＝BC，∠AOC＝∠AOB＝a，∠b＝1/2∠AOB，所以∠b＝1/2∠a，从而确定斜面的斜度，当在圆周轨道中运动时相邻滑块的斜面处接触，当在直线轨道中运动时相邻滑块平面(9-3)处接触；滑块(12)与导轨的接触主要是与导轨外压条(3)之间的滑动摩擦，所以导轨外压条(3)选择了耐磨性较好的材料；导轨与滑块(12)接触处对粗糙度要求不高，且导轨与滑块(12)之间的压力来源于刀的重量，载荷不大，刀库链只有首次润滑脂添加，长期使用下润滑状态较差；在上述的轻载、润滑条件差、粗糙度要求不高的条件下，选用磷化的方式对滑块(12)进行表面处理，来减少摩擦和改善零件润滑状态；刀套(5)通过螺栓连接的方式固定在滑块(12)上；刀套(5)随着滑块(12)的滑动，带动刀具移动。
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