CN112548641A - 可自动换刀的四轴加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明可自动换刀的四轴加工机床，涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及可自动更换刀具的四轴加工机床。本发明的X轴驱动装置装于底座的上部；滑台与X轴驱动装置相连接；Z轴驱动装置装于滑台的上部；立柱为回字形框架结构，装于Z轴驱动装置上；Y轴驱动装置装于立柱上；主轴箱装于Y轴驱动装置上；主轴水平排列于主轴箱的内部，由主轴电机驱动，电机与主轴之间通过联轴节连接；刀库支架固定装于底座的上部；刀库装置装于刀库支架上，位于主轴的上部。本发明的技术方案解决了现有技术中的现有多轴机床辅助设备多，体积大，重量高，人工操作困难；且刀库数量多，机构复杂，成本高、换刀时间长、主轴间距大等问题。

Description

可自动换刀的四轴加工机床

技术领域

本发明可自动换刀的四轴加工机床，涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及可自动更换刀具的四轴加工机床。

背景技术

目前，小型零件通常采用多轴、多刀、多工位同时加工的专用设计机床，其加工效率高，但此种机床只能适应特定工件的指定加工内容，机床柔性差，不适应多机种零件的加工。当工件外形尺寸或加工内容发生变化时，现有的专用机床不能满足使用需求，必须对主轴箱进行改造才能适应新工件的加工要求，设计制作周期长。针对多机种零件进行加工时，此种机床的换刀操作是通过整体更换主轴箱实现的，不具有自动更换刀具的功能，主轴箱装置体积大、重量高，人工操作较困难，需同时配备换箱机构，换箱耗费时间长，影响机床节拍。

另外，目前机床领域多轴加工机床的自动换刀功能主要通过链式刀库、圆盘刀库形式实现。其中，链式刀库比盘式刀库换刀时间长、刀库复杂成本高，适用于刀具数量多的场合。圆盘刀库形式需每个加工轴各配置一个刀库执行换刀操作，刀库数量多成本高，占地空间大，多用于双轴加工机床，主轴间距大的场合。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的可自动换刀的四轴加工机床，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

根据上述现有技术提出的现有多轴机床辅助设备多，体积大，重量高，人工操作困难；且刀库数量多，机构复杂，成本高、换刀时间长、主轴间距大等技术问题，而提供一种可自动换刀的四轴加工机床。本发明主要利用三轴驱动装置配合方形刀盘，从而达到主轴同步性好、加工稳定性高、生产效率高、安全性好、体积小、节省人力物力的效果。

本发明的工作原理为：将四个相同的工件放置在工作台上，滑台沿X轴方向移动、立柱沿Z轴方向移动、主轴箱沿Y轴方向移动,4根相同的主轴安装在主轴箱内，随主轴箱运动。机床启动后执行加工程序，X、Y、Z三轴联动使主轴前端刀具随主轴箱一起运动至工件待加工位置；主轴电机启动、主轴旋转，加工工件，加工完毕后刀具退出工件；三轴联动使主轴移动至换刀原点，执行换刀程序，主轴箱向上运动至行程终点；主轴箱进入刀库，将主轴上的刀具送入刀库刀具夹持装置内并锁紧刀具；主轴后退、刀具拔出；刀库伺服电机驱动刀库回转，滑台沿X轴方向移动或静止不动，保证主轴轴线与下一工序刀具轴线共线；立柱带动主轴箱前进、刀具插入主轴内；主轴箱下移脱离刀库，换刀过程结束；X、Y、Z三轴回到初始位置，进入下一加工循环。

本发明采用的技术手段如下：

一种可自动换刀的四轴加工机床包括：底座、三轴驱动装置、主轴箱、主轴、主轴电机、刀库支架和刀库装置；

进一步地，三轴驱动装置包括：滑台、立柱、主轴箱、X轴驱动装置、Z轴驱动装置和Y轴驱动装置；

进一步地，X轴驱动装置装于底座的上部；

进一步地，滑台与X轴驱动装置相连接，并在X轴驱动装置的驱动下，沿X轴方向做往复运动；

进一步地，Z轴驱动装置装于滑台的上部，可随滑台沿X轴方向做往复运动；

进一步地，立柱为回字形框架结构，装于Z轴驱动装置上，并在Z轴驱动装置的驱动下，沿Z轴方向做往复运动；

进一步地，Y轴驱动装置装于立柱上，可随立柱沿Z轴方向做往复运动；

进一步地，主轴箱装于Y轴驱动装置上，并在Y轴驱动装置的驱动下，沿Y轴方向做往复运动；

进一步地，主轴为4根，水平排列于主轴箱的内部，4根主轴分别由四个主轴电机驱动，电机与主轴之间通过联轴节连接，实现主轴的高速旋转；

进一步地，主轴上装有刀具；

进一步地，主轴箱内水平安装有四个间距相等的主轴，四根主轴中心线位于同一平面上，所述主轴后端安装有驱动主轴旋转的主轴电机。主轴的安装特点使其随主轴箱运动，即主轴可随主轴箱左右、前后、上下自由移动。

进一步地，刀库支架为门型框架结构，固定装于底座的上部；

进一步地，刀库装置装于刀库支架上，位于主轴的上部。

进一步地，X轴驱动装置包括：X轴电机、X轴丝杠、X轴直线导轨；

进一步地，X轴丝杠通过轴承座沿X轴方向，装于底座的上部，并通过丝母与滑台的底端面相连接；

进一步地，X轴直线导轨为两根，分别水平装于于X轴丝杠两侧的底座上，并通过导轨滑块与滑台的底端面相连接；

进一步地，X轴电机固定装于底座上部，其输出端与X轴丝杠相连接，驱动X轴丝杠转动，使滑台沿X轴直线导轨的方向做直线往复运动。

进一步地，Z轴驱动装置包括：Z轴电机、Z轴丝杠、Z轴直线导轨；

进一步地，Z轴直线导轨为两根，分别水平沿Z轴方向装于滑台上端面的两侧，并通过导轨滑块与立柱的底部相连接；

进一步地，Z轴丝杠通过轴承座沿Z轴方向，装于两根Z轴直线导轨中部的滑台上，并通过丝母与立柱的底端面相连接；

进一步地，Z轴电机固定装于滑台的上部，其输出轴与Z轴丝杠相连接，驱动Z轴丝杠转动，使立柱沿Z轴直线导轨的方向做直线往复运动。

进一步地，Y轴驱动装置包括：Y轴电机、Y轴丝杠、Y轴直线导轨；

进一步地，Y轴直线导轨为两根，分别垂直沿Y轴方向装于立柱前端面两侧，并通过导轨滑块与主轴箱的两端相连接；

进一步地，Y轴丝杠为两根，通过轴承座沿Y轴垂直装于立柱两侧，并通过丝母与主轴箱相连接；

进一步地，Y轴电机为两个，固定装于立柱的顶端，其输出轴分别与两个Y轴丝杠相连接，驱动Y轴丝杠转动，使主轴箱沿Y轴直线导轨的方向做垂直往复运动。

进一步地，刀库装置包括：方形刀盘、减速器、伺服电机、支座、刀具夹持装置；

进一步地，支座固定装于刀架的上部中间位置；

进一步地，减速器的内环安装在支座上；

进一步地，方形刀盘的四条边框外端面上均布有若干个刀具夹持装置，用于夹持刀具；

进一步地，方形刀盘安装于减速器的外环上；

进一步地，伺服电机与减速器内环直接相连；

进一步地，减速器的内环固定，外环转动带动方形刀盘实现360°回转。

进一步地，主轴箱通过三轴驱动装置的移动与方形刀盘旋转运动相互配合，使刀具进入和脱出刀具夹紧装置，可实现四把刀具同时更换。

进一步地，方形刀盘上可容纳32把刀具，刀具种类共计8种，同一种刀具间隔放置于方形刀盘的一侧；其中A1-1、A1-2、A1-3、A1-4为同一种刀具，B1-1、B1-2、B1-3、B1-4为同一种刀具；另外，方形刀盘的结构，使刀库内刀具位置与主轴位置一一对应，通过主轴的运动即可完成换刀过程，无需其它装置，即可完成主轴上4把刀具同时更换。

使用本机床时，电机启动，滑台、立柱、主轴箱、三轴联动，主轴随主轴箱运动，将主轴上的四把刀具移动至工件待加工位置，加工完毕后刀具退出工件，主轴移动至换刀原点，执行换刀程序。主轴换刀时，主轴箱向上运动进入刀库内，将主轴前端的刀具送入刀库刀具夹持装置内并锁紧刀具，主轴后退、刀具拔出。根据下一工序刀具所在位置，伺服电机驱动方形刀盘回转90°或180°或270°；当主轴由A位置(包括A1、A2、A3、A4)刀具更换为B(包括B1、B2、B3、B4)位置刀具，或由B位置刀具更换为A位置刀具时，滑台2沿X方向横移，将主轴4对准刀库内刀具的中心位置；当主轴4由A位置刀具更换A位置刀具，或由B位置刀具更换为B位置刀具时，主轴静止不动即可对准刀具位置。立柱沿Z轴前进，刀具插入主轴内；主轴箱沿Y轴向下移动，刀具脱离刀具夹持装置并移出刀库装置，换刀过程结束，三轴回到初始位置。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的可自动换刀的四轴加工机床，通过一个主轴箱带动四根主轴同时运动，主轴的同步性好，加工稳定性高；

2、本发明提供的可自动换刀的四轴加工机床，通过4根主轴一次性加工出四个相同的零件，生产效率高，有利于批量加工；

3、本发明提供的可自动换刀的四轴加工机床，Y轴驱动装置对称分布于立柱两侧，同步驱动主轴箱的上下运动，当一根丝杠意外断裂时，主轴箱不会突然掉落，安全性好，且双驱结构驱动力更大，加工能力更强；

4、本发明提供的可自动换刀的四轴加工机床，方形刀盘换刀装置可保证主轴上的四把刀具同时更换，换刀时间短、效率高；

5、本发明提供的可自动换刀的四轴加工机床，采用自动换刀装置不仅可以满足不同工件的加工需求，而且钻孔、攻丝、铣削可在同一台机床上完成，设备的柔性好，加工过程完全自动化，大大缩短设计制作周期，节省了人力、物力。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的现有多轴机床辅助设备多，体积大，重量高，人工操作困难；且刀库数量多，机构复杂，成本高、换刀时间长、主轴间距大等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明前轴侧图；

图2为本发明后轴侧图；

图3为本发明方形刀盘的正视图。

图中，1、底座2、滑台3、立柱4、主轴箱5、主轴6、X轴电机7、X轴丝杠8、X轴直线导轨9、Z轴电机10、Z轴丝杠11、Z轴直线导轨12、Y轴电机13、Y轴丝杠14、Y轴直线导轨15、主轴电机16、刀库支架17、方形刀盘18、减速器19、伺服电机20、支座21、刀具夹持装置22、刀具。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图所示，本发明提供了一种可自动换刀的四轴加工机床包括：底座1、三轴驱动装置、主轴箱4、主轴5、主轴电机15、刀库支架16和刀库装置；

三轴驱动装置包括：滑台2、立柱3、主轴箱4、X轴驱动装置、Z轴驱动装置和Y轴驱动装置；X轴驱动装置装于底座1的上部；滑台2与X轴驱动装置相连接，并在X轴驱动装置的驱动下，沿X轴方向做往复运动；Z轴驱动装置装于滑台2的上部，可随滑台2沿X轴方向做往复运动；立柱3为回字形框架结构，装于Z轴驱动装置上，并在Z轴驱动装置的驱动下，沿Z轴方向做往复运动；Y轴驱动装置装于立柱3上，可随立柱3沿Z轴方向做往复运动；主轴箱4装于Y轴驱动装置上，并在Y轴驱动装置的驱动下，沿Y轴方向做往复运动；

主轴5为4根，水平排列于主轴箱4的内部，4根主轴5分别由四个主轴电机15驱动，电机15与主轴5之间通过联轴节连接，实现主轴5的高速旋转；主轴5上装有刀具22；

刀库支架16为门型框架结构，固定装于底座1的上部；刀库装置装于刀库支架16上，位于主轴5的上部。

X轴驱动装置包括：X轴电机6、X轴丝杠7、X轴直线导轨8；X轴丝杠7通过轴承座沿X轴方向，装于底座1的上部，并通过丝母与滑台2的底端面相连接；X轴直线导轨8为两根，分别水平装于于X轴丝杠7两侧的底座1上，并通过导轨滑块与滑台2的底端面相连接；X轴电机6固定装于底座1上部，其输出端与X轴丝杠7相连接，驱动X轴丝杠7转动，使滑台2沿X轴直线导轨8的方向做直线往复运动。

Z轴驱动装置包括：Z轴电机9、Z轴丝杠10、Z轴直线导轨11；Z轴直线导轨11为两根，分别水平沿Z轴方向装于滑台2上端面的两侧，并通过导轨滑块与立柱3的底部相连接；Z轴丝杠10通过轴承座沿Z轴方向，装于两根Z轴直线导轨11中部的滑台2上，并通过丝母与立柱3的底端面相连接；Z轴电机9固定装于滑台2的上部，其输出轴与Z轴丝杠10相连接，驱动Z轴丝杠10转动，使立柱3沿Z轴直线导轨11的方向做直线往复运动。

Y轴驱动装置包括：Y轴电机12、Y轴丝杠13、Y轴直线导轨14；Y轴直线导轨14为两根，分别垂直沿Y轴方向装于立柱3前端面两侧，并通过导轨滑块与主轴箱4的两端相连接；Y轴丝杠13为两根，通过轴承座沿Y轴垂直装于立柱3两侧，并通过丝母与主轴箱4相连接；Y轴电机12为两个，固定装于立柱3的顶端，其输出轴分别与两个Y轴丝杠13相连接，驱动Y轴丝杠13转动，使主轴箱4沿Y轴直线导轨14的方向做垂直往复运动。

刀库装置包括：方形刀盘17、减速器18、伺服电机19、支座20、刀具夹持装置21；支座20固定装于刀架16的上部中间位置；减速器18的内环安装在支座20上；方形刀盘17的四条边框外端面上均布有若干个刀具夹持装置21，用于夹持刀具22；方形刀盘17安装于减速器18的外环上；伺服电机19与减速器18内环直接相连；减速器18的内环固定，外环转动带动方形刀盘17实现360°回转。

主轴箱4通过三轴驱动装置的移动与方形刀盘17旋转运动相互配合，使刀具22进入和脱出刀具夹紧装置21，可实现四把刀具22同时更换。

方形刀盘17上可容纳32把刀具，刀具种类共计8种，同一种刀具间隔放置于方形刀盘的一侧。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的可自动换刀的四轴加工机床包括：底座(1)、三轴驱动装置、主轴箱(4)、主轴(5)、主轴电机(15)、刀库支架(16)和刀库装置；

所述的三轴驱动装置包括：滑台(2)、立柱(3)、主轴箱(4)、X轴驱动装置、Z轴驱动装置和Y轴驱动装置；

所述的X轴驱动装置装于底座(1)的上部；

所述的滑台(2)与X轴驱动装置相连接，并在X轴驱动装置的驱动下，沿X轴方向做往复运动；

所述的Z轴驱动装置装于滑台(2)的上部，可随滑台(2)沿X轴方向做往复运动；

所述的立柱(3)为回字形框架结构，装于Z轴驱动装置上，并在Z轴驱动装置的驱动下，沿Z轴方向做往复运动；

所述的Y轴驱动装置装于立柱(3)上，可随立柱(3)沿Z轴方向做往复运动；

所述的主轴箱(4)装于Y轴驱动装置上，并在Y轴驱动装置的驱动下，沿Y轴方向做往复运动；

所述的主轴(5)为4根，水平排列于主轴箱(4)的内部，4根主轴(5)分别由四个主轴电机(15)驱动，电机(15)与主轴(5)之间通过联轴节连接，实现主轴(5)的高速旋转；

所述的主轴(5)上装有刀具(22)；

所述的刀库支架(16)为门型框架结构，固定装于底座(1)的上部；

所述的刀库装置装于刀库支架(16)上，位于主轴(5)的上部。

2.根据权利要求1所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的X轴驱动装置包括：X轴电机(6)、X轴丝杠(7)、X轴直线导轨(8)；

所述的X轴丝杠(7)通过轴承座沿X轴方向，装于底座(1)的上部，并通过丝母与滑台(2)的底端面相连接；

所述的X轴直线导轨(8)为两根，分别水平装于X轴丝杠(7)两侧的底座(1)上，并通过导轨滑块与滑台(2)的底端面相连接；

所述的X轴电机(6)固定装于底座(1)上部，其输出端与X轴丝杠(7)相连接，驱动X轴丝杠(7)转动，使滑台(2)沿X轴直线导轨(8)的方向做直线往复运动。

3.根据权利要求1所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的Z轴驱动装置包括：Z轴电机(9)、Z轴丝杠(10)、Z轴直线导轨(11)；

所述的Z轴直线导轨(11)为两根，分别水平沿Z轴方向装于滑台(2)上端面的两侧，并通过导轨滑块与立柱(3)的底部相连接；

所述的Z轴丝杠(10)通过轴承座沿Z轴方向，装于两根Z轴直线导轨(11)中部的滑台(2)上，并通过丝母与立柱(3)的底端面相连接；

所述的Z轴电机(9)固定装于滑台(2)的上部，其输出轴与Z轴丝杠(10)相连接，驱动Z轴丝杠(10)转动，使立柱(3)沿Z轴直线导轨(11)的方向做直线往复运动。

4.根据权利要求1所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的Y轴驱动装置包括：Y轴电机(12)、Y轴丝杠(13)、Y轴直线导轨(14)；

所述的Y轴直线导轨(14)为两根，分别垂直沿Y轴方向装于立柱(3)前端面两侧，并通过导轨滑块与主轴箱(4)的两端相连接；

所述的Y轴丝杠(13)为两根，通过轴承座沿Y轴垂直装于立柱(3)两侧，并通过丝母与主轴箱(4)相连接；

所述的Y轴电机(12)为两个，固定装于立柱(3)的顶端，其输出轴分别与两个Y轴丝杠(13)相连接，驱动Y轴丝杠(13)转动，使主轴箱(4)沿Y轴直线导轨(14)的方向做垂直往复运动。

5.根据权利要求1所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的刀库装置包括：方形刀盘(17)、减速器(18)、伺服电机(19)、支座(20)、刀具夹持装置(21)；

所述的支座(20)固定装于刀架(16)的上部中间位置；

所述的减速器(18)的内环安装在支座(20)上；

所述的方形刀盘(17)的四条边框外端面上均布有若干个刀具夹持装置(21)，用于夹持刀具(22)。

所述的方形刀盘(17)安装于减速器(18)的外环上；

所述的伺服电机(19)与减速器(18)内环直接相连；

所述的减速器(18)的内环固定，外环转动带动方形刀盘(17)实现360°回转。

6.根据权利要求4所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的主轴箱(4)通过三轴驱动装置的移动与方形刀盘(17)旋转运动相互配合，使刀具(22)进入和脱出刀具夹紧装置(21)，可实现四把刀具(22)同时更换。

7.根据权利要求5所述的可自动换刀的四轴加工机床，其特征在于，所述的方形刀盘(17)上可容纳32把刀具，刀具种类共计8种，同一种刀具间隔放置于方形刀盘的一侧。

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