CN1210133C - 用于机床系统的刀具更换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的刀具更换器(80)用于从加工中心(70)上取下和安装刀具，此加工中心具有一机床(73)，该机床具夹持刀具用的主轴(72)，该机床设置在加工中心框架(71)和具有所述刀具更换器的加工中心中。该刀具更换器包括一个具有用于夹持刀具(24)的多个位置(21)的刀具架(20)和一个构造和设置成能够在多个位置和一个能够接近加工中心主轴的位置之间移动的臂(30)。该可移动臂与转动的垂直和水平运动机构相连。

Description

用于机床系统的刀具更换器
技术领域
本发明涉及机床系统，比如加工中心、铣床和车床。更具体地说，本发明的领域涉及在机床系统的主轴上更换刀夹(tool head)的机构。
背景技术
一种典型的计算机数字控制(CNC)机床系统包括具有刀具更换机构的加工中心。该机构从加工主轴上取下特定的刀具并代之以不同的刀具。对这种加工中心，进行多种机械操作，这可能需要在主轴头上设置多种不同的刀具。比如，现有的机械加工系统包括了多种适合于所需用途的刀具。
在现代的加工中心研制过程中，对刀具更换机构，即从刀具架上取下特定的刀具并将其放置在机械加工位置的操作主轴上的装置给予了特别的关注。比如Hague等人的美国专利3,844,028就是自动刀具更换机构的一个例子。
可以以各种形式来提供刀具。一般说来，刀具安装在集成于加工中心数控系统中的可移动部件上。可以控制这些刀具，把所需刀具移动到预定的位置，然后靠自动刀具更换机构将其取下。在图1示出的是一种刀具储存和取用机构。具体说，刀库(magazine)10包括许多刀具座12，其构造成能够牢固地抓住刀杆。在图1上描述的刀库10是一种塔式机构，在该机构中，刀具座12由驱动链14或者类似的刀具座定位机构相互连接。驱动链14围绕在毂盘15周围，由一个电动机(在图上未显示)在数控系统或手工系统的指令下驱动。在操作时，可以递进地驱动驱动链14，以把特定的刀具座12定位在更换刀具的位置。刀库10还包括围绕在刀具座12、驱动链14和毂盘15并支撑它们的壳体17。图2所示的是与加工中心相连接设置的刀库10。
发明内容
本发明是一种具有可移动臂的刀具更换器，它把刀具从固定的刀具架上取下并插入加工中心的主轴中。
按照本发明，该刀具更换器包括一个具有用于固定刀具的多个位置的刀具架和一个构造和设置成能够在多个位置之间移动的臂，这些位置包括一个能够接近加工中心主轴的位置。每个这些位置进一步还包括一个具有多个尖头的叉状体。可移动臂具有两个夹钳，其中两个夹钳中的一个相对于另外一个的夹角设置成大约90°。
该刀具更换器具有垂直的和水平的转动机构，用来把可移动臂从臂等待位置移动到刀具夹持位置。该转动机构包括一个电动机、一个与电动机相连的皮带轮和一个与该电机和该皮带轮相连的皮带，和一个与该皮带轮相连的齿轮。该转动机构的齿轮具有多个位置和一个与刀具更换器连接的传感器，用于检测齿轮的一个位置，该齿轮的每个位置都对应着刀具架上的一个刀具。与刀具更换器连接的传感器设置在刀具更换器的底部。
用于垂直地移动可移动臂的垂直机构包括一个与可移动臂相连的垂直轴和一个与可移动臂连接的液压缸。该液压缸能够在该轴上使可移动臂垂直移动。用于横向移动可移动臂的水平机构包括一个与移动臂连接的直线轨道和一个与移动臂相连的液压缸。
本发明的优点是，该刀具更换器比现有技术更加可靠，因为其组成的零部件更少。
本发明的优点是，该刀具更换器的重量轻、结构紧凑，易于适合在有限空间里的加工中心。
本发明的另一个优点是在主轴上更换刀具更快。
本发明的另一个优点是可以很容易在刀具更换器上添加更多的刀具架，因此提供更多的更换刀具的可能性。
从下面的文字叙述和附图能够很容易认识到本发明的其他优点和益处。
附图说明
参照下面的附图和结合附图对本发明实施例的叙述，本发明的上述的和其他特征和目的以及实施本发明的方式都将变得更明白，而且也能更好地理解本发明，其中：
图1是自动加工中心现有技术的刀具机构的侧视图；
图2是使用图1的刀具机构的垂直主轴铣床的轴侧投影图，是从其前面和略微偏左方向观察；
图3是在本发明的加工中心内部可移动臂启动刀具更换器的轴侧投影图；
图4是图3的可移动臂启动刀具更换器的轴侧投影图，示出在本发明的刀具架上的多个刀具；
图5是可移动臂启动刀具更换器的侧视图，示出按照本发明的垂直运动的包络；
图6a和6b是可移动臂启动刀具更换器的部分放大俯视图，示出按照本发明从可移动臂待机位置到刀具夹持位置可移动臂相继移动的过程；
图7是在按照本发明的叉状体的两个尖头之间带有刀具的叉状体的轴侧投影图；
图8是按照本发明在其夹钳中之一上具有刀具的可移动臂的轴侧投影图；
图9是按照本发明在加工中心的主轴上更换刀具的过程中带有刀具的可移动臂的轴侧投影图；
图10是按照本发明具有两个刀具架的移动臂启动刀具更换器的轴侧投影图。
在所有的附图中，相应的数字表示相应的零部件。虽然这些图示出本发明的实施方案，可是并不是必须用这些图来表示比例，某些特征予以夸大以更好地说明和解释本发明。在此所举的例子以几种形式说明本发明，而这些实例并不以任何方式对本发明的范围构成限制。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在参照在附图中说明的实施方案，并用专门的语言对其进行叙述。这无论如何不应该理解为对本发明范围的限制。本发明包括了在所说明装置、叙述的方法的任何变化和进一步的改进，而且包括本发明原理的进一步应用，这对于本发明所涉领域的技术人员一般都会进行的。
图3示出操作地设置在框架71中的加工中心70。框架71包含有在加工中心中的切屑。加工中心70包括能够夹持刀具73的主轴72，该刀具用来加工零件75。工作台74位于加工中心70内，在主轴72的下面。加工的零件75放在工作台74的上面进行加工，一般用固定部件(未显示)紧固在工作台74上。主轴72连接在主轴电动机76上，该电动机给刀具73提供动力，使加工的零件成形。屏幕和控制板79以单独立着的设备的形式示出，可以是内置式的、移动式的或者是固定在框架71的机床的旋臂上。刀具更换器80安装在框架71的内部，刀具更换器80的入口门82邻接于框架71的门77。刀具更换器80的前侧与入口门82一起示出，用来使手进入刀具更换器80，更换刀具24，从刀具架20取出或者放入，包括在加工中心70运行时。滑动门78在加工中心70的前面，通过该门可以接近主轴72、加工件75和加工区110。在该机器的后面(未显示)通过进入门容易而方便地放入机械和电气零件。
如图4所示，刀具更换器80的框架81一般由梁和柱的组件组成。框架81为可移动臂30和刀具架20提供支撑，并提供可移动臂30和刀具架20的相对定位，以及把刀具更换器80固定在框架71内，使得可移动臂30能够接近刀具架20上的刀具并与主轴72发生关系。刀具更换器80的前面包括入口门82。框架81的底部一般由4根梁90组件构成，给刀具更换器80提供稳定性。4根梁90以每根梁90的一端汇聚到一点形成一个X形的梁组件，该点是刀具更换器底部的中心。3根垂直的柱91，即在刀具更换器80前面的两根柱91和在刀具更换器右侧的一根柱91焊接在刀具更换器80的底部，柱91的每一端焊接在梁90的外端。使用角钢94作为从水平梁90到垂直柱91的过渡部分而实现连接。刀具架20位于3根柱91的顶端，然后一根柱91在如图4中所示的位置上放在刀具架20上。
如图4所示，框架81还包括把手组件100，它固定在两根前柱91的顶端。把手组件100使得能够很容易把刀具更换器80放入加工中心70中和从其中取出。把手组件100一般由焊接在分开的两块钢板101和102上的把手103组成。把手组件100可以被附加的刀具架20补充或者代替，如图9所示。壁92的底部连接着底梁90，而壁92的顶部连接着一根杆104，杆104的另一端连接着垂直机构50的顶部。液压缸启动门83用铰链连接在壁92的一侧。两根杆95的顶端固定于刀具更换器80，以提升把手组件100，并且杆95的底端在刀具架20的边缘上。入口门82的一侧铰接在两根杆95中的一根上。
为了将刀具取出并装入加工中心70，该刀具更换器80包括为了夹持刀具而具有多个位置21的刀具架20。可移动臂构造和设置成使得能够在多个位置21和一个能够接近加工中心70主轴72的位置之间移动。每个位置21包括一个叉状体22，而每个叉状体22进一步具有多个尖头23。可移动臂30具有两个夹钳31，而两个夹钳31彼此成90°角。每个夹钳31具有两个指状体32，用于夹持在刀具上。可移动臂30与转动的垂直和水平运动机构连接，以使刀具架20在多个不同的水平面上。
如图4所示，可移动臂30与转动机构40相连。转动机构40包括一个电动机41，其一端连接于适配器46。然后适配器46连接于固定在刀具更换器80底部的耳状体47上。如图5所示，适配器46具有一个皮带轮42，它可由电动机41的轴带着转动。皮带轮42连接在皮带43的一端。皮带43的另一端连接于齿轮44的皮带轮48。齿轮44连接在刀具更换器80的底部，可以围绕着其中心转动。在这个示例性的实施例中，齿轮44的中心与刀具架20的中心是一致的。然而，由于可移动臂30能够沿着几个方向运动，转动机构40可以位于相对于刀具架20的其他位置。齿轮44一般设置在刀具架20内的中心位置。齿轮44的表面一般与垂直轴51相垂直。
如图6a和6b所示，齿轮44在其外径上具有多个齿49。在每个齿49之间存在着间隙，而且这些齿49一般是朝外的。在齿轮44上齿49的数目可以与刀具架20的位置数相当。传感器45连接于刀具更换器80的底部。使用来自加工中心70控制器的运算输入、传感器45给刀具架20上特定的刀具定位。传感器45参照可移动臂30相对于位置21的的刀具24和齿轮44的齿49来确定运算输入。对于具有更多刀具位置的结构，可以使用齿49的数目、齿轮44上洞39的数目或者其他物理指标，使用一个或更多的传感器，基于来自两个或更多传感器的输入进行计算。当加工中心70处于更换刀具的阶段时，电动机41就使其轴转动，该轴又带动适配器46上的皮带轮42转动。然后皮带轮42使皮带43转动，皮带43再使齿轮44的皮带轮48转动，并把齿轮转到一确定的位置。调整传感器45，使得齿轮44上的齿49的位置与连接在刀具架20的位置21上的特定刀具相对应。
如图4和图5所示，可移动臂30连接于垂直机构50。该垂直机构50包括一根垂直轴51，它一般设置在刀具架20内的中心位置。液压缸52一般设置成与垂直轴51的取向平行，并具有与可移动臂30操作连接的杆53。可移动臂30滑动地安装在垂直轴51上，使得当该杆53被液压缸52伸展或缩回时，可移动臂30在垂直轴51上移动的距离与杆53移动的距离相当。轴51在每端也可以具有传感器(未显示)，以检测可移动臂30所到达的位置，机床控制器可以用它来检测可移动臂30的位置或者限制其移动。
如图4、5、6a和6b所示，刀具更换器80与水平机构60相连。水平机构60包括围绕垂直轴51枢转的直线轨道61。直线轨道61也连接于两个垂直柱65，该柱位于垂直轴51的每一侧。两根垂直柱65有助于稳定沿着可移动臂30的垂直运动方向的直线轨道61。直线轨道61由组件63组成，组件63在其侧面开有水平的狭缝。组件63被夹在板状组件64之间。板状组件64由在直线轨道61每侧一块板组成。如图4所示，可移动臂30固定在板状组件每一侧的内表面上。液压缸62连接于可移动臂30，使得液压缸62带动可移动臂30在横向上移动。因此，可移动臂30和板状组件64同时沿着直线轨道61上的水平狭缝运动。
如图4所示，刀具更换器80包括一个入口门82，它位于刀具更换器80的一侧，供手工接近刀具架20上的刀具。入口门82的位置接近多个位置21中的一个，并且其尺寸允许手能够接近多个位置21中的一个。入口门82可包括另外一个用于夹持刀具的位置21。每当入口门82关闭时，该另外的位置21将沿着刀具架20的位置21设置。为了接近主轴72，液压缸启动的门83连接在刀具更换器80的一侧。当刀具更换器80安装在加工中心70内侧时，当液压缸启动门83关闭时，液压缸启动门83防止来自加工中心70的切屑进入刀具更换器80的室内。可以用液压缸84打开和关闭液压缸启动门83。
在另一个实施方案中，该刀具更换器可包括多个刀具架20。刀具架20可以如此排列，使得每一个刀具架20都在另一个刀具架的上面，中间有一个间隙。图10示出具有两个刀具架20的刀具更换器80。第二个刀具架20可安装在刀具更换器80的顶部，在底刀具架和顶刀具架之间留有间隙，该间隙的大小取决于要在刀具架中存放的刀具的尺寸和形状。
如图6a和6b所示，从可移动臂30的等待或空闲位置到夹持刀具的位置，可移动臂30运动到在刀具架20上预定的新刀具24。新刀具24替换在加工中心70主轴上的工作刀具73。可移动臂30转动并伸出，使得具有指状体32的夹钳31在刀具24的侧面。如图7和图8所示，然后指状体32就夹持住刀具24并牢固地抓住刀具24。然后可移动臂30缩回，旋转并传送到加工中心70的主轴72的位置。同时，门83打开，使得可移动臂30能够展开没有刀具的夹钳31，朝向主轴72上的刀具73。当夹钳31的指状体32靠在主轴72中的工作刀具73的侧面时，可移动臂30停止。然后指状体32抓着并牢固地抓住刀具73。然后可移动臂30向下传送，从主轴72上取下工作刀具73。可移动臂30再次转动，使得带有新刀具24的夹钳31直接到达主轴72的下面。然后由可移动臂30把新刀具24向上传送，把新刀具24插入主轴72中。夹钳31松开，指状体32不再夹持新刀具24。图9示出上面讨论的刀具更换步骤。可移动臂30缩回到等待位置，启动门83关闭上在刀具更换器80和加工中心70之间。
虽然以前面的附图和叙述详细地说明和描述了本发明，这些说明和叙述只被看作是说明性的而不是限定性的。应该理解，示出和叙述的只是一个优选的实施方案，在本发明精神之内的所有变化和改进都要受到保护。

Claims (8)

1.一种刀具更换器(80)，用来在加工中心(70)中取下和安装刀具，该加工中心(70)具有机械刀具(73)，刀具(73)具有用于夹持刀具的主轴(72)，所述刀具更换器包括：一个具有用来夹持刀具(24)的多个位置(21)的刀具架(20)、一个能够在所述多个位置和一个能够接近所述加工中心的主轴的位置之间移动的可移动臂(30)、一个能够检测所述可移动臂相对于所述多个位置的位置的传感器(45)和一个转动机构(40)，该转动机构(40)包括一个电机(41)、一个与该电机相连的皮带轮(42)、一条连接于所述电机和所述皮带轮的皮带(43)以及与所述皮带相连的齿轮(44)，其特征在于，所述齿轮(44)具有多个齿(49)，所述齿轮上每一个齿的位置对应于在所述刀具架上的一件刀具。
2.如权利要求1的刀具更换器，其特征在于，所述位置中的每一个还包括一个叉状体(22)。
3.如权利要求2的刀具更换器，其特征在于，所述叉状体的每一个具有多个尖头(23)。
4.如权利要求1的刀具更换器，其特征在于，所述移动臂具有两个夹钳(31)。
5.如权利要求4的刀具更换器，其特征在于，所述两个夹钳(31)中的一个设置成相对于所述两个夹钳中的另一个成90°角。
6.一种在加工中心(70)中取下和安装刀具用的刀具更换器，所述刀具更换器包括：一个具有用于夹持刀具(24)的多个位置(21)的刀具架(20)、一个能够在所述用于夹持刀具(24)的多个位置(21)之间移动的可转动臂(30)、一个转动机构(40)，该转动机构包括一个电动机(41)、一个连接于电动机的皮带轮(42)、一条连接所述电动机和所述皮带轮的皮带(43)和一个连接于所述皮带的齿轮(44)，其特征在于，所述齿轮具有多个齿(49)，所述刀具更换器进一步包括一个与所述刀具更换器相连的传感器(45)，用于检测所述齿轮的一个位置，所述齿轮上所述位置中的每一个对应于所述刀具架上的刀具中的一个。
7.一种加工中心(70)，它包括一个框架(71)，该框架包括可操作地设置在所述框架内的机床，所述机床包括能够夹持刀具(73)的主轴(72)，所述框架(71)进一步包括一个用于手工接近所述刀具架中的刀具的入口门(82)，该刀具架位于所述刀具更换器(80)一侧，所述靠近所述多个位置中的一个的入口门及其尺寸允许手工接近所述多个位置中的所述一个，所述入口门具有至少一个用于夹持刀具(24)的位置(21)，还包括一个具有用于夹持刀具(24)的多个位置的(21)的刀具架、一个能够移动到所述多个位置和靠近所述机床的转动臂(30)、一个能够检测所述转动臂相对于所述多个位置的位置的传感器(45)和一个转动机构(40)，该转动机构包括一个电动机(41)、一个连接于电动机的皮带轮(42)、一条连接所述电动机和所述皮带轮的皮带(43)和一个与所述皮带相连的齿轮(44)，其特征在于，所述齿轮(44)具有多个齿(49)，所述齿轮上每一个齿的位置对应于所述刀具架上的一个刀具。
8.如权利要求7的加工中心，其特征在于具有一个与所述刀具更换器的一侧相连的液压缸启动门(83)，当所述液压缸启动门处于打开的状态时，允许所述的臂接近所述主轴。
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