CN1923455A - 车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置 - Google Patents

Abstract

车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，装备在五轴车铣复合加工中心机床上，并有配套的电气、液压、冷却、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于在机床主轴箱上方设刀具支承框架，框架上横梁设有能够上升下降水平移动的专用机械手，刀具通过支座顺序安置在下横梁上，I号位设深孔钻削刀具、II号位设大型镗孔刀具，III、IV号位是同一机构倾斜45°或复位的相互转换，III位设置单侧燕尾夹紧板，IV号位右侧设置刀具推出油缸；在动力主轴箱侧面设置内燕尾槽刀座，在该刀座中段安装燕尾形夹紧机构；两种刀具均有短锥刀柄，及刀体卡持部位的外燕尾板。本设计的燕尾槽形配合件能限制五个自由度，既三个转动自由度和两个移动自由度，这样不论是刀具在框架中的抓取、交换，还是刀具在动力主轴箱上的固定，都大大简化了设计结构。

Description

车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置

技术领域

本发明涉及机械制造设备，机床中的车铣复合加工中心上大型镗钻刀具自动交换装置。

背景技术

车铣复合加工中心用的标准刀具包括：车削刀具、铣削刀具、钻、镗刀具等，各种标准刀具都是利用Capto桃形短锥刀柄，或HSK短锥刀柄等与动力主轴相连接，实现正常的切削功能。而备用刀具通常储存在轮形或链式刀库中，通过双头机械手抓取刀库中待用刀具与动力主轴上的刀具实现交换。但对于远远大于标准尺寸的大型长刀杆镗孔刀具，如80规格的车复合加工中心用的φ80×800mm长的镗刀杆，或者整体深孔钻头，只靠短锥刀柄与动力主轴连接就无法实现正常的切削加工，这是由于镗杆的支撑刚性明显不足。另外，这种大型刀具由于过重过长，也不能象标准刀具那样储存在一般刀库中。因此现阶段国内的五轴车铣复合加工中心，还不具备镗削加工深孔的功能。(孔径在100mm以上，孔深在400-800mm)。需要设计一种既要利用短锥刀柄和动力主轴牢固连接，以便实现刀具的准确定位，或兼传递旋转动力及输送冷却刀具的冷却液，又要具备辅助支承，以增强大型镗刀杆或深孔钻削刀具的刚性，使刀具能正常切削。

发明内容

本发明的目的是提供一种车铣复合加工中心大型镗钻削刀具自动交换装置，装备在五轴车铣复合加工中心上，实现大型镗孔刀具的镗削功能和深孔钻削功能，并且实现刀具的自动抓取交换。

车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，装备在五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、冷却、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于在机床主轴箱上方设刀具支承框架，框架上横梁设有能够上升下降水平移动的专用机械手，刀具通过支座顺序安置在下横梁上，I号位设深孔钻削刀具、II号位设大型镗孔刀具，III、IV号位是同一机构倾斜45°或复位的相互转换，III位设置单侧燕尾夹紧板，IV号位右侧设置刀具推出油缸；在动力主轴箱侧面设置内燕尾槽刀座，在该刀座中段安装燕尾形夹紧机构；两种刀具的刀体上均有短锥刀柄，其刀体卡持部位有外燕尾板。

本发明在五轴复合加工中心机床上，实现深孔钻削刀具和大型镗孔刀具的自动抓取交换功能，解决了三个技术关键问题，即刀具的存放和交换、刀具的送出和取回、刀具在动力主轴上的固定。

在本发明中，对大型刀具的辅助支承是在动力主轴箱的侧面增加一个内燕尾槽刀座，在刀具的刀体中设计有一个与上述内燕尾槽刀座和送刀夹紧板相配合的刀体外燕尾板，刀座中的夹紧机构采用了简单的斜面原理、杠杆原理，由活塞、顶杆、顶丝、夹紧块组成了一个增力卡紧机构。因此，卡紧刀体时，输入一个较小的液压动力就可以获得较大的卡紧力。当刀具的刀柄插入动力主轴的刀柄孔时，内燕尾槽刀座与外燕尾板是较松的配合，而当动力主轴内部的刀具拉紧系统将刀柄拉紧，实现刀具的准确定位后，内燕尾槽刀座中的夹紧块把刀体上的外燕尾板卡紧，给长的刀具以辅助支承，这样就可使大型刀具牢固的固定在动力主轴箱上，来完成镗、钻深孔的加工。

本发明设计的燕尾槽形配合件能限制五个自由度，既三个转动自由度和两个移动自由度，这样不论是刀具在框架中的抓取、交换，还是刀具在动力主轴箱上的固定，都大大简化了设计结构。

大型钻镗刀具在动力主轴上的固定，一是靠动力主轴内部的刀具拉紧系统，将刀体上的短锥刀柄拉紧，实现刀具的准确定位。二是靠动力主轴箱侧面燕尾槽刀座中的夹紧块，卡紧刀具刀体的外燕尾板。本发明的创造性在于燕尾槽刀座中的夹紧机构，为刀具固定增设辅助卡紧，增强长刀具的刚性。

附图说明

图1是刀具支承框架中钻镗刀具位置及专用机械手位置图；

图2是单侧燕尾夹紧板结构示意图；

图3是翻转45°的单侧燕尾夹紧板示意图；

图4是刀具送出取回油缸与卡爪俯视图；

图5是动力主轴箱侧面燕尾槽刀座卡紧结构示意图；

图6是自动交换装置的液压配置原理图；

图6.1是燕尾槽刀座卡紧松开液压控制回路；

图6.2是专用机械手上升下降油缸液压控制回路；

图6.3是专用机械手松卡油缸液压控制回路；

图6.4是单侧燕尾夹紧板翻转油缸液压控制回路；

图6.5是单侧燕尾夹紧板油缸液压控制回路；

图6.6是推拉板夹紧卡爪油缸液压控制回路；

图6.7是刀具送出取回油缸液压控制回路；

图7是自动交换装置的控制流程图；

图8是刀体卡持部位外燕尾板示意图；

具体实施方式

车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，装在五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、冷却、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于机械部分包括下列三部分：

1.刀具的存放和交换

刀具在框架内的选取和交换是由专用机械手及其水平移动、夹持机构完成的。

在机床主轴箱上方设置刀具支承框架，见图1：在框架的上横梁设专用机械手，在框架下横梁6上设置刀具支座7，刀具支座的I号位放置钻深孔钻头；II号位放置大型镗刀杆。III号位置和I、II号位置等高平行，这样便于专用机械手抓取、交换刀具。将III号位置倾斜45°即是IV号位置，是刀具送出前的准备位置，实际上是同一机构的静\动态转换。IV号位置和动力主轴箱内燕尾槽刀座27的侧面平行，便于刀具送出时和动力主轴箱的连接。专用机械手1与液压缸2连接，液压缸2的活塞杆伸缩，可以使专用机械手下降上升。图1中机械手的位置为抓取钻孔刀具后的上升状态。由伺服电机、滚珠丝杠、带轮组等组成的机械手移动机构5，可以使机械手1沿导轨8向左右移动，把I号位的钻孔刀具3或II号位的镗孔刀具4送到III号位置上，III号位置设夹持机构是单侧燕尾夹紧板9。单侧燕尾夹紧板9一侧有55°燕尾形挡边，另一侧下端销轴铰链式连接着弧形压板10的下端，弧形压板10中部用销轴与液压缸中的活塞杆11铰链连接。

从图1中可见：在刀具3或4的刀体上设计有用于辅助支承的外燕尾板32，其形状见图8：刀具的刀体：刀体卡持部位的外燕尾板形状为横向矩形体与一端长方体立面的组合，矩形体截面为矩形的上、下面均有凸出的燕尾形；长方体立面上部中间装有短锥刀柄33，刀具垂直于立面固定：深孔钻削刀具3与长方体上的短锥刀柄同轴安装，大型镗孔刀具4安装在立面下部，与燕尾矩形体平行。

2.刀具的送出和取回

刀具3或4由专用机械手从I号位或II号位抓取，放到III号位单侧燕尾夹紧板9上，单侧燕尾夹紧板9把刀具卡紧后再翻转45°至IV号位时，如图3所示，完成送出前的准备工作。

单侧燕尾夹紧板9由两个滑块12支承在垂直于横梁6的直线导轨13上，见图2：直线导轨13又固定在翻转板14上，翻转板14由两个铰链支座15支承。翻转板一侧和刀具翻转油缸16的活塞杆前端铰链连接，油缸体的另一端和支座18用一个销轴铰链连接，支座18固定在横梁6之上的底板17上。翻转板14与翻转油缸16活塞杆铰接一侧的下部设有调整顶丝31，固定在底板17上，以保持翻转板14静止时的水平状态，同时在翻转板14另一侧下部的下横梁6上也设调整顶丝31，以保证翻转板14的45°翻转角度。在单侧燕尾夹紧板9的一侧固定有推拉板19，见图2，在送出油缸20的活塞杆前端固定有靠液压驱动的卡爪21，见图4。

3.刀具在动力主轴上的固定

结合图5说明：在动力主轴箱侧面设计有内燕尾槽刀座27，在燕尾槽刀座27中段垂直安装夹紧机构。夹紧机构包括在刀座27宽度的中部设有液压油动力驱动的活塞22、活塞配置复位弹簧28六件，成圆周均匀分布，在活塞22两侧对称设置有顶杆23、夹紧块25；夹紧块25上装有调整顶丝24、复位弹簧29，夹紧块由销轴26固定在槽两侧，夹紧块25可以绕销轴26转动。活塞22的杆前部两斜面体抵靠槽内两侧顶杆23的一端斜面，两顶杆23另一端的球面顶住夹紧块25上的调整顶丝24，构成增力夹紧机构。

为使上述机械部分做动作，为所增加的镗、钻刀具自动交换装置设置七个基本液压回路：燕尾槽刀座卡紧松开液压控制回路，见图中6.1、专用机械手上升下降油缸液压控制回路，见图6.2、专用机械手松卡油缸液压控制回路，见图6.3、单侧燕尾夹紧板翻转油缸液压控制回路，见图6.4、单侧燕尾夹紧板油缸液压控制回路，见图6.5、推拉板夹紧卡爪油缸液压控制回路，见图6.6、刀具送出取回油缸液压控制回路，见图6.7；这七个基本回路并联于液压主回路中，P口为压力油进油口，T口为回油口，B、A口分别为进入作业部件油缸的油路。在每一个液压控制回路中，都配有减压阀。见图6：作业中，根据作业程序，每个液压控制回路的特点，调整压力的大小，以保证各个液压控制回路，都能安全正常工作。为了给动力主轴箱侧面增加的燕尾槽刀座及卡紧机构提供动力，在动力主轴箱体上增加进油孔、装配活塞的油缸孔及设相关的螺纹孔等。主轴箱体下方的配油轴和配油套，也换成比原件多一个进油口的新零件。

另外在机械手上升下降油缸液压控制回路、刀具夹紧板翻转油缸液压控制回路、刀具送出取回油缸液压控制回路中，为了使运动部件在运动接近终了时，防止冲击使速度减缓，都增加了调速阀，这样可以确保运动部件运动的平稳性。

冷却部分：刀具上的短锥刀柄和动力主轴连接后，切削时所用的冷却液，可通过短锥刀柄进入刀杆直喷切削部位，实现刀具的冷却。短锥刀柄内腔的冷却液通孔直接连通深孔钻削刀具的内腔，大型镗孔刀具的冷却液通道由刀体立面中的冷却液通道与短锥刀柄内腔相接通。

同时，深孔钻削刀具还要利用短锥刀柄传递切削时的旋转动力。

为实现车铣复合加工中心对本发明两种大型刀具的自动控制，在液压系统中按设备自动化操作技术需要配置了电气控制回路：按设备自动化操作技术需要配置了电器：在设备中液压油缸进出油口处都分别设置相应的电磁换向阀，以及信号检测部件等，并通过PLC接口与控制系统实现电路连接。

结合图7说明本装置的控制系统：控制系统方面采用了西门子高端数控产品Sinumerik 840D，并使用西门子Simodrive 611D进行驱动，实现了半闭环控制。这种控制方式能够实现高精度快速定位，同时更方便与机械调整。中心控制系统的PLC输出口，通过驱动继电器的触点分别与相对应的液压回路中油缸换向电磁阀及其它电器件有电路连接。机床中心控制系统在MDA或自动状态使用T码为刀具调用指令，执行换刀程序；换刀程序中由M代码与G代码组成，M代码控制电磁换向阀的电磁铁YV30-YV47，实现油缸运动，G代码为系统基本功能指令，控制专用机械手伺服电机及X、Y、Z、B轴伺服电机和动力主轴电机，控制伺服轴移动与差补。

本加工中心机床上增设两种大、长刀具的使用状态：用以输送刀具的单侧燕尾夹紧板9，静止时是水平放置的，和I、II号位刀具支座7等高平行，见图1，这样便于放置刀具。当活塞杆11被液压油驱动而左右移动时，弧形压板10则绕着压板下端的销轴旋转，使压板相对于另一侧的55°燕尾挡边，产生一个打开合上的动作，因此可以松开或卡紧放在单侧燕尾夹紧板上的刀具的刀体。当油缸16的活塞杆伸出时，活塞杆推动翻转板14绕着铰链支座15的轴心线转动45°，在翻转板14上的单侧燕尾夹紧板9也一起翻转，即由III号位状态转换到IV号位状态，见图3，当单侧燕尾夹紧板9翻转45°处于IV号位状态后，固定在其上面的推拉板19旋转到张开的卡爪21之间，卡爪21将推拉板19夹紧后，送出油缸20推动单侧燕尾夹紧板9沿着导轨13滑动，使单侧燕尾夹紧板9连同卡持的刀具，送出到与动力主轴箱相连接的准确位置，即刀具体上的短锥刀柄插入到动力主轴的刀柄孔内，刀体外燕尾板32的上燕尾与动力主轴箱侧面的内燕尾槽刀座27较松配合，当动力主轴内部的刀具拉紧系统，拉紧刀柄并实施刀具的准确定位后，内燕尾槽刀座27中的夹紧机构开始动作。这个过程是：当压力油由进出油孔30进入活塞22左端时，活塞22右移，活塞22杆上两斜面推动两侧顶杆23的斜面，两顶杆23分别向两侧移动，两顶杆23两端的球面分别推动固定在两侧夹紧板块25上的两调整顶丝24，两夹紧块25受推力后，各自绕销轴26旋转，使夹紧块25斜面产生下压动作，从而卡紧插入燕尾槽刀座27内的刀体上外燕尾板32的上燕尾，实现刀具的辅助夹紧。此后，单侧燕尾夹紧板9上的弧形压板10将卡持的外燕尾板32的下燕尾松开，送出油缸20的液压油路换向，送出油缸20的活塞杆带动其上的送刀机构退回到框架内的IV号位置。这样，换刀装置就完成了一次刀具自动装卡的操作过程，就可以进行正常的镗、钻深孔的切削加工了。需要松开刀具时，液压油缸卸压，夹紧块25和活塞22靠弹簧29和28的弹力复位，即可使刀具松开。

执行系统控制程序的换刀流程：

1、换刀前，首先确保动力主轴上无刀具，然后在控制系统界面上选择“MDA”手动输入方式或“自动”状态，运行T码调用刀具功能指令。

2、PLC接口程序接收到系统内部发出的换刀信号，自动处理“判断新刀所在位置”指令，判断完毕后，PLC程序将该位置的坐标值以R参数的形式将信息反馈给系统换刀程序，换刀程序随后即将该位置的坐标值取出，转换为预先调整好的座标值，并使用G代码控制专用机械手电机运动到该坐标位置。

3、专用机械手到位后，换刀程序继续执行取刀的M代码，将新刀具从原位取出，然后，换刀程序使用G代码控制专用机械手运动到III位置。

4、专用机械手到位后，换刀程序继续执行放刀的M代码，将新刀具放进III位置；当放刀动作完成后，再执行翻转板转位指令，将III位置旋转45°使新刀具进入IV号送刀位置。

5、至此，刀库内的刀具准备工作结束，换刀程序开始使用G代码将X、Y、Z、B及动力主轴运动插补运行至预先设定好的换刀位置，等待换刀。

6、换刀开始：首先，换刀程序执行拉门的M代码将刀库拉门打开，接着执行送刀的M代码，将新刀具装入动力主轴，然后执行拉刀定位的M代码及燕尾槽刀座锁紧的M代码，将刀具牢固地卡紧在动力主轴上，至此，刀具更换成功。

7、执行退刀的M代码，将送刀机构退回。

8、执行拉门关的M代码，换刀结束。

Claims (7)

1、车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，装备在五轴车铣复合加工机床上，并有配套的电气、液压、冷却、控制部分与机床上的系统对应结合，其特征在于在机床主轴箱上方设刀具支承框架，框架上横梁设有能够上升下降水平移动的专用机械手，刀具通过支座顺序安置在下横梁上，I号位设深孔钻削刀具、II号位设大型镗孔刀具，III、IV号位是同一机构倾斜45°或复位的相互转换，III位设置单侧燕尾夹紧板，IV号位右侧设置刀具推出油缸；在动力主轴箱侧面设置内燕尾槽刀座，在该刀座中段安装燕尾形夹紧机构；两种刀具的刀体上均有短锥刀柄，及供卡持部位的外燕尾板。

2、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于单侧燕尾夹紧板一侧有55°度燕尾形挡边，另一侧有弧形压板，弧形压板中部用销轴与液压油缸中的活塞杆铰链连接，弧形压板下端用销轴铰接在单侧燕尾夹紧板下端；燕尾夹紧板由直线导轨上的两个滑块支承，直线导轨固定在翻转板上，翻转板由两个铰链支座支承，翻转板一侧和翻转油缸的活塞杆前端铰链连接，翻转油缸的另一端用销轴铰链连接支座，该支座固定在横梁之上的底板上；翻转板与翻转油缸活塞杆铰接一侧下部设有调整顶丝，固定在底板上，同时在翻转板另一侧下部的下横梁上也设调整顶丝。

3、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于在动力主轴箱侧面设有内燕尾槽刀座，刀座中段垂直设夹紧机构；夹紧机构是在槽内对称设置夹紧块和顶杆，夹紧块由销轴固定在槽两侧，内有复位弹簧；夹紧机构中部设活塞和活塞复位弹簧，活塞杆前部两斜面体与顶杆的一端斜面相互抵靠、两顶杆另一端的球面顶住夹紧块上的调整顶丝。

4、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于刀具与刀体：刀体卡持部位的外燕尾板形状为横向矩形体与一端长方体立面的组合，矩形体截面为矩形的上、下面均有凸出的燕尾形；长方体立面上部中间装有短锥刀柄，刀具垂直于立面固定：深孔钻削刀具与长方体上的短锥刀柄同轴安装，大型镗孔刀具安装在立面下部，与燕尾矩形体平行。

5、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于为两个刀具作业设置的七个基本液压回路分别是：专用机械手上升下降油缸液压控制回路、单侧燕尾夹紧板翻转油缸液压控制回路、专用机械手松卡油缸液压控制回路、燕尾槽刀座卡紧松开液压控制回路、单侧燕尾夹紧板油缸液压控制回路、推拉板夹紧卡爪油缸液压控制回路、刀具送出取回油缸液压控制回路；在每一个液压回路中，都配有减压阀；这七个基本回路并联于液压主回路中，P口为压力油进油口，T口为回油口，B、A口分别为进入作业部件油缸的油路。

6、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于冷却部分：短锥刀柄内腔的冷却液通孔直接连通深孔钻削刀具的内腔，大型镗孔刀具的冷却液通道由刀体立面中的冷却液通道与短锥刀柄内腔相接通。

7、根据权利要求1所述的车铣复合加工中心大型镗钻刀具自动交换装置，其特征在于控制系统的PLC输出口，分别与相对应的液压回路中油缸进出油口处的电磁换向阀有电路连接，控制系统在MDA或自动状态使用T码为刀具调用指令，实施换刀程序；换刀程序中由M代码与G代码组成，M代码控制电磁换向阀的电磁铁的导通或断开，实现油缸运动，G代码为系统基本功能指令，控制专用机械手伺服电机及X、Y、Z、B、动力主轴电机，控制伺服轴移动与差补。

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