CZ20453U1 - Manipulátor pro automatickou výměnu nástrojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce jednovačkového manipulátoru pro automatickou výměnu nástrojů, které je využitelné zejména u CNC frézovacích center.

Dosavadní stav techniky

V současné době se u zařízení pro automatickou výměnu nástrojů používají manipulátory napichovacího nebo zasekávacího typu, které se liší svým kinematickým uspořádáním. U manipulátorů napichovacího typu, používaných zejména u velkých strojů, koná pohyb jak rameno tak celý manipulátor, kdežto u zasekávacích manipulátorů veškeré pohyby vykonává pouze rameno.

Vzhledem ke skutečnosti, že zasekávací manipulátory umožňují rychlejší výměnu nástrojů, jsou používány častěji a pro jejich konstrukci je využíváno několik konstrukčních koncepcí. Řešení využívající kombinace lineárních a rotačních hydromotorů je velmi spolehlivé, umožňuje manipulaci s těžkými nástroji, ale rychlost výměny nástrojů je pomalá a ekologie provozu těchto zařízení je v mnoha případech nedostačující. Rovněž se používají pohony tvořené kombinací lineár15 ního elektromotoru a servopohonu nebo momentového motoru. Tato řešení jsou konstrukčně poměrně jednoduchá a provozně spolehlivá, když jejich nevýhodou je poměrně malá nosnost značná pořizovací cena.

Nejčastěji se pro automatickou výměnu nástrojů používají dvouvačkové manipulátory zasekávacího typu, jejichž hlavní pohyby jsou realizovány mechanizmem obsahujícím globoidní a radiální vačku. Radiální vačka zajišťuje translační pohyb při výsunu nástroje a pomocí globoidní vačky se realizuje rotační pohyb ramene s upnutými nástroji. Tato řešení zajišťují velkou rychlost a spolehlivost výměny nástrojů a jako příklady jejich řešení je možno uvést konstrukce uvedené ve spisech JP 2000-024862, JP 2000-126966, JP 62-282840, US 5337623, DE 102006009432, DE 10354442, DE 10354441 a dalších. Použití mechanizmu využívajícího dvou radiálních vaček je pak popsáno ve spise FR 2706341.

Cílem předkládaného řešení je představit novou unikátní koncepci manipulátoru jednoduché konstrukce, která odstraňuje globoidní vačku a nahrazuje její funkci, čímž se značně sníží výrobní náklady, a tím i pořizovací cena zařízení.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je manipulátor pro automatickou výměnu nástrojů uložený ve skříni opatřené odnímatelným víkem, jehož vnitřní mechanismus je vyveden vně jednak pro spřažení s hnací jednotkou a jednak pro spřažení s manipulačním ramenem, uzpůsobeným pro zajištění výměnného uchycení nástrojů, kde podstata řešení spočívá v tom, že vnitřní mechanismus manipulátoru sestává z vačky, která je upevněna na rotační vačkové hřídeli vyvedené vně skříně a která je opatřena radiální vodicí drážkou, v níž jsou suvně uloženy vodicí kladka rotace a vodicí kladka translace, které jsou přes konstrukční uzel rotace a uzel translace spřaženy s hlavní hřídelí, na jejímž volném konci vyvedeném vně skříně je suvně uloženo manipulační rameno, přičemž vodicí kladka rotace a vodicí kladka translace jsou umístěny v rovinách procházejících podélnou osou vačky, které jsou vzájemně pootočeny o 90°.

Ve výhodném provedení je vačková hřídel rotačně uložena ve víku a hlavní hřídel je svým spodním koncem rotačně uložena v ložiskovém pouzdru skříně, ve střední části je uzpůsobena pro spřažení s uzlem rotace a její volný konec vyvedený vně skříně je uzpůsoben pro suvně uložení manipulačního ramena.

Je rovněž výhodné když uzel rotace obsahuje suvně uložený hlavní hřeben, k němuž je připevně45 na vodicí kladka rotace a který je v záběru s hlavní hřídelí. V optimálním případě je uzel rotace tvořen vodicím tělesem, které je jednak opatřeno výřezem a jednak bočními vedeními, mezi nimiž je suvně uložen hlavní hřeben, na jehož spodní straně je vytvořena upínací kostka pro při-1 CZ 20453 Ul pevnění vodící kladky rotace, kde poloha hlavního hřebene je ve vodicím tělese vymezena podélnou boční vymezovací lištou a dvěma horními priložkami, přičemž hlavní hřeben je opatřen podélnou středovou drážkou, v níž je suvně uložen vymezovací hřeben, který je pomocí sestavy talířových pružin uložených na vodicím čepu a opírajících se o dorazovou kostku dotlačován do záběru s ozubením pastorku hlavní hřídele.

Dále je výhodné, když uzel translace je jednak rotačně uchycen ve skříni a jednak je spřažen s unašečem manipulačního ramena, který je suvně uložen na hlavní hřídeli. Při optimálním řešení je uzel translace tvořen pákou translace ve tvaru třmene sestávajícího ze dvou podélníků spojených nosným čepem, kde nosný čep je rotačně uložen ve spojovací kostce připevněné ke skříni, kde k jednomu z podélníků je v jeho střední části z vnější strany upevněna vodicí kladka translace a volné konce podélníků jsou opatřeny směrem dovnitř situovanými unášecími kladkami suvně nasunutými mezi nákružky unašeČe manipulačního ramena, přičemž k unašeči je pomocí aretačniho prstence připevněna rozváděči kostka, která je suvně uložena ve sloupovém vedení vytvořeném souběžně s podélnou osou hlavní hřídele a vybaveném pro upevnění ke skříni.

Konečně je výhodné, když manipulační rameno je tvořeno nosným tělesem, které je upevněno k unašeči a ve kterém jsou suvně uložena kleštinová tělesa, v jejichž koncových částech jsou uloženy rozevíratelné kleštiny. Při optimálním řešení je nosné těleso jednak na unašeči připevněno pomocí svěmého pouzdra, jednak jsou k němu symetricky vzhledem k jeho středovému otvoru upevněny pohonné agregáty a pomocí svých lineárních vedení i kleštinová tělesa, v jejichž čel20 nich zářezech jsou rotačně uloženy dělené kleštiny a jednak jsou v koncových částech nosného tělesa bočně připevněny omezovače rozevření kleštin, přičemž na unašeči je pod nosným tělesem upevněn rozváděči prstenec, který je přes vývrty v unašeči a rozváděči kostku propojen na zdroj tlakového média sloužícího k ovládání pohonných agregátů.

Popis obrázků na připojených výkresech

Konkrétní příklad provedení technického řešení je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je celkový čelní axonometrický pohled na manipulátor, obr, 2 je podélný řez manipulátorem z obr. 1 v ose hlavní hřídele, obr. 3 je čelní axonometrický pohled na vnitřní mechanismus manipulátoru s odstraněnou vač30 kou, obr. 4 je zadní axonometrický pohled na spodní část vnitrního mechanismu manipulátoru s vačkou uloženou na vačkové hřídeli, obr. 5 je příčný řez manipulátorem v ose vačkové hřídele, obr. 6 je axonometrický pohled na vačku, obr. 7 je čelní pohled na vačku se znázorněním sledu pohybů manipulátoru, obr. 8 je axonometrický pohled na uzel rotace ze strany vodicí kladky rotace, obr. 9 je axonometrický pohled na uzel rotace ze strany hřebenů, obr. 10 je explodovaný pohled na uzel rotace z obr. 9, obr. 11 je axonometrický pohled na celkový uzel translace, obr. 12 je axonometrický pohled na uzel translace z obr. 11 bez sloupového vedení, obr. 13 je axonometrický pohled na uzel translace z obr, 12 bez rozváděči kostky, obr. 14 je axonometrický pohled na manipulační rameno, obr. 15 je explodovaný pohled na manipulační rameno z obr. 14, a obr. 16 je schematické znázornění sledu výměny nástrojů v manipulátoru.

Příklady provedeni technického řešení

Manipulátor sestává ze skříně I opatřené víkem 2, které jsou rozebíratelně spojeny, s výhodou skolíkovány a sešroubovány. Ve skříni Ije uložen celý vnitřní mechanismus manipulátoru, který je vyveden vně jednak přes víko 2 pro spřažení s hnací jednotkou 3, tvořenou Šnekovou převodovkou 301 a elektromotorem 302, a jednak přímo boční stěnou skříně I pro spřažení s manipu50 lačním ramenem 4, uzpůsobeným pro zajištění výměnného uchycení neznázoměných nástrojů.

-2CZ 20453 Ul

Vnitřní mechanismus sestává z vačky 5 upevněné na vačkové hřídeli 6, která je rotačně uložena ve víku 2 a její konec je vyveden vně víka 2 a je uzpůsoben pro spřažení s hnací jednotkou 3. Ve vačce 5 je vytvořena radiální vodicí drážka 51, v níž jsou suvně uloženy vodicí kladka 2 rotace a vodicí kladka 8 translace, které jsou přes konstrukční uzel 9 rotace a uzel 10 translace spřaženy s hlavní hřídelí 11, na jejímž volném konci vyvedeném vně skříně 1 a opatřeném podélným drážkováním 112 je pomocí unášeče 41 suvně uloženo manipulační rameno 4. Vodicí kladky 7 a 8 jsou umístěny v rovinách procházejících podélnou osou vačky 5, které jsou vzájemně pootočeny o 90°. Hlavní hřídel U je pak svým spodním koncem rotačně uložena v ložiskovém pouzdru 1001 skříně 1 a ve střední části je opatřena pastorkem 111 pro spřažení s uzlem 9 rotace.

ío Uzel 9 rotace je tvořen konstrukční sestavou, obsahující vodicí těleso 91 opatřené výřezem 911, mezi jehož bočními vedeními 912 je suvně uložen hlavní hřeben 92, na jehož spodní straně je vytvořena upínací kostka 921 pro připevnění vodicí kladky 7 rotace. Poloha hlavního hřebene 92 ve vodicím tělese 91 je vymezena podélnou boční vymezovací lištou 93 a dvěma horními priložkami 94. Hlavní hřeben 92 je opatřen podélnou středovou drážkou 922, v níž je suvně uložen vymezovací hřeben 95, který je pomocí sestavy talířových pružin 96 uložených na vodicím čepu 97 a opírajících se o dorazovou kostku 98 dotlačován do záběru s ozubením pastorku 111 hlavní hřídele JT> jak je patmé z obr. 4. Tímto uspořádáním je zajištěn bezvůlový chod tohoto převodu.

Uzel 10 translace je tvořen sestavou, jejímž nosným konstrukčním prvkem je monolitická páka 101 translace ve tvaru třmene sestávajícího ze dvou podélníků 1011 spojených nosným čepem

1012. Nosný čep 1012 ie rotačně uložen ve spojovací kostce 1013. která je upravena pro připevnění ke skříni 1. K jednomu z podélníků 1011 je v jeho střední části z vnější strany upevněna vodicí kladka 8 translace a volné konce podélníků 1011 jsou opatřeny směrem dovnitř situovanými unášecími kladkami 1014, vytvořenými tak, aby umožňovaly nasunutí mezi nákružky 411 unášeče 41 manipulačního ramena 4. Uzel 10 dále obsahuje rozváděči kostku 1015, která je po25 mocí aretačního prstence 1016 připevněna k unašeči 41 a která je suvně uložena ve sloupovém vedení 1017 vytvořeném souběžně s podélnou osou hlavní hřídele JT a vybaveném pro upevnění ke skříni 1- Rozváděči kostka 1015 je pak opatřena přívodními konektory 1018 pro umožnění propojení s neznázorněným rozvodem tlakového média.

Manipulační rameno 4 je tvořeno nosným tělesem 42, které je svým středovým otvorem 421 na30 sazeno na unašeč 41, kde je jeho poloha zafixována pomocí svěmého pouzdra 43. K nosnému tělesu 42 jsou symetricky vzhledem ke středovému otvoru 421 upevněny pohonné agregáty 44 a pomocí svých lineárních vedení 451 i kleštinová tělesa 45, která jsou spřažena s neznázoměnými výstupními Členy pohonných agregátů 44 vykonávajícími translační pohyb. V čelních zářezech 452 kleštinových těles 45 jsou rotačně uloženy dělené kleštiny 46 dostředně stahované neznázor35 něnou pružinou. V koncových částech nosného tělesa 42 jsou bočně připevněny omezovače 47 rozevření kleštin 46, provedené s výhodou ve formě plochých destiček. Na unašeči 41 je pod nosným tělesem 42 rovněž upevněn rozváděči prstenec 48, který je přes neznázoměné vývrty ve stěně unášeče 41 a rozváděči kostku 1015 propojen rovněž neznázoměnými flexibilními tlakovými hadicemi na zdroj tlakového média sloužícího k ovládání pohonných agregátů 44.

Činnost manipulátoru bude níže popsána pomocí schémat obr. 16, zachycujících jednotlivé polohy funkčních uzlů rozdělené do osmi fází A) až F) s odkazem na pozice 1 až 4 vodicích kladek 2 a 8 znázorněné na obr. 7.

Ve výchozí poloze ad A) manipulátoru je jeho manipulační rameno 4 vysunuto do homí úvrati a kleštiny 46 jsou zasunuty, vodicí kladka 8 translace se nachází v pozici 1 z obr. 7 a vodicí kladka

2 rotace v pozici 2 téhož obrázku. V okamžiku, kdy neznázoměný vřeteník s nástrojem zaujme předem definovanou polohu pro výměnu a zásobník nachystá požadovaný nástroj, je pomocí rozváděči kostky 1015 přivedeno tlakové médium do pohonných agregátů 44, čímž dojde k vysunutí kleštin 46, což je znázorněno na obr. 16 ve fázi B). Tento pohyb zajistí odblokování aretace kleštin 46 a jejich nasunutí na nástroj. Dalším krokem je roztočení šnekové převodovky 301 hnací jednotky 3, a tím i vačky 5, kdy vačka 5 provede pootočení o 90° ve směru hodinových ručiček, během něhož dojde k translaci manipulačního ramene 4 do spodní úvrati, která je zachycena ve fázi C). Přitom se vodicí kladka 8 translace přesune do pozice 2 a vodicí kladka ]_ rotace

-3CZ 20453 Ul do pozice 3 obr. 7. V návaznosti na vedení ve vodicí drážce 51, jejíž tvar je navržen dle standardních metod, mění vodicí kladka 8 translace svoji polohu a v návaznosti na spojení s pákou 1Q1 translace, která je uložena rotačně, vykonává vodicí kladka 8 translace pohyb po kružnici. Tento pohyb je přenášen na páku 101 translace a dále pomocí dvojice unášecích kladek 1014 na unašeč

41 manipulačního ramene 4, který je suvně uložen na hlavní hřídeli 1L Díky pevnému spojení unašeče 41 s nosným tělesem 42 dochází k translaci celého manipulačního ramene 4 a jeho přesunu do spodní úvrati. Vodicí kladka 7 rotace v této fázi nemění svoji polohu, protože vodící drážka 51, v níž je v této fázi vedena, má konstantní poloměr.

Po dosažení spodní úvrati manipulačního ramene 4, znázorněného ve fázi D) obr. 16, se provede io zasunutí kleštin 46, a to pomocí přesměrování toku tlakového média do opačné větve, čímž dojde k mechanickému zablokování rozevření kleštin 46 pomocí omezovače 47 a zabrání se tak možnosti uvolnění nástroje během rotace manipulačního ramene 4. Po dokončení zasunutí kleštin 46 se vačka 5 otočí o dalších 90°, přičemž dojde k přesunutí vodicí kladky 8 translace z pozice 2 do pozice 3 a vodicí kladky 7 rotace z pozice 3 do pozice 4 obr. 7. Vodicí kladka 8 translace nemění v této fázi svoji polohu, protože radiální vodicí drážka 51, v níž je vedena, má v této části konstantní poloměr. Vodicí kladka 7 rotace je však v této fázi nucena změnit svoji polohu a v důsledku jejího spojení se suvně uloženým hlavním hřebenem 92 uzlu 9 rotace může vykonávat pouze translační pohyb. Tento se pak pomocí ozubeného převodu přenáší na pastorek 111 hlavní hřídele li, čímž dojde k transformaci translačního pohybu na rotační. Rotační pohyb hlavní hří20 dele H je pomocí drážkování přenášen na unašeč 41, a tím i na celé manipulační rameno 4. Po dokončení rotačního pohybu se provede opětovné vysunutí kleštin 46, jak je znázorněno ve fázi E) obr. 16, čímž dojde k mechanickému odblokování rozevření kleštin 46 omezovači 42.

Po dokončení vysunutí kleštin 46 dojde k dalšímu pootočení vačky 5 o 9O⁰ ve směru hodinových ručiček, a dojde k přesunutí vodicí kladky 8 translace z pozice 3 do pozice 4 a vodicí kladky 7 rotace z pozice 4 do pozice 1 obr. 7. Vodicí kladka 8 translace je v této fázi vlivem změny poloměru vodicí drážky 51 nucena změnit svoji polohu a v důsledku spojení s pákou 101 translace, která je uložena rotačně, vykonává vodicí kladka 8 translace pohyb po kružnici. Díky vzájemnému spřažení konstrukčních prvků, popsaných výše u schématu pro fázi C) pohybu manipulátoru, dochází k přesunu manipulačního ramena 4 do homí úvrati pohybu, jak je znázorněno ve fázi F) obr. 16. Vodicí kladka 8 translace v této fázi nemění svoji polohu, protože vodicí drážka 51, v níž je v této fázi vedena, má konstantní poloměr.

Po dosažení homí úvrati pohybu manipulačního ramene 4, kdy dojde k zasunutí nástrojů do vřeteníku a zásobníku, se provede zasunutí kleštin 46, čímž dojde k uvolnění nástrojů a ukončení výměny. Aby bylo možné provést další výměnu, je potřeba dokončit rotaci vačky 5 o dalších 90° ve směru hodinových ručiček. Při tomto pootočení dojde k přesunu vodicí kladky 2 translace z pozice 4 do pozice 1 a vodicí kladky 2 rotace z pozice 1 do pozice 2 obr. 7. Vodicí kladka 8 translace při tomto přesunu nemění svoji polohu a vodicí kladka 2 rotace naopak svoji polohu mění. V důsledku jejího spojení se suvně uloženým hlavním hřebenem 92 uzlu 9 rotace a následně s dalšími konstrukčními prvky manipulátoru, který byl popsán výše, je pohyb přenášen na manipulační rameno 4, jak je znázorněno v pozici A) obr. 7, čímž je cyklus výměny nástrojů ukončen.

Popsané provedení není jedinou možnou konstrukční variantou manipulátoru, když bez vlivu na podstatu řešení je možno použít jinou hnací jednotku 3 a jiné pohonné agregáty 44 kleštin 46, ovládané například pneumaticky či elektricky. Rovněž je možno použít pro přenosy translačního či rotačního pohybu využít v uzlu 9 rotace nebo uzlu 10 translace jiných běžných konstrukčních prvků, například s využitím valivých i kluzných elementů. Rovněž je možno v závislosti na konstrukci uzlů 9 a 10 modifikovat i tvar vodicí drážky 51 vačky 5 a jinak řešit spřažení mezi unašečem 44 a hlavní hřídelí 11·

Průmyslová využitelnost

Manipulátor pro automatickou výměnu nástrojů lze s výhodou využít u většiny obráběcích strojů, zejména u CNC frézovacích center.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Manipulátor pro automatickou výměnu nástrojů uložený ve skříni (1) opatřené odnímatelným víkem (2), jehož vnitrní mechanismus je vyveden vně jednak pro spřažení $ hnací jednotkou (3) a jednak pro spřažení s manipulačním ramenem (4), uzpůsobeným pro zajištění výměnného

   5 uchycení nástrojů, vyznačující se tím, že vnitřní mechanismus manipulátoru sestává z vačky (5), která je upevněna na rotační vačkové hřídeli (6) vyvedené vně skříně (1) a která je opatřena radiální vodicí drážkou (51), v níž jsou suvně uloženy vodicí kladka (7) rotace a vodicí kladka (8) translace, které jsou přes konstrukční uzel (9) rotace a uzel (10) translace spřaženy s hlavní hřídelí (11), na jejímž volném konci vyvedeném vně skříně (1) je suvně uloženo manipuio lační rameno (4), přičemž vodicí kladka (7) rotace a vodicí kladka (8) translace jsou umístěny v rovinách procházejících podélnou osou vačky (5), které jsou vzájemně pootočeny o 90°.
2. 2. Manipulátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že vačková hřídel (6) je rotačně uložena ve víku (2) a že hlavní hřídel (11) je svým spodním koncem rotačně uložena v ložiskovém pouzdru (1001) skříně (1), ve střední části je uzpůsobena pro spřažení s uzlem (9) rotace a

   15 její volný konec vyvedený vně skříně (1) je uzpůsoben pro suvné uložení manipulačního ramena (4) .
3. 3. Manipulátor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že uzel (9) rotace obsahuje suvně uložený hlavní hřeben (92), k němuž je připevněna vodicí kladka (7) rotace a který je v záběru s hlavní hřídelí (11).

   ío
4. 4. Manipulátor podle nároku 3, vyznačující se tím, že uzel (9) rotace je tvořen vodicím tělesem (91), které je jednak opatřeno výřezem (911) a jednak bočními vedeními (912), mezi nimiž je suvně uložen hlavní hřeben (92), na jehož spodní straně je vytvořena upínací kostka (921) pro připevnění vodicí kladky (7) rotace, kde poloha hlavního hřebene (92) je ve vodicím tělese (91) vymezena podélnou boční vymezovací lištou (93) a dvěma horními přílož25 kami (94), přičemž hlavní hřeben (92) je opatřen podélnou středovou drážkou (922), v níž je suvně uložen vymezovací hřeben (95), který je pomocí sestavy talířových pružin (96) uložených na vodicím čepu (97) a opírajících se o dorazovou kostku (98) dotlačován do záběru s ozubením pastorku (111) hlavní hřídele (11).
5. 5. Manipulátor podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že

   30 uzel (10) translace je jednak rotačně uchycen ve skříní (1) a jednak je spřažen s unašečem (41) manipulačního ramena (4), který je suvně uložen na hlavní hřídeli (11).
6. 6. Manipulátor podle nároku 5, vyznačující se tím, že uzel (10) translace je tvořen pákou (101) translace ve tvaru třmene sestávajícího ze dvou podélníků (1011) spojených nosným čepem (1012), kde nosný čep (1012) je rotačně uložen ve spojovací kostce (1013) připevně35 né ke skříni (1), kde k jednomu z podélníků (1011) je v jeho střední Části z vnější strany upevněna vodicí kladka (8) translace a volné konce podélníků (1011) jsou opatřeny směrem dovnitř situovanými unášecími kladkami (1014) suvně nasunutými mezi nákružky (411) unašeče (41) manipulačního ramena (4), přičemž k unašeči (41) je pomocí aretačního prstence (1016) připevněna rozváděči kostka (1015), která je suvně uložena ve sloupovém vedení (1017) vytvořeném

   40 souběžně s podélnou osou hlavní hřídele (11) a vybaveném pro upevnění ke skříni (1).
7. 7. Manipulátor podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že manipulační rameno (4) je tvořeno nosným tělesem (42), které je upevněno k unašeči (41) a ve kterém jsou suvně uložena kleštinová tělesa (45), v jejichž koncových částech jsou uloženy rozevíratelné kleštiny (46).

   -5CZ 20453 Ul
8. 8. Manipulátor podle nároku 7, vyznačující se tím, že nosné těleso (42) je jednak na unášeči (41) připevněno pomocí svěrného pouzdra (43), jednak jsou k němu symetricky vzhledem k jeho středovému otvoru (421) upevněny pohonné agregáty (44) a pomocí svých lineárních vedení (451) i kleštinová tělesa (45), v jejichž čelních zářezech (452) jsou rotačně uloženy

   5 dělené kleštiny (46) a jednak jsou v koncových částech nosného tělesa (42) bočně připevněny omezovače (47) rozevření kleštin (46), přičemž na unášeči (41) je pod nosným tělesem (42) upevněn rozváděči prstenec (48), který je přes vývrty v unášeči (41) a rozváděči kostku (1015) propojen na zdroj tlakového média sloužícího k ovládání pohonných agregátů (44).