TWI650201B - 自動換刀機構之換刀控制方法 - Google Patents

Abstract

一種自動換刀機構之換刀控制方法，係以具備主軸、螺帽、換刀臂、第一馬達及第二馬達為前提，且螺帽與主軸為螺旋對配合，使得換刀臂在旋轉扣刀、鬆刀下降、旋轉換刀、上升夾刀及旋轉歸位的換刀程序當中，因部分的程序同步啟動第一馬達及第二馬達而使得主軸能同時產生轉動及軸向移動，因而可以縮短換刀的時間以提升換刀效率。

Description

自動換刀機構之換刀控制方法

本發明係與自動換刀機構有關；特別是指一種自動換刀機構之換刀控制方法。

按，加工機的自動換刀機構係設置在刀具庫與加工機之主軸頭之間，其大致包括控制系統與換刀臂，控制系統具有可被控制轉動或是直線位移的軸，軸的末端固接換刀臂。

已知控制系統的軸是透過兩個馬達分別控制著產生轉動或是直線位移，藉此以帶動換刀臂對刀具庫及主軸頭上的刀具進行交換，更具體地說，其一馬達專用於控制軸的轉動，另一馬達則是用以控制軸產生上下移動，據此以使換刀臂依序進行包括：旋轉扣刀、鬆刀下降、旋轉換刀、上升夾刀及旋轉歸位等換刀程序。

然而，上述已知的換刀程序係由兩個馬達被分別且先後控制始能完成設定動作，亦即後動的馬達必須等待前一個馬達停止動作之後方能被啟動，惟如此一來，在換刀時序上必將有所延遲，對於需求精準且快速作業的換刀機構來說，該已知的換刀控制方法實有再精進之處。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種自動換刀機構之換刀控制方法，係可縮短換刀作業時間。

緣以達成上述目的，本發明提供一種自動換刀機構之換刀控制方法，該自動換刀機構包含主軸、螺帽、換刀臂、第一馬達及第二馬達，其中，主軸具有外螺旋結構，螺帽具有內螺旋結構與外螺旋結構配合，換刀臂結合於主軸一端。第一馬達驅使主軸轉動，第二馬達驅轉螺帽以使主軸於第一位置及第二位置之間直線位移；該控制方法包含：使第一馬達及第二馬達同步作動，其中第一馬達驅使主軸轉動，第二馬達驅轉螺帽以使主軸維持於第一位置；控制第一馬達停止作動，第二馬達持續驅轉螺帽以使主軸往下移動；啟動第一馬達以驅使主軸轉動；控制第一馬達停止作動，第二馬達持續驅轉螺帽以使主軸往上移動；使第一馬達及第二馬達同步作動，其中第一馬達驅使主軸轉動，第二馬達驅轉螺帽以使主軸維持於第一位置。

本發明的控制方法在換刀時序中適時使得第一馬達及第二馬達能同步作動，據以達成縮短換刀時間的效果。

〔本發明〕

100‧‧‧控制系統

10‧‧‧機座

12‧‧‧上蓋

14‧‧‧馬達座

16‧‧‧本體

18‧‧‧底座

20‧‧‧主軸

22‧‧‧外螺旋結構

24‧‧‧直向溝槽

30‧‧‧第一傳動單元

31‧‧‧第一螺帽

31a‧‧‧直向溝槽

32‧‧‧第一軸座

32a‧‧‧穿孔

33‧‧‧保持器

33a‧‧‧滾珠

33b‧‧‧油封

34‧‧‧鋼珠

35‧‧‧第一馬達

35a‧‧‧第一輸出軸

36‧‧‧第一皮帶輪

36a‧‧‧穿孔

36’‧‧‧第一皮帶輪

37‧‧‧第一皮帶

38‧‧‧螺栓

39‧‧‧螺栓

40‧‧‧第二傳動單元

41‧‧‧第二螺帽

41a‧‧‧內螺旋結構

42‧‧‧第二軸座

43‧‧‧保持器

44‧‧‧鋼珠

45‧‧‧第二馬達

45a‧‧‧第二輸出軸

46‧‧‧第二皮帶輪

46a‧‧‧穿孔

46’‧‧‧第二皮帶輪

47‧‧‧第二皮帶

48‧‧‧螺栓

49‧‧‧螺栓

200‧‧‧換刀臂

A、B‧‧‧刀具

S1~S5‧‧‧第一步驟~第五步驟

圖1為本發明較佳實施例之自動換刀機構的立體圖；圖2為本發明較佳實施例之控制系統當中的機座與主軸立體圖；圖3為圖1的前視圖；圖4為圖1的部分構件立體圖；圖5為圖4中的部分構件分解圖；圖6為圖4中的部分構件剖視圖； 圖7為圖1的部分構件立體圖；圖8為圖7中的部分構件分解圖；圖9為圖7中的部分構件剖視圖；圖10為本發明較佳實施例之自動換刀機構的換刀控制方法流程圖；圖11至圖15為本發明較佳實施例之自動換刀機構的換刀動作示意圖。

為能更清楚地說明本發明之自動換刀機構的換刀控制方法，以下茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。

請參圖1至圖3所示，本發明較佳實施例之方法所應用的自動換刀機構包含一控制系統100與一換刀臂200。其中控制系統100包括機座10、主軸20、第一傳動單元30及第二傳動單元40。機座10包括自上而下依序對接而成的上蓋12、馬達座14、本體16及底座18；主軸20穿設於機座10中，且受第一傳動單元30的驅使而轉動、受第二傳動單元40的驅使而沿著軸向往復移動，主軸20的底端向下穿出底座18並固接該換刀臂200，換刀臂200隨著主軸20的轉動或是軸向移動而進行包括：旋轉扣刀、鬆刀下降、旋轉換刀、上升夾刀及旋轉歸位等動作。

本實施例的主軸20上半段表面係具有外螺旋結構22及多數道沿著軸向凹設的直向溝槽24，直向溝槽24劃切外螺旋結構22，在其他的實施例中，不排除外螺旋結構與直向溝槽可以是採分段設置而沒有交集的。

第一傳動單元30包括一第一螺帽31，第二傳動單元40包括一第二螺帽41，其中，主軸20穿設第一螺帽31與第二螺帽41，且主軸 20與第一螺帽31以滑動對(sliding pair)方式配合，主軸20與第二螺帽41以螺旋對(screw pair)方式配合。

請參圖4至圖6所示，第一傳動單元30尚包括第一軸座32、保持器33、多數個鋼珠34、第一馬達35、二第一皮帶輪36,36’及第一皮帶37。其中，第一軸座32透過多數個螺栓38穿過穿孔32a後鎖固於機座10之本體16內部，第一螺帽31穿設於第一軸座32中且與第一軸座32之間設置有保持器33，保持器33包括多數個滾珠33a及油封33b，使得第一螺帽31得以相對第一軸座32而於原處旋轉；另外，由於第一螺帽31內壁具有多數道沿著軸向凹設的直向溝槽31a，而鋼珠34填充於第一螺帽31之直向溝槽31a與主軸20的直向溝槽24之間，遂使得主軸20得以相對第一螺帽31作軸向的上下滑動。

第一馬達35固接在本體16外部，其第一輸出軸35a伸入至本體16內部；第一皮帶輪36透過多數個螺栓39穿過穿孔36a而鎖固在第一螺帽31底部，主軸20穿過第一皮帶輪36，至於第一皮帶輪36’則是透過連結於第一輸出軸35a一端而位在本體16內部的一側；第一皮帶37繞設第一皮帶輪36與第一皮帶輪36’。藉此，當第一馬達35之第一輸出軸35a被驅使轉動時，將透過第一皮帶37同步帶動第一螺帽31轉動，轉動的第一螺帽31再因鋼珠34的關係而牽動主軸20旋轉。

請參圖7至圖9所示，第二傳動單元40尚包括第二軸座42、保持器43、多數個鋼珠44、第二馬達45、二第二皮帶輪46,46’及第二皮帶47。其中，第二軸座42透過多數個螺栓48穿過穿孔42a後鎖固於機座10之馬達座14內，第二螺帽41穿設於第二軸座42中，且透過結構相同於保持器33的保持器43居間設置而得以相對第二軸座42於原處旋轉；另外，第二螺帽41具有與主軸20之外螺旋結構22配合而同為螺旋溝槽的 內螺旋結構41a，鋼珠44填充於外螺旋結構22與內螺旋結構41a的螺旋溝槽之間並可於內、外螺旋結構中循環滾動。

第二馬達45固接在馬達座14外部，其第二輸出軸45a伸入至馬達座14內部；第二皮帶輪46透過多數個螺栓49穿過穿孔46a而鎖固在第二螺帽41，主軸20穿過第二皮帶輪46，至於第二皮帶輪46’則連結於第二輸出軸45a一端，第二皮帶47繞設第二皮帶輪46與第二皮帶輪46’。藉此，當第二馬達45之第二輸出軸45a被驅使轉動時，第二皮帶47將間接帶動第二螺帽41原處轉動，轉動的第二螺帽41將使得鋼珠44在內螺旋結構41a與外螺旋結構22之間循環滾動，據以導推主軸20上升或是下降。

上述即為本發明較佳實施例之方法所應用的自動換刀機構，以下請再配合圖10所示，用來說明換刀控制方法及其換刀動作如後，在此聲明，以下所述第一轉向係以逆時針方向為例，第二轉向則為順時針方向。

圖1所示代表換刀臂200處於待命狀態。當控制系統100接收到換刀指令時，第一個步驟S1是使換刀臂200旋轉扣住刀具，具體的方式是同步啟動第一馬達35及第二馬達45，其中第一馬達35之第一輸出軸35a係以第一轉向旋轉，而透過上述結構說明可知，隨之轉動的第一螺帽31將因鋼珠34居間位於第一螺帽31之直向溝槽31a與主軸20的直向溝槽24之間，而得以帶動主軸20亦作第一轉向旋轉，然而，因主軸20同時與第二螺帽41以螺旋對方式配合，而為了避免旋轉的主軸20因之產生軸向移位，選擇同步啟動第二馬達45以驅使第二螺帽41作第二轉向的轉動，即可促使主軸20不產生軸向移位，於此定義主軸20保持在未向下移動的位置為第一位置P1，圖11即揭示未向下移動的主軸20以原處轉 動的方式帶動換刀臂200旋轉，使換刀臂200兩端分別扣住刀具庫(圖未示)提供的刀具A以及加工機之主軸頭(圖未示)上的刀具B。

當換刀臂200完成旋轉扣刀之際，刀具庫及主軸頭同時鬆刀，於此之際，第一馬達35旋即停止作動而使主軸20不再轉動，但第二馬達45繼續驅使第二螺帽41作第二轉向的轉動，因主軸20與第二螺帽41是以螺旋對方式配合，且主軸20與第一螺帽31為滑動對配合，因此，原處轉動的第二螺帽41將驅使主軸20往下移動，如圖12所示，下降的主軸20促使換刀臂200將雙邊刀具下拉，此為第二步驟S2。

圖13揭示第三步驟S3，即控制換刀臂200旋轉交換雙邊刀具。在此程序中，第一馬達35再次被啟動且維持控制第一螺帽31作第一轉向的旋轉，使得換刀臂200作出旋轉180度的換刀動作，而在此期間，第二馬達45先是驅使第二螺帽41作第一轉向轉動，緊接著又驅使第二螺帽41改變為第二轉向的轉動，前者係使得主軸20再為往下沉移，後者則是帶動主軸20上移，換句話說，換刀臂200的180度旋轉被區分出兩個階段：第一階段的換刀臂200在轉動90度的同時隨著主軸20下降，第二階段的換刀臂200則是在續轉90度的同時隨著主軸20而上升，前述第一階段及第二階段的轉換時點即在於主軸20下降至最低點位置(即本發明定義的第二位置P2)，而達成前述動作者係有賴於第一馬達35及第二馬達45的同步動作，如此更能有效率地加快旋轉換刀的速度。從圖13中可以看出刀具A及刀具B的位置已被交換。

圖14揭示第四步驟S4，即控制主軸20上升使得換刀臂200將刀具帶至夾刀位置。在此程序中，第一馬達35被控制停止作動以避免對主軸20造成轉動，而第二馬達45仍是維持著作動但其驅使第二螺帽41改變為第一轉向的轉動，同樣因主軸20與第二螺帽41為螺旋對配合、與 第一螺帽31為滑動對配合的關係，使得主軸20不轉動地被往上帶至夾刀位置(即第一位置P1)，且刀具A復為加工機的主軸頭所夾持，而刀具B則插入刀具庫的對應刀套中。

第五步驟S5是當完成夾刀動作之後，再次啟動第一馬達35，不同的是，第一馬達35係驅使第一螺帽31改變為第二轉向的轉動，而第二馬達45仍持續作動但改變第二螺帽41為第一轉向的轉動，此一程序在於促使主軸20不會產生軸向的移位，同時主軸20以第二轉向旋轉可使換刀臂200反向旋轉歸位至如圖15所示的狀態，以待下一次的換刀。亦即換刀臂200的兩端能在不撞擊刀具的情況下與刀具A及刀具B脫離。

以上即為本發明的換刀控制方法及其換刀動作的說明。由上述可知，換刀臂200在旋轉扣刀、鬆刀下降、旋轉換刀、上升夾刀及旋轉歸位的換刀程序當中，因部分的程序係透過同步啟動第一馬達35及第二馬達45而使得主軸20能同時產生轉動及軸向移動，因而能再縮短換刀時間，對於需求精準且快速作業的換刀機構來說，縮短的時間可以提升換刀效率。

必須說明的是，用以達成本發明之換刀控制方法的自動換刀機構的組成以必須具備主軸20、第二螺帽41、換刀臂200、第一馬達35及第二馬達45為前提，至於其他構件的組成或其組合關係則不以上述所有結構為限，例如可帶動主軸20轉動並使主軸20能在軸向上下移動的結構除了是將鋼珠34填充於第一螺帽31之直向溝槽31a與主軸20的直向溝槽24之間的方式之外，亦可選擇捨去使用鋼珠而改以將第一螺帽內壁設置有數量與主軸之直向溝槽數量相當的凸肋，透過凸肋與直向溝槽配合的關係也能達成帶動主軸20轉動並使主軸20能在軸向上下移動的目的。又如用以驅使主軸20轉動者，除了以上述結構來實現外，也可以 是將馬達安裝在主軸20上方，透過馬達的輸出軸而直接傳動主軸20，如此可以省略皮帶及皮帶輪的設置。再說明的是，馬達的輸出軸的轉向不以必須與主軸相同轉向為限，其可在輸出軸與主軸之間透過其他的傳動元件而使輸出軸的轉向與主軸的轉向不同但功效不變。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

Claims (6)

1. 一種自動換刀機構之換刀控制方法，該自動換刀機構包含一主軸、一螺帽、一換刀臂、一第一馬達及一第二馬達，其中，該主軸具有一外螺旋結構，該螺帽具有一內螺旋結構與該外螺旋結構配合，該換刀臂結合於該主軸一端，該第一馬達用以驅使該主軸轉動，該第二馬達驅轉該螺帽以使該主軸於一第一位置及一第二位置之間直線位移；其中該控制方法包含： 步驟A：使該第一馬達及該第二馬達同步作動，其中該第一馬達驅使該主軸轉動，該第二馬達驅轉該螺帽以使該主軸維持於該第一位置； 步驟B：該第一馬達停止作動，該第二馬達持續驅轉該螺帽以使該主軸往下移動； 步驟C：啟動該第一馬達以驅使該主軸轉動； 步驟D：該第一馬達停止作動，該第二馬達持續驅轉該螺帽以使該主軸往上移動； 步驟E：使該第一馬達及該第二馬達同步作動，其中該第一馬達驅使該主軸轉動，該第二馬達驅轉該螺帽以使該主軸維持於該第一位置。
2. 如請求項1所述之換刀控制方法，其中步驟A之該第一馬達驅使該主軸以第一轉向轉動，該第二馬達驅使該螺帽以第二轉向轉動，其中第一轉向及第二轉向為相反方向。
3. 如請求項2所述之換刀控制方法，其中步驟B之該第二馬達驅轉該螺帽以第二轉向轉動。
4. 如請求項3所述之換刀控制方法，其中在步驟C中，該第一馬達與該第二馬達係同步作動，且該第二馬達在該主軸轉動的行程中，先驅使該螺帽以第一轉向轉動以使該主軸下移至該第二位置，之後再驅使該螺帽改變以第二轉向轉動以使該主軸上移。
5. 如請求項4所述之換刀控制方法，其中步驟D之該第二馬達驅轉該螺帽以第一轉向轉動。
6. 如請求項5所述之換刀控制方法，其中步驟E之該第一馬達驅使該主軸以第二轉向轉動，該第二馬達驅使該螺帽以第一轉向轉動。