TWM569269U - Shaft rotation and linear displacement control system and automatic tool change mechanism having the same - Google Patents

Abstract

一種軸之轉動及直線位移控制系統及具有該軸之自動換刀機構，其中控制系統包括主軸、第一傳動單元及第二傳動單元。主軸同時穿過第一傳動單元之第一軸套與第二傳動單元之第二軸套，其中主軸與第一軸套以滑動對配合而與第二軸套以螺旋對配合，透過有效控制驅使第一軸套及/或第二軸套轉動，即能操控主軸轉動及/或軸向移動。自動換刀機構進一步包括換刀臂組裝於主軸一端，換刀臂隨著主軸的轉動及/或軸向移動而完成換刀動作。

Description

軸之轉動及直線位移控制系統及具有該軸之自動換刀機構

本創作係與軸的應用有關；特別是指一種軸之轉動及直線位移控制系統及具有該軸之自動換刀機構。

已知軸的運用廣泛，其可被以轉動或是直線位移的方式控制著。以加工機之自動換刀機構為例，係設置在刀具庫與加工機之主軸頭之間，其包括有主軸及結合於主軸一端的換刀臂，主軸透過兩個馬達而被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。如 臺灣公告第I310717號「刀庫換刀機構」發明專利即公開使用兩個馬達分別用於驅使主軸轉動或是直線位移，然而該專利技術因結構體積大而占用空間，且其傳動構件多徒增檢修不便，更使得部分連接構件間潛藏負載過大而有受剪力破壞之虞。

本案創作人為改善上述缺失而有 臺灣公告第I375604號「軸之轉動及直線位移控制系統及具有該軸之加工機自動換刀機構」發明專利在案，惟創作人本於精益求精的態度，認為在換刀時序上可以再強化以縮短換刀時間，並且在結構空間上可以再改善以減縮體積，遂有本創作的產生。

有鑑於此，本創作之目的在於提供一種軸之轉動及直線位移控制系統及具有該軸之自動換刀機構，係可縮短換刀時間，並改善結構體積。

緣以達成上述目的，本創作提供一種軸之轉動及直線位移控制系統，包含機座、主軸、第一傳動單元及第二傳動單元。其中主軸可轉動地安裝於機座並可沿著軸向往復移動；第一傳動單元包括第一軸套及第一動力源，主軸穿設第一軸套且與第一軸套以滑動對方式配合，第一動力源驅使第一軸套帶動主軸旋轉；第二傳動單元包括第二軸套及第二動力源，主軸穿設第二軸套且與第二軸套以螺旋對方式配合，第二動力源驅使第二軸套轉動以使主軸相對第二軸套於軸向上移動。

本創作另提供的一種自動換刀機構，係包括上述軸之轉動及直線位移控制系統，並且於主軸穿出機座的一端結合換刀臂。

本創作結構在換刀時序中適時使第一馬達及第二馬達同步作動而達成縮短換刀時間之目的，且透過主軸與第一軸套為滑動對配合，主軸與第二軸套為螺旋對的配合，俾可收減縮結構體積之效果。

為能更清楚地說明本創作，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。合先敘明，本創作軸之轉動及直線位移控制系統於以下實施例中是以應用於中心切削加工機為例，但不以此為限，其中，控制系統係構成加工機的自動換刀機構的一部分，所述自動換刀機構尚包括一換刀臂。

請參圖１至圖３所示，本創作較佳實施例之控制系統100包括機座10、主軸20、第一傳動單元30及第二傳動單元40。其中，機座10由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組成，主軸20以可轉動的方式穿設於上蓋12、馬達座14、本體16及底座18之間，且可受操作而沿著軸向往復移動，另，主軸20的頂端為上蓋12遮掩，底端則向下穿出底座18並固接換刀臂200。

主軸20為經過特殊加工處理而具有良好剛性與耐磨性之圓柱體，在本實施例中，主軸20上半段表面具有外螺旋結構22及多數道沿著軸向凹設的直向溝槽24，其中，外螺旋結構22為沿著軸向繞設的螺旋溝槽，直向溝槽24劃切外螺旋結構22，然而在其他的實施例中，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用以驅使主軸20轉動，第二傳動單元40用以驅使主軸20沿著軸向移動。在本實施例中，第一傳動單元30包括一第一軸套31，第二傳動單元40包括一第二軸套41，其中，主軸20穿設第一軸套31與第二軸套41，且主軸20與第一軸套31以滑動對（sliding pair）方式配合，主軸20與第二軸套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、以第一馬達35為例的第一動力源、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，第一軸套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包括有多數個滾珠33a及油封33b，使得第一軸套31得以順暢地相對第一軸座32於原處旋轉；另，第一軸套31內壁亦具有多數道沿著軸向凹設的直向溝槽31a，該些鋼珠34填充於第一軸套31之直向溝槽31a與主軸20的直向溝槽24之間，且鋼珠34受到油封34a的限制而不散落，至此，主軸20得以相對第一軸套31作軸向的滑動。另外說明的是，上述螺旋溝槽與直向溝槽的槽底可以是凹弧面也可以是V型槽底或是梯型槽底。前述第一軸套31與主軸20之間係透過填充鋼珠34而彼此連動，然其等連動方式另可採取凸肋與溝槽的配合方式，如圖７所示的結構，第一軸套31A內壁設置有數量與主軸20之直向溝槽24數量相當的凸肋31B，凸肋31B位於直向溝槽24中且在第一軸套31A被控制轉動時可推動主軸20旋轉。

第一馬達35固接在本體16外部，其具有可轉動且伸入至本體16內部的第一輸出軸35a；該二第一皮帶輪36, 36’係具有不同的齒數比，其中第一皮帶輪36透過多數個螺栓39穿過穿孔36a而鎖固在第一軸套31底部並與第一軸套31同軸心設置，主軸20穿過第一皮帶輪36，另一個第一皮帶輪36’則透過連結於第一輸出軸35a一端而位在本體16內部的一側；該第一皮帶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同步帶動第一軸套31轉動，第一軸套31再因鋼珠34的關係而牽動主軸20旋轉。

請再參圖８至圖10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、以第二馬達45為例的第二動力源、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，第二軸套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，第二軸套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，該些鋼珠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，其具有可轉動且伸入至馬達座14內部的第二輸出軸45a；該二第二皮帶輪46, 46’ 具有不同的齒數比，其中第二皮帶輪46透過多數個螺栓49穿過穿孔46a並鎖入第二軸套41的螺孔41b中而與第二軸套41同軸心設置，主軸20並穿過第二皮帶輪46，至於另一個第二皮帶輪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將間接帶動第二軸套41原處轉動，轉動的第二軸套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。

上述即為本創作之控制系統100的結構敘述，以下以操控主軸20的轉動及直線移動來說明其可應用於加工機之自動換刀機構的換刀程序，所述換刀程序即驅使換刀臂200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動作，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。

請配合圖１所示，係表示換刀臂200處於待命狀態。而當控制系統100接收到換刀指令時，第一個步驟即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，隨之轉動的第一軸套31將因鋼珠34居間位於第一軸套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同時與第二軸套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以驅使第二軸套41作第二轉向的轉動，即可促使主軸20不產生軸向移位，如圖11所示，主軸20即是以原處轉動的方式來帶動換刀臂200進行旋轉扣刀的動作，此時換刀臂200的兩端分別扣住刀具庫（圖未示）提供的刀具A以及加工機主軸頭（圖未示）上的刀具B。

請續配合圖12所示，當換刀臂200完成旋轉扣刀後，第一馬達35旋即停止作動而使主軸20不再轉動，於此同時，第二馬達45持續驅使第二軸套41作第二轉向轉動，因主軸20與第二軸套41是以螺旋對方式配合，且主軸20與第一軸套31為滑動對配合，故原處轉動的第二軸套41將驅使主軸20往下移動而使換刀臂200執行鬆刀下降的動作。

圖13揭示換刀臂200進行旋轉換刀的動作。在此程序中，第一馬達35再次被啟動且維持控制第一軸套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先是快速地驅使第二軸套41作第一轉向轉動，緊接著又驅使第二軸套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下降至最低點位置時，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揭示換刀臂200的上升夾刀動作。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軸套41改變為第一轉向的轉動，同樣因主軸20與第二軸套41為螺旋對配合、與第一軸套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。亦即刀具A被交換至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。

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係驅使第一軸套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軸套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。

在上述的換刀程序中，係以極短的時間完成旋轉扣刀、鬆刀下降、旋轉換刀、上升夾刀及旋轉歸位等動作，且本創作在部分的程序中透過同步啟動第一馬達35及第二馬達45以使主軸20同時產生轉動及軸向移動的方式，將更為縮短換刀時間以提升效率。另外，由於主軸20同時與第一軸套31為滑動對配合、與第二軸套41為螺旋對配合，又第一軸套31及第二軸套41分別為第一馬達35及第二馬達45所驅轉，故而可收減縮控制系統100體積之效果。

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

［本創作］

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‧‧‧第一軸套

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

34a‧‧‧油封

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

31A‧‧‧第一軸套

31B‧‧‧凸肋

40‧‧‧第二傳動單元

41‧‧‧第二軸套

41a‧‧‧內螺旋結構

41b‧‧‧螺孔

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

圖１為本創作較佳實施例之自動換刀機構的立體圖； 圖２為本創作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為本創作之控制系統當中的部分構件的另一種實施態樣； 圖８為圖１的部分構件立體圖； 圖９為圖８中的部分構件分解圖； 圖10為圖８中的部分構件剖視圖； 圖11至圖15為本創作較佳實施例之自動換刀機構的換刀動作示意圖。

Claims (15)

1. 一種軸之轉動及直線位移控制系統，包含： 一機座； 一主軸，係可轉動地安裝於該機座，且可沿著軸向往復移動； 一第一傳動單元，包括一第一軸套及一第一動力源，其中該主軸穿設該第一軸套，且該主軸與該第一軸套之間以滑動對方式配合，該第一動力源驅使該第一軸套轉動，且轉動的第一軸套帶動該主軸旋轉；以及 一第二傳動單元，包括一第二軸套及一第二動力源，其中該主軸穿設該第二軸套，且該主軸與該第二軸套之間以螺旋對方式配合，該第二動力源驅使該第二軸套轉動以使該主軸相對該第二軸套於軸向上移動。
2. 如請求項1所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第二傳動單元包括一第二軸座固定於該機座內，該第二軸套設置於該第二軸座內，且該第二軸套具有一內螺旋結構，該主軸具有一外螺旋結構與該內螺旋結構配合。
3. 如請求項2所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第二軸座與該第二軸套之間套設至少一保持器，以使該第二軸套可原處轉動地位於該第二軸座內。
4. 如請求項2所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該內螺旋結構與該外螺旋結構為沿著軸向設置的螺旋溝槽，該第二傳動單元包括多數個鋼珠位於該內螺旋結構與該外螺旋結構的螺旋溝槽中。
5. 如請求項2至4任一項所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第二傳動單元包括二第二皮帶輪，該第二動力源具有一可轉動的第二輸出軸；其中一該第二皮帶輪固接於該第二輸出軸一端，另一該第二皮帶輪與該第二軸套同軸心設置並固接於該第二軸套上，該二第二皮帶輪之間繞設有一第二皮帶。
6. 如請求項1至4任一項所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第一傳動單元包括一第一軸座固定於該機座內，該第一軸套設置於該第一軸座內；該第一軸套內壁與該主軸表面分別具有至少一沿著軸向凹設的直向溝槽，且多數個鋼珠填充於該第一軸套與該主軸的直向溝槽之間。
7. 如請求項6所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第一軸座與該第一軸套之間套設至少一保持器，以使該第一軸套可原處轉動地位於該第一軸座內。
8. 如請求項6所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第一傳動單元包括二第一皮帶輪，該第一動力源具有一可轉動的第一輸出軸；其中一該第一皮帶輪固接於該第一輸出軸一端，另一該第一皮帶輪與該第一軸套同軸心設置並固接於該第一軸套上，該二第一皮帶輪之間繞設有一第一皮帶。
9. 如請求項1至4任一項所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第一傳動單元包括一第一軸座固定於該機座內，該第一軸套設置於該第一軸座內，且受該第一動力源驅使而於原處轉動；該第一軸套內壁與該主軸表面的其中一者具有至少一沿著軸向凹設的直向溝槽，另一者具有與該直向溝槽配合的凸肋。
10. 如請求項1所述軸之轉動及直線位移控制系統，其中該第一動力源與該第二動力源的至少一者為馬達。
11. 一種自動換刀機構，包含： 一軸之控制系統，包括： 一機座； 一主軸，係可轉動地安裝於該機座，且可沿著軸向往復移動； 一第一傳動單元，包括有一第一軸套，該主軸穿過該第一軸套且與該第一軸套之間以滑動對方式配合，其中該第一軸套受驅使轉動並帶動該主軸旋轉； 一第二傳動單元，包括有一第二軸套，該主軸穿過該第二軸套且與該第二軸套之間以螺旋對方式配合，其中該第二軸套受驅使轉動以帶動該主軸沿軸向移動；以及 一換刀臂，係結合於該主軸穿出該機座的一端。
12. 如請求項11所述之自動換刀機構，其中該第一傳動單元包括一第一軸座固定於該機座內，該第一軸套以可原處轉動的方式設置於該第一軸座內；該第一軸套內壁與該主軸表面分別具有至少一沿著軸向凹設的直向溝槽，且多數個鋼珠填充於該第一軸套與該主軸的直向溝槽之間。
13. 如請求項12所述之自動換刀機構，其中該第一傳動單元包括一第一馬達及二第一皮帶輪，該第一馬達具有一可轉動的第一輸出軸；其中一該第一皮帶輪固接於該第一輸出軸一端，另一該第一皮帶輪與該第一軸套同軸心設置並固接於該第一軸套上，該二第一皮帶輪之間繞設有一第一皮帶。
14. 如請求項11所述之自動換刀機構，其中該第二傳動單元包括一第二軸座固定於該機座內，該第二軸套以可原處轉動的方式設置於該第二軸座內，該第二軸套具有一內螺旋結構，該主軸具有一外螺旋結構與該內螺旋結構配合，以及包括有多數個鋼珠位於該內螺旋結構與該外螺旋結構之間。
15. 如請求項14所述之自動換刀機構，其中該第二傳動單元包括一第二馬達及二第二皮帶輪，該第二馬達具有一可轉動的第二輸出軸；其中一該第二皮帶輪固接於該第二輸出軸一端，另一該第二皮帶輪與該第二軸套同軸心設置並固接於該第二軸套上，該二第二皮帶輪之間繞設有一第二皮帶。