專利名稱：具有直接驅動的升降和回轉執行機構的換刀裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種換刀裝置，具有換刀枳4戒手以及升降和回轉才丸 行機構，后者可以用第一直接驅動裝置驅動用于產生直線運動并且 利用第二直線驅動裝置驅動用于產生旋轉運動。
背景技術：
換刀裝置也稱為換刀器，設計用于更換在加工中心、機床或生 產機器上的刀具。換刀裝置是一種機械裝置，用于自動地更換刀具或者耳又決于工序的輔助裝置，如測量纟笨頭、枳4成手或者塞頭見 (Messdorn),其中，將刀具從刀具庫中更換裝到加工主軸或類似裝置 里，反之亦然。更換過程例如用單枳i械手或者雙才幾械手進行，其中 換刀時間7于于力口工中心的力口工時間有直4妄影響。刀具的更換基本上通過一種升降運動和回轉運動的組合來實 現。為了保持輔助時間，尤其是換刀時間盡量的少，對于換刀器來 說必須要有具有小的慣性質量的動態和剛性的定位驅動。眾所周知，換刀器通過獨立的馬達(電的、氣動的、液壓的) 或者通過月牙板借助于盤形凸輪來驅動。但是利用傳統的技術，高 要求的動態性能必然導致高磨損并進而導致較低的可用性。由DE 10 2005 019 112 Al已知了 一種具有混合,茲阻電4幾的組 合驅動裝置，其中設置有直線驅動裝置和旋轉驅動裝置，并且兩個 驅動裝置中的至少 一 個裝置i殳計成混合》茲阻電才幾。發明內容本發明的目的在于提出一種換刀裝置，用于快速而動態地更換 刀具。該目的通過權利要求1的特征來實現。有利的改進方案在從屬 權利要求中提出。根據本發明的換刀裝置具有升降和回轉執行機構，用于執行升 降和回轉運動。升降和回轉扭j于才幾構可以^f昔助于兩個直4妄驅動裝置驅動，其中設置有第一直接驅動裝置，用于產生直線運動(升降運 動)并且設置有第二直接驅動裝置，用于產生旋轉運動(回轉運動)。 升降和回轉執行機構被這樣地設計，即利用第二直接驅動裝置即可 執行回轉運動又可執行旋轉運動，也就是說旋轉大于360°。第一直接驅動裝置被設計成螺線管直線電機，也就是說具有螺 線管線圈的直線電4幾，該螺線管線圈也#1稱為環形或圓柱形線圏， 而第二直線驅動裝置則被設計成扭矩電機或轉矩電機。根據本發明第一和第二直接驅動裝置具有一個共同的轉子，也 稱為反應部件，其中轉子同時就是升降和回轉執行機構。通過本發明，將用于升降運動的螺線管直線電機與用于實現回 轉運動的扭矩電機結合。同時，兩個執行器共同使用一個反應部件 (轉子)，該反應部件被有利地設計成空心軸的形狀。升降和回轉軸可以相互獨立地運動。在二個軸上^f吏用直4妄驅動裝置才是高了動態 特性和動態抗干擾性。顯地減少換刀器的各個軸的慣性質量并同時提高機械的剛度。因為轉子或反應部件有利地i殳計成空心軸的形狀，因此可以通 過氣動或液壓供應管路為換刀機械手供應介質，這些介質對于換刀 機械手(換刀鉗)和/或刀具的進行來說是必要的，供應管路則穿過 空心的轉子。尤其是在升降和回轉執行器的與換刀機械手相對的端 部上設置有一個旋轉穿引件，穿過它使管路從外面？ I入升降和回轉 執行器中。轉子也就是升降和回轉執行器具有 一 種磁阻輪廓 (Reluktanzprofil )，該》茲阻l侖廓具有均勻地分布在圓周方向和軸向 方向上的齒和槽，其中，轉子在其整個軸向延伸上形成一致的構造。 相應地，轉子沒有用于產生》茲場的主動裝置并且只是設計成反應部 件，它具有用于引導磁場的裝置，例如由鐵或鋼制成。這種類型的 反應部件可以廉1"介而簡單地進4亍加工制造。在轉子的磁場輪廓的槽中有利地布置了非鐵材料，從而轉子具 有基本平滑的表面。這些槽被平滑地封閉，從而轉子或升降和回轉 4丸行器如氣動缸或液壓缸得以支承和密封。因此升降和回轉4丸行器 同時可以用作為直接驅動裝置的導向件，例如滑動導向件或者球軸 套。因此減少了結構方面的費用，這是因為由于取消了傳動裝置和 離合器而存在較少的才幾械部件。每個直接驅動裝置具有一個定子部件，也就是說存在有第一和 第二定子部件。二個定子部件構成一個定子單元，其中定子單元與機器機架固定連接。可選地，定子單元也可以具有外殼，通過該外殼4吏定子單元與才幾器才幾架連"l妄。因為在定子單元上連4妄有用于直才妄 驅動裝置的連4妄線^各，因此連4妄線^各不必與定子單元一起隨同運 動，因而進一步提高了換刀裝置的動態性能。每個定子部件具有一個單相或多相的繞組。尤其是分別設置有 三相的繞組，用于連4妄三相交流電網。第一直4妄驅動裝置的第一定 子部件的繞組用于產生直線運動或升降運動，該繞組螺線管線圏， 也稱之為圓柱形線圈或環形線圈而構成。第二定子部件的繞組借助 于已知的集中式的或者分布式的繞組構成。在本發明的另一個設計方案中，在每個定子部件上除了繞組之 外還設有永磁鐵。因此，每個定子部件具有二個主動裝置用來產生 磁場，因而可以實現較高的磁力線密度。因此，這是尤其有利的， 因為轉子沒有用于產生磁場的主動裝置。對于升降和回轉執行器可以根據所要更換刀具的大小提出對于力和/或力矩的不同的要求。力或力矩可以有利地通過i殳置另外的定子部件來調整，尤其是通過并^L多個定子部件可以才艮據比例縮方文力矩，也就是說，在設置另外二個定子部件時(從而總其存在四個 定子部件)，力矩就翻番。在直線直接驅動裝置中已知采用了一種氣動的或液壓的重量 平衡裝置，用于使驅動裝置在運行時卸荷并用于在有運行干擾時保 證安全。根據本發明的換刀裝置的升降和回轉執行器可以方便地擴壓缸的活塞并起作用。缸的壓力腔直接連接至儲能器。封閉系統的 壓力被調節到如此高，即對重力進行補償。在缸和儲能器中的系統 容積大小被如此設計，即由于活塞桿升降運動引起的容積的變化只 31起相對于調整設定的系統壓力的較小的壓力變化。才艮據本發明的換刀裝置動態而快速地工作并JU殳計成堅固的 和基本無磨損的，這是因為通過設置直接驅動裝置以及結構-實現了具有直接的力和力矩傳遞的非常緊湊的升降和回轉 部件，而沒有枳4戒的、容易磨損的傳遞構件，-由于采用了一個共同的反應部件使二個驅動裝置(調整構 件)的慣性質量很小，-由于采用具有高的機械固有頻率的空心軸的反應部件而獲 得了高的機械剛性和驅動剛性。換刀裝置也稱為換刀器，設計用于更換在加工中心、機床或生 產機器上的刀具或者也作為刀具損壞監控系統的集成的驅動裝置， 以及用于另外類似的機床應用，在這些應用中，以圓柱形執行器為 基礎的集成的升降和回轉驅動裝置在結構方面和驅動纟支術方面確 保了明顯的優點。
在以下描述中結合附圖才艮據實施例對本發明的其它特和細 節進行詳細描述。同時，在各個變體中描述的特征和關系在原則上 老卩可以應用于所有的實施例。圖中示出圖1是根據本發明的換刀裝置的第一設計方案；圖2是根據本發明的換刀裝置的第二設計方案；圖3是升降和回轉執行器(轉子)的一個設計方案圖4是具有定子單元的升降和回轉執行器的原理圖；圖5是具有多個定子部件的升降和回轉執行器的原理圖。
具體實施方式
圖1示出了根據本發明的換刀裝置1的第一設計方案。換刀裝 置具有換刀積4戒手2和用于實施升降和回轉運動的升降和回轉執4亍 器3。升降和回轉執行器3可以借助于二個直接驅動裝置4， 5驅動， 其中，第一直接驅動裝置4用于產生直線運動(升降運動)以及第 二直接驅動裝置5用于產生旋轉運動(回轉運動)。升降和回轉執 行器3的運動方向用箭頭11示出。升降和回轉執行器3如此地設 計，即其可以旋轉超過360。，例如圍繞自身軸線旋轉多圈。第一直接驅動裝置4設計成螺線管直線電才幾，也就是il具有螺 線管線圈的直線電才幾，該螺線管線圈也稱為環形或圓4主形線圈。才艮 據其工作原理和作用方式，第一直接驅動裝置4也稱為直軸^f茲場電 機(LSngsflussmotor )。第二直接驅動裝置5設計成扭矩電機或轉矩電機，其中，第二 直才妄驅動裝置才艮據其工作原理和作用方式也可以稱之為4黃向萬茲場 電機(Transversalflussmotor )。第一和第二直接驅動裝置4, 5具有一個共同的轉子，也稱為 反應部件，它就是升降和回轉執行器3。用于升降運動的第 一直接驅動裝置4與用于實現回轉運動的第 二直接驅動裝置5組合。二個直接驅動裝置4, 5共同使用一個反 應部件(升降和回轉執行器3)。升降和回轉執行器3"i殳計成空心軸的形狀。因此，可以通過氣 動的或液壓的供應管路13為4灸刀枳4成手2供應只十于4灸刀扭4成手(才灸刀鉗)和/或刀具的運行來說必要的介質，供應管路13穿過空心的 升降和回轉執行器3。在升降和回轉執行器3的位于換刀機械手2 相對側的端部上設置有一個旋轉穿引件17,管線13穿過該旋轉穿 引件從外面引入到升降和回轉執行器3中。每個直接驅動裝置4， 5都具有一個定子部件，也就是說存在 有第一和第二定子部件8， 9。兩個定子部^f牛8， 9構成一個定子單 元10，其中，定子單元10與機器機架12固定連接。定子單元10 借助于軸承14支7fc在升降和回轉執行器3上。軸承14例如設計成 滾動軸承，如滾3求軸承。因為在定子單元10上連^妄有用于直線驅動裝置4， 5的，也就 是說尤其是用于定子部件8, 9的連接線^各21,因此不必4吏連接線 路21與定子單元10 —起隨同運動，因而進一步提高了換刀裝置1 的動態特性。此外，分別在升降和回轉執行器3的一端上設有一個末端緩沖 器15,它吸收了運動著的升降和回轉沖丸4亍器3在其端部范圍內的沖 擊。圖2示出了根據本發明的換刀裝置1的第二種設計方案，這種 裝置基本上相當于根據圖1的換刀裝置1。根據圖2的升降和回轉執行器3同時設計成具有一個帶有缸密 封件19的氣壓的缸16的末端緩沖器18，以便保證在運行中用于使 驅動裝置4， 5卸荷的氣動的重量平衡并在有運行故障時保證安全。 同時，氣壓的缸16的壓力腔直接連接至儲能器20。封閉系統中的 壓力被調節成如此高，即對重力進行補償。在氣壓的缸16和儲能 器20中的系統容積被設置成如此大小，即由于活塞桿，也就是說升降和回轉執行器3的升降運動而導致的容積變化僅僅？ I起相對于 調整設定的系統壓力來說較小的壓力變化。圖3示出了升降和回轉寺丸^f亍器3的一個^:計方案。升降和回轉 執行器設計成空心狀的并在其表面上具有齒6和槽7。這些槽7布置于軸向方向上和圓周方向上，因此形成矩形的齒 6。升降和回轉^丸行器3并不具有繞組或永^茲4失，乂人而1吏其<又<又具 有f茲阻4乍用。圖4示出了具有定子單元10的升降和回轉、執行器3的原理圖。 定子部件8, 9軸向直接并排地布置。它們驅動共同的轉子，后者 就是升降和回轉執行器3，這些定子部件在其整個軸向長度上具有 相同的構造。這意味著，第一直接驅動裝置4 (直線驅動裝置)和 第二直接驅動裝置5 (轉動驅動裝置)在實際的所有軸向位置上都 可以共同；也利用該升降和回轉才丸4亍器3。》匕外，可以利用升降和回 轉執行器3的整個長度來形成力和力矩。此外有利的是，即使在較 大的行程時，定子部件8， 9也可以被相當緊密的裝配在一起，從 而可以確j呆緊;奏的結構。每個定子部件8, 9都具有一個單相或者多相的繞組(示意性 示出)。尤其是分別"i殳置有一個三相繞組，用于連4妄互相交流電網。 在此，設置用于產生直線或升降運動的第一直線驅動裝置的第一定 子部件8的繞組通過螺線管構成，該螺線管也^皮稱為圓柱形或環形 線圈。第二定子部件9的繞組通過已知的集中式的或者分布式的繞 組構成。此外，在每個定子部件8， 9上除了繞組以外還設置有永不茲鐵。 因此每個定子部件8， 9都具有二個用于產生,茲場的主動裝置，從 而可以實現較高的磁力線密度。這因而是特別有利的，這是因為升降和回轉執行器3 (轉子)沒有用于產生》茲場的主動裝置。因此可 以簡單而經濟地制造升降和回轉執行器3。圖5示出了具有多個定子部件8， 9的升降和回轉執行器3。尤 其是分別i殳有二個定子部件8和二個定子部件9。因此可以才艮據所 希望的要求通過i殳置其它的定子部件8， 9來調整i殳定力或力矩。
權利要求
1.一種換刀裝置(1)，具有換刀機械手(2)以及升降和回轉執行器(3)，所述升降和回轉執行器可利用第一直接驅動裝置(4)驅動用于產生直線運動并且可利用第二直接驅動裝置(5)驅動用于產生旋轉運動，其特征在于，所述第一直接驅動裝置(4)和所述第二直接驅動裝置(5)具有一個共同的轉子，所述轉子作為所述升降和回轉執行器(3)使用。
2. 根據權利要求1所述的換刀裝置(1 )，其特征在于，所述升降 和回轉執行器(3)設計成圓柱形的空心軸形狀。
3. 根據權利要求1或2所述的換刀裝置(1 )，其特征在于，所述 升降和回轉4丸;f亍器(3)具有一種》茲阻4侖廓，所述》茲阻4侖廓具 有均勻地在圓周方向和軸向方向上分布的齒(6)和槽(7)。
4. 根據權利要求3所述的換刀裝置(1 ),其特征在于，在所述磁 阻輪廓的所述槽(7)中這樣地設置有非鐵材料，即所述升降 和回轉執行器(3)具有基本平滑的表面。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的換刀裝置(1 ),其特征在于， 所述第一直接驅動裝置(4)具有第一定子部件(8),以及所 述第二直接驅動裝置(5)具有第二定子部件(9)，其中兩個 定子部件(8， 9)形成定子單元(10)。
6. 根據權利要求5所述的換刀裝置(1 ),其特征在于，所述定子 單元(10)與機器機架(12)固定連接。
7. 根據權利要求5或6所述的換刀裝置(1 ),其特征在于，所述 升降和回轉執行器(3)作為所述定子單元(10)的導向件使 用，其中所述導向件^皮設計成滑動導向件或者^^軸套。
8. 根據權利要求5所述的換刀裝置(1 )，其特征在于，每個定子 部件(8, 9)都具有單相或多相的繞組和永》茲4失。
9. 根據權利要求8所述的換刀裝置(1 )，其特征在于，所述第一 定子部件(4)的繞組具有螺線管線圈。
10. 沖艮據權利要求2至9中任一項所述的換刀裝置(1 ),其特征在 于，所述升降和回轉執行器(3 )作為用于所述換刀機械手和/ 或刀具的氣動的和/或液壓的供應管路的穿引裝置。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的換刀裝置(1 ),其特征在于， 可以設置另外的第一和/或第二定子部件(8， 9),其中通過并 聯多個定子部件(8， 9)可以調整直線驅動裝置產生的力矩。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的換刀裝置(1 ),其特征在于， 所述升降和回轉執行器(3 ) ^L計成氣動的或者液壓的缸(16 ) 的活塞，其中，所述缸(16)的壓力腔直接連接至儲能器(20)。
全文摘要
本發明涉及一種換刀裝置(1)，其具有換刀機械手(2)以及升降和回轉執行機構(3)，該升降和回轉執行機構可以利用第一直接驅動裝置(4)驅動用于產生直線運動以及可以利用第二直線驅動裝置(5)驅動用于產生旋轉運動，其中第一和第二直線驅動裝置(4，5)具有一個共同的轉子，該轉子作為升降和回轉執行機構(3)使用。
文檔編號B23Q3/155GK101402171SQ20081016822
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月6日 優先權日2007年10月4日
發明者澤利科·賈杰蒂克, 馬克西米利安·克勞斯 申請人:西門子公司