加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于數控加工裝置領域，具體涉及數控加工中心的主軸不停轉無機械手自動換刀裝置。包括主軸、刀柄、刀庫和數控系統。主軸具有調速功能、周向位置實時檢測與調整功能；刀柄包括與主軸同軸連接的外錐柄、刀體、套設在刀體上的軸承，凹槽、A嚙合裝置和刀具。刀庫包括多個刀位和刀位換位裝置、每個刀位包括用來夾持刀具的刀夾、驅動刀具旋轉的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、與刀具嚙合的B嚙合裝置，該實用新型可以實現加工中心主軸上的刀具在主軸不停轉的情況和刀庫中的刀具進行快速換刀，節約了加工中心加工中的輔助加工時間，提高了數控機床的使用效率，降低了加工成本，應用前景廣闊。
【專利說明】
加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于數控加工裝置領域，具體涉及數控加工中心的主軸不停轉快速自動換刀裝置。
【背景技術】
[0002]電主軸、高速絲杠和直線電動機的發展應用極大地提高了切削效率，為了配合機床的高效率，作為加工中心的重要部件之一的自動換刀裝置(ATC)的高速化也相應成為高速加工中心的重要技術內容。隨著切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也在逐步提高，換刀的速度已成為高水平加工中心的一項重要指標。
[0003]衡量換刀速度的方法主要有三種:1.刀對刀換刀時間2.位置對位置換刀時間
3.切削對切削換刀時間。由于切削對切削換刀時間基本上就是加工中心兩次切削之間的時間，反映了加工中心換刀所占用的輔助時間，因此切削對切削換刀時間應是衡量加工加工中心效率的直接標準。機床的換刀通常都是主軸停止旋轉后進行，但是從機床主軸停止到重新啟動達到額定轉速亦需要一定的時間，其實質也是一個時間的浪費，為了降低或消除從機床主軸停止到重新啟動達到額定轉速所需要的輔助時間，本實用新型提供了一種加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，旨在減少加工輔助時間，提高機床的利用率。
【發明內容】
[0004]本實用新型提供了一種加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，適用于無機械手的數控加工中心換刀，旨在減少數控加工中的切削對切削的換刀時間，減少加工輔助時間，提尚機床的利用率。
[0005]加工中;L1、主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于:包括主軸、刀柄、刀庫和數控系統。
[0006]主軸包括主軸旋轉驅動裝置、與刀柄同軸連接的內錐孔、調整主軸轉速的調速系統、主軸周向位置的實時檢測與調整系統；內錐孔設置在主軸的最前端；調速系統、實時檢測與調整系統和主軸旋轉驅動裝置與數控系統相連接。
[0007]刀柄包括與主軸同軸連接的外錐柄、設置在外錐柄下方的刀體、套設在刀體上的軸承，套設在軸承外圈上用來被刀夾夾持的凹槽、A嚙合裝置和刀具;外錐柄設置在刀柄的最上端，軸承、凹槽和A嚙合裝置依次設置在刀體的中部，刀具設置在刀體的下端。
[0008]刀庫包括包括多個刀位和刀位換位裝置、每個刀位包括用來夾持刀具的刀夾、驅動刀具旋轉的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、與刀具嚙合的B嚙合裝置;刀位換位裝置根據加工程序需要用來更換刀具的刀位，刀夾通過夾持刀柄上的凹槽來夾持刀具；刀具驅動電機與B嚙合裝置相連接，當需要刀具旋轉時，刀具驅動電機驅動B嚙合裝置旋轉；當刀具裝入刀位后，刀位中的B嚙合裝置與刀柄上的A嚙合裝置相嚙合。
[0009]數控系統通過電纜和主軸的調速系統、實時檢測與調整系統、主軸驅動裝置、以及刀庫刀位中的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、刀位換位裝置相連接通訊。
[0010]所述套設在刀體上的軸承的外圈和用來被刀夾夾持的凹槽制作成兩個獨立的零件或者整體的一體化結構。
[0011]主軸的主軸周向位置的實時檢測與調整系統實時監測主軸上的刀具的周向位置，并保持在換刀時，主軸上的刀具的周向位置和刀庫刀位中的B嚙合裝置的周向位置一致。
[0012]刀庫刀位中刀具周向位置的實時檢測與調整系統實時監測刀位中刀具的周向位置，并保持在換刀時，刀庫刀位中的B嚙合裝置的周向位置和主軸旋轉的周向位置一致。
[0013]更進一步的，主軸的轉速在0-200000轉/分之間。
[0014]更進一步的，刀庫中驅動刀具旋轉的刀具驅動電機可驅動刀具轉速在0-200000轉/分之間。
[0015]更進一步的，主軸上安裝有失速報警與系統加工暫定裝置。
[0016]更進一步的，刀庫中驅動刀具旋轉的刀具驅動電機安裝有失速報警與系統加工暫停裝置。
[0017]更進一步的，A嚙合裝置和B嚙合裝置的嚙合對為齒輪對、渦輪蝸桿、橡膠輪對。
[0018]加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀過程:
[0019](I)主軸上的刀具放回到刀庫中的空刀位中(卸刀)；
[0020]I)主軸上的刀具以一定的轉速完成一個工步的加工后，主軸和刀具一起返回到換刀點，刀具和主軸繼續旋轉，保持上一個工步加工中所使用的轉速;刀庫中的刀位換位裝置提前將將要進行卸刀的空刀位更換至換刀點，并提前啟動驅動刀具旋轉的刀具驅動電機，驅動與刀具嚙合的B嚙合裝置達到和主軸及刀具同樣的的轉速，且刀庫的刀夾與刀柄上的凹槽保持同樣高度的對齊狀態，刀柄上的A嚙合裝置與刀庫中的B嚙合裝置也保持對齊狀態，且通過數控系統以及主軸與刀庫刀位中的周向位置的實時檢測與調整系統保證刀具和主軸的周向位置與刀庫中B嚙合裝置的周向位置一致；
[0021]2)刀庫帶動空刀位向前移向主軸上的刀具，刀夾夾持住刀柄上的凹槽，刀位中的B嚙合裝置與刀柄上的A嚙合裝置相嚙合，此時主軸和刀柄及刀位中的A嚙合裝置B嚙合裝置保持同樣的轉速，且周向位置一致；
[0022]3)主軸向上抬起到該刀位的上方，主軸和刀柄相配合的錐柄脫離，刀具卸下，刀具放回到了刀庫的刀位中，卸下的刀具的轉速通過驅動刀具旋轉的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統和數控系統進行聯合調控，使其轉速降低至零。
[0023](2)刀庫中的另一把刀具裝入主軸(裝刀)；
[0024]I)主軸向上抬起到刀位的上方后，將要裝入主軸的刀具和刀位提前啟動進行旋轉，轉速為下一個工步設定的轉速，并且通過數控系統以及主軸與刀庫的周向位置的實時檢測與調整系統保證主軸的周向位置與刀庫中刀具的周向位置一致，且調整主軸的轉速與刀具的轉速一致;將要裝入主軸的刀具和刀位通過刀位換位裝置移動到主軸的下方；
[0025]2)主軸向下移動，使主軸的內錐孔和刀具的外錐柄相配合，主軸和刀具實現同周向和同轉速的旋轉；
[0026]3)刀庫向后退出，刀夾與刀具脫離，刀柄上的A嚙合裝置與刀庫中的B嚙合裝置脫離，即實現了刀具到主軸的安裝。刀具安裝完成后，主軸即可帶動刀具進行下一個工步的加工。
[0027]本實用新型提供了一種加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，實現了主軸始終在旋轉的狀態，主軸上的刀具放回到刀庫中的空刀位，然后將刀庫中的另一把刀具裝入主軸的整個過程中，避免了傳統換刀裝置在換刀過程中，主軸的轉速要從高速降到停止，然后在裝刀后再進行重新啟動旋轉的過程，節約了切削到切削之間的換刀時間，可有效的減少加工輔助時間，提高了機床的有效工作時間和設備利用率，降低了生產成本，應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型所述加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置一【具體實施方式】的結構示意圖。
[0029]圖2是實施例中所述主軸結構示意圖。
[0030]圖3是實施例中所述刀柄結構示意圖。
[0031]圖4是實施例中所述刀庫結構示意圖。
[0032]圖5是實施例中所述加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置卸刀過程示意圖。
[0033]圖6是實施例中所述加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置裝刀過程示意圖。
[0034]圖中標號說明:
[0035]1.主軸，2.刀柄，3.刀庫；
[0036]101.主軸旋轉驅動裝置，102.內錐孔；
[0037]201.拉釘，202.外錐柄，203.凹槽，204.軸承，205.刀體，206.A嚙合裝置，207.刀具;
[0038]301.刀位，302.刀位換位裝置，303.刀夾，304.刀具驅動電機，305.B嚙合裝置。
【具體實施方式】
[0039]以下結合附圖和具體實施例對本實用新型提出的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本實用新型的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本實用新型實施例的目的。
[0040]加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于:包括主軸1、刀柄2、刀庫3和數控系統(未示)。主軸I包括中部的電主軸旋轉驅動裝置11、與刀柄2同軸連接的內錐孔102、調整主軸轉速的調速系統(未示)、主軸周向位置的實時檢測與調整系統(未示)。刀柄2包括拉釘201、與主軸I同軸連接的外錐柄202、設置在外錐柄202下方的刀體205、套設在刀體205上的軸承204，套設在軸承204外套上用來被刀夾303夾持的凹槽203、A嚙合裝置206和刀具，所述的錐柄為ER16M-5錐柄，刀體205上的軸承204采用NN3005高速軸承，軸承204材料為GCr4，內徑r=25，R=47，齒面呈倒梯形。刀庫3包括包括12個刀位301和刀位換位裝置302、每個刀位301包括用來夾持刀具的刀夾303、驅動刀具旋轉的刀具驅動電機304、刀具周向位置的實時檢測與調整系統(未示)、與刀具嚙合的B嚙合裝置305，所述的A嚙合裝置206和B嚙合裝置305的嚙合對為齒輪對，齒輪參數均為m=0.8，ζ=40，α=20°，Ha*=l ,He*=0.25，齒厚11=4臟，精度等級5級，所述的刀具驅動電機304為冊-1021(伺服電機。
[0041]數控系統通過電纜和主軸的調速系統、實時檢測與調整系統、主軸驅動裝置、以及刀庫刀位301中的刀具驅動電機304、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、刀位換位裝置302相連接。
[0042]主軸I的主軸周向位置的實時檢測與調整系統實時監測主軸I上的刀具的周向位置，并保持在換刀時和刀庫刀位301中的B嚙合裝置305的周向位置一致。刀庫刀位301中刀具周向位置的實時檢測與調整系統實時監測刀位301中刀具的周向位置，并保持在換刀時和主軸I旋轉的周向位置一致。
[0043]主軸I上安裝有失速報警與系統加工暫定裝置，刀庫3中驅動刀具旋轉的刀具驅動電機304安裝有失速報警與系統加工暫停裝置。
[0044]加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置按照以下步驟進行換刀:
[0045](I)主軸I上的刀具放回到刀庫3中的空刀位301中(卸刀)；
[0046]I)主軸I上的刀具以一定的轉速完成一個工步的加工后，主軸I和刀具一起返回到換刀點，刀具和主軸I繼續旋轉，保持上一個工步加工中所使用的轉速;刀庫3中的刀位換位裝置302提前將將要進行卸刀的空刀位301更換至換刀點，并提前啟動驅動刀具旋轉的刀具驅動電機304，驅動與刀具嚙合的B嚙合裝置305達到和主軸I及刀具同樣的的轉速，且刀庫3的刀夾303與刀柄2上的凹槽203保持同樣高度的對齊狀態，刀柄2上的A嚙合裝置206與刀庫3中的B嚙合裝置305也保持對齊狀態，且通過數控系統以及主軸I與刀庫刀位301中的周向位置的實時檢測與調整系統保證刀具和主軸I的周向位置與刀庫3中B嚙合裝置305的周向位置一致；
[0047]2)刀庫3帶動空刀位301向前移向主軸I上的刀具，刀夾303夾持住刀柄2上的凹槽203，刀位301中的B嚙合裝置305與刀柄2上的A嚙合裝置206相嚙合，此時主軸I和刀柄2及刀位301中的A嚙合裝置206B嚙合裝置305保持同樣的轉速，且軸向位置一致；
[0048]3)主軸I向上抬起到該刀位301的上方，主軸I和刀柄2相配合的錐柄脫離，刀具卸下，刀具放回到了刀庫3的刀位301中，卸下的刀具的轉速通過驅動刀具旋轉的刀具驅動電機304、刀具周向位置的實時檢測與調整系統和數控系統進行聯合調控，使其轉速降低至零。
[0049](2)刀庫3中的另一把刀具裝入主軸1(裝刀)；
[0050]I)主軸I向上抬起到刀位301的上方后，將要裝入主軸I的刀具和刀位301提前啟動進行旋轉，轉速為下一個工步設定的轉速，并且通過數控系統以及主軸I與刀庫3的周向位置的實時檢測與調整系統保證主軸I的周向位置與刀庫3中刀具的周向位置一致，且調整主軸I的轉速與刀具的轉速一致;將要裝入主軸I的刀具和刀位301通過刀位換位裝置302移動到主軸I的下方；
[0051 ] 2)主軸I向下移動，使主軸I的內錐孔102和刀具的外錐柄202相配合，主軸I和刀具實現同周向和同轉速的旋轉；
[0052]3)刀庫3向后退出，刀夾303與刀具脫離，刀柄2上的A嚙合裝置206與刀庫3中的B嚙合裝置305脫離，即實現了刀具到主軸I的安裝。刀具安裝完成后，主軸I即可帶動刀具進行下一個工步的加工。
[0053]經過了上述無機械手的數控加工中心主軸不停轉換刀實驗，其切削到切削的換刀時間從之前主軸I停轉的換刀時間6.2秒減少到了現在主軸I不停轉換刀時間4.3秒，換刀時間減少了近30%。
【主權項】
1.加工中;L.、主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于:包括主軸、刀柄、刀庫和數控系統； 主軸包括主軸旋轉驅動裝置、與刀柄同軸連接的內錐孔、調整主軸轉速的調速系統、主軸周向位置的實時檢測與調整系統；內錐孔設置在主軸的最前端； 刀柄包括與主軸同軸連接的外錐柄、設置在外錐柄下方的刀體、套設在刀體上的軸承，套設在軸承外圈上用來被刀夾夾持的凹槽、A嚙合裝置和刀具；外錐柄設置在刀柄的最上端，軸承、凹槽和A嚙合裝置依次設置在刀體的中部，刀具設置在刀體的下端； 刀庫包括包括多個刀位和刀位換位裝置、每個刀位包括用來夾持刀具的刀夾、驅動刀具旋轉的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、與刀具嚙合的B嚙合裝置；刀位換位裝置根據加工程序需要用來更換刀具的刀位，刀夾通過夾持刀柄上的凹槽來夾持刀具;刀具驅動電機與B嚙合裝置相連接，當需要刀具旋轉時，刀具驅動電機驅動B嚙合裝置旋轉；當刀具裝入刀位后，刀位中的B嚙合裝置與刀柄上的A嚙合裝置相嚙合； 數控系統通過電纜和主軸的調速系統、實時檢測與調整系統、主軸驅動裝置、以及刀庫刀位中的刀具驅動電機、刀具周向位置的實時檢測與調整系統、刀位換位裝置相連接通訊。2.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述套設在刀體上的軸承的外圈和用來被刀夾夾持的凹槽制作成整體的一體化結構。3.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述主軸的主軸周向位置的實時檢測與調整系統實時監測主軸上的刀具的周向位置，并保持在換刀時，主軸上的刀具的周向位置和刀庫刀位中的B嚙合裝置的周向位置一致。4.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述刀庫刀位中刀具周向位置的實時檢測與調整系統實時監測刀位中刀具的周向位置，并保持在換刀時，刀庫刀位中的B嚙合裝置的周向位置和主軸旋轉的周向位置一致。5.根據權利要求1-4中任一條所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述主軸的轉速在0-200000轉/分之間。6.根據權利要求1-4中任一條所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述刀庫中驅動刀具旋轉的刀具驅動電機可驅動刀具轉速在0-200000轉/分之間。7.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述主軸上安裝有失速報警與系統加工暫定裝置。8.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述刀庫中驅動刀具旋轉的刀具驅動電機安裝有失速報警與系統加工暫停裝置。9.根據權利要求1所述的加工中心主軸不停轉無機械手自動換刀裝置，其特征在于，所述A嚙合裝置和B嚙合裝置的嚙合對為齒輪對、渦輪蝸桿、橡膠輪對。
【文檔編號】B23Q3/155GK205630074SQ201620393171
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】張磊, 殷振, 錢蜜, 汪幫富, 齊芳娟, 蔣全勝, 楊鑫銘, 黃開明, 吳雷, 徐帖
【申請人】蘇州科技學院