数控机床刀具快速更换方法及刀库与流程

本发明属于数控机床领域，具体提供一种数控机床刀具快速更换方法及刀库。

背景技术：

目前，刀库都是通过异步电机安装减速机，进而带动凸轮结构进行换刀，刀库与电主轴之间的换刀过程通过多个接近开关进行位置判定和信息反馈，由于接近开关的定位精度不高，异步电机的转速不可控制，使得换刀时间较长。另外，由于液压打刀缸是通过液压泵提供液压油和压力，液压的加载过程需要一定时间，从而又增加了换刀时间。

相应地，本领域需要一种新的刀具更换方法来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有数控机床中刀库与电主轴之间换刀时间较长的问题，本发明提供了一种数控机床刀具快速更换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：数控系统发出换刀指令；刀仓伺服电机驱动刀仓旋转，并将目标刀具旋转至换刀位置；机械手伺服电机驱动机械手旋转，并将机械手旋转至待更换刀具位置；在机械手旋转的同时打刀缸开始打刀；机械手进行换刀。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，所述刀仓伺服电机上设置有第一编码器，所述第一编码器用于精确定位所述目标刀具的位置。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，当所述目标刀具旋转至换刀位置时，所述数控系统控制所述机械手伺服电机旋转。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，所述机械手伺服电机上设置有第二编码器，所述第二编码器用于精确定位所述机械手的位置。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，所述机械手没有夹持刀具时的旋转速度大于所述机械手夹持刀具时的旋转速度。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，所述打刀缸在所述机械手到达待更换刀具位置并握住电主轴上的刀具时刚好完成打刀动作。

在上述数控机床刀具快速更换方法的优选实施方式中，通过控制打刀缸的进油压力和进油速度来控制打刀缸的打刀速度。

根据本发明的另一方面，提供一种具有刀具快速更换功能的刀库。所述刀库包括：用于放置刀具的刀仓、用于驱动所述刀仓旋转并连接到所述刀仓上的刀仓伺服电机、用于更换刀具的机械手、用于驱动机械手旋转并连接到所述机械手上的机械手伺服电机；所述刀仓伺服电机上设置有第一编码器，所述第一编码器用于精确定位所述刀仓上每把刀具的位置；并且/或者所述机械手伺服电机上设置有第二编码器，所述第二编码器用于精确定位所述机械手的位置。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，通过刀仓伺服电机驱动刀仓旋转，机械手伺服电机驱动机械手旋转，使得刀仓和机械手的旋转速度与现有技术相比转速更快、到位更准确；通过在刀仓伺服电机上设置第一编码器，在机械手伺服电机上设置第二编码器，使得刀仓和机械手能够被精确地定位。进一步，本发明充分利用打刀缸的操作速度与伺服电机驱动的机械手相比存在滞后的特点，在机械手开始旋转时就命令打刀缸开始执行打刀操作，使得当机械手到达待更换刀具位置并握住电主轴上的刀具时打刀缸刚好完成打刀操作，而不是像现有技术中那样等机械手握住刀具之后才启动打刀缸。因此，本发明的方法和设备能够更快速地更换刀具，同时又保证了刀仓与机械手定位的准确性，避免了出现掉刀、乱刀等现象。

附图说明

图1是本发明的数控机床刀具快速更换方法的步骤流程图；

图2是本发明的具有刀具快速更换功能的刀库的结构示意图；

图3是图2中具有刀具快速更换功能的刀库的A部放大图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然附图中各组件之间是按一定位置关系进行绘制的，但这种位置关系非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的数控机床刀具快速更换方法主要包括以下步骤：

步骤S100，预先在机床的数控系统中编好加工零件需要执行的工序，电主轴需要换刀时，由数控系统发出换刀指令。

步骤S200，设置在刀仓伺服电机上的第一编码器能够精确定位刀仓上的每一把刀具，数控系统根据当前目标刀具的位置与换刀位置的角度，计算出刀仓伺服电机驱动刀仓将目标刀具旋转到换刀位置所需转动的角度，进一步计算出刀仓伺服电机驱动刀仓转过该角度所需要的信号脉冲数量，从而控制刀仓伺服电机正转或反转，进而驱动刀仓正转或反转。刀仓伺服电机在旋转过程中会不断地将自身旋转的角度以脉冲信号的形式反馈给数控系统，当刀仓伺服电机反馈给数控系统的脉冲数量与数控系统计算的脉冲数量相等时，目标刀具旋转到换刀位置，刀仓伺服电机停止旋转。

步骤S300，当目标刀具到达换刀位置时，或者在目标刀具到达换刀位置之后，机械手伺服电机开始驱动机械手旋转，此时由于机械手上没有夹持刀具，所以机械手以快于现有技术中的异步电机所驱动的转速高速旋转。在机械手旋转的过程中由设置在机械手伺服电机上的第二编码器精确定位机械手的位置。数控系统通过第二编码器获得机械手当前位置与待更换刀具的位置之间的角度，并计算出机械手伺服电机驱动机械手转过该角度所需的信号脉冲数量，从而控制机械手伺服电机旋转，机械手伺服电机在旋转过程中会不断地将自身旋转的角度以脉冲信号的形式反馈给数控系统，当机械手伺服电机反馈给数控系统的脉冲数量与数控系统所计算的脉冲数量相等时，机械手旋转到待更换刀具位置，机械手伺服电机停止旋转。

步骤S400，在机械手开始旋转时，设置在电主轴上的打刀缸开始打刀，通过控制进入打刀缸内的液压油速度和压力，使得在机械手到达待更换刀具位置或握住刀具时，打刀缸刚好完成打刀动作。本领域技术人员能够理解的是，进入打刀缸的液压油速度也不能过快，以防止液压油对打刀缸造成冲击，进而对电主轴造成冲击，同时防止在机械手还没有到达待更换刀具位置时，刀具就从电主轴上脱落，即掉刀。

步骤S500，机械手的两端分别握住并夹紧电主轴上的刀具和刀仓上的目标刀具，然后由机械手伺服电机驱动机械手旋转，当目标刀具到达电主轴卡盘位置时，机械手停止旋转，此时更换刀具。当刀具更换完毕后机械手快速地回到初始位置，电主轴开始工作。本领域技术人员能够理解的是，为了防止掉刀，机械手夹持刀具时机械手伺服电机的转速不能过快。此外，尽管这里没有描述，本发明的方法还包括：在刀仓上的目标刀具旋转到换刀位置之后，机械手抓握目标刀具之前，刀仓会执行一个“倒刀”操作，通过该操作，刀仓上的目标刀具被从垂直于刀仓平面的存储姿态转换成平行于刀仓平面的换刀姿态，以便机械手能够抓取到它。

需要说明的是，在机械手完成换刀后，电主轴上的刀具放置到了刀仓上目标刀具的刀位上，该刀位上刀具的型号必须由数控系统重新记录，以便下次换刀时，能够准确地更换刀具。

本领域技术人员还能够理解的是，由于第一编码器和第二编码器的设置，使得刀仓上的每把刀具和机械手都能够得到精确定位，避免出现掉刀和乱刀的现象。进一步，在刀库换刀系统中还可设置报警系统，以便出现掉刀或乱刀时，数控系统会发出报警。这里的报警系统可以通过第一编码器、刀仓伺服电机、第二编码器和机械手伺服电机对刀仓与机械手转速以及角度的实时监测并将监测数据发给数控系统由数控系统进行处理，继而当要发生或发生掉刀或乱刀时做出报警，还可以在机床换刀系统中设置单独的报警装置，当机床将要发生或发生掉刀或乱刀时做出报警。

如图2和图3所示，图2和图3示出了一种具有上述方法所描述功能的刀库，即具有刀具快速更换功能的刀库，该刀库包括刀仓组件1和换刀装置2，刀仓组件1又包括刀仓11、刀仓伺服电机12和第一编码器(图中未示出)，换刀装置2又包括机械手21、机械手伺服电机22和第二编码器(图中未示出)。刀仓伺服电机12与刀仓11固定连接，并且能够驱动刀仓11旋转。机械手伺服电机22与机械手21固定连接，并且能够驱动机械手21旋转。第一编码器固定安装在刀仓伺服电机12上，用于精准定位刀仓11上每把刀具的位置；第二编码器固定安装在机械手伺服电机22上，用于精准定位机械手21转动的位置。

继续参阅图2和图3所示，电主轴3上设置有刀具31、刀具锁紧装置32以及打刀缸4，打刀缸4又包括：缸体41、活塞43、活塞杆44、弹簧45和位移传感器46。缸体41固定连接在电主轴3上，活塞43与活塞杆44固定连接，优选地采用螺纹连接，并且活塞43和活塞杆44可滑动地设置在缸体41的内部，活塞杆44在滑动时能够抵靠并推动刀具锁紧装置32完成打刀动作。活塞43的上端与缸体41之间设置有进油腔42。弹簧45的上端与活塞43的下端抵接，弹簧45的下端与缸体41抵接，并且弹簧45在装配好的情况下会一直给活塞43施加一个向上的力。位移传感器46设置在缸体41上，用于监测活塞杆44的伸出长度，进而通过车床数控系统计算出活塞杆44的伸出速度。

下面根据图2和图3来详细说明具有刀具快速更换功能的刀库的换刀过程。首先由数控系统发出换刀指令，然后刀仓伺服电机12驱动刀仓11开始转动，当刀仓11上的目标刀具旋转到换刀位置时，刀仓停止转动；继而机械手伺服电机22驱动机械手21开始旋转，当机械手21到达待更换刀具位置时，机械手21停止转动；在机械手21开始转动的同时打刀缸4开始打刀，通过控制液压油进入进油腔42内的压力和速度来控制活塞杆44的伸出速度，使得在机械手21握住刀具31时，打刀缸4刚好完成打刀动作；然后机械手21握紧刀具31与目标刀具并将两者进行更换，完成换刀动作后，机械手21复位。最后换刀动作完成后进油腔42泄压，在弹簧45的作用下活塞杆44向上运动，目标刀具被刀具锁紧装置32锁紧。

需要说明的是，机械手21在没有夹持刀具时，转动速度可以尽可能地快些；机械手21在夹持刀具时，在保证刀具不会被甩出的情况下，转动速度也可以尽可能地快些。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。