一种机床用自动换刀系统的制作方法

[0001]
本发明涉及自动换刀技术领域，具体是涉及一种机床用自动换刀系统。


背景技术：

[0002]
在数控机床中，为了能在工件一次装夹中完成多道加工工序，缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀库占地面积小以及安全可靠等基本要求。
[0003]
常见的自动换刀形式包括：回转刀架换刀、更换主轴换刀、带刀库的自动换刀系统，由于带刀库的自动换刀系统具有刀库内刀具数量较大，因而能够进行复杂零件的多工序加工，大大提高了机床的适应性和加工效率。
[0004]
然而现有的带刀库的自动换刀系统多采用盘式刀库和链式刀库，其在很大程度上增强了刀库数量以及换刀效率，但是对于日益复杂的加工中心等，所需刀具数量较大，此时若还采用盘式刀库或链式刀库则会增大刀库的占地面积，造成设备难以设计等问题，同时，在传统换刀系统中，多采用转动卡接插拔的方式进行刀具的更换，由于插拔力度以及橡胶卡套的长期使用，容易出现刀具重复定位精度出现偏差的问题；因此，为了解决上述这些技术问题，现需要一种新型的自动换刀系统来优化这些技术问题。


技术实现要素：

[0005]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种机床用自动换刀系统。
[0006]
本发明的技术方案是：一种机床用自动换刀系统，所述系统包括多盘刀库组件、换刀组件；
[0007]
所述多盘刀库组件包括刀盘控制架、刀具子盘，
[0008]
所述刀盘控制架包括移动主轴、移动套管；所述移动主轴上设有用于驱动移动套管上下移动的位移电机，所述移动套管上设有多个控制盘，所述控制盘上与刀具子盘位置对应一侧设有与刀具夹装模块数量匹配的对位板，
[0009]
所述刀具子盘通过对位条块与控制盘中部设有的电机转动盘连接，刀具子盘设有多组且分别设置在各个相邻控制盘之间，刀具子盘上周向设有多个用于刀具夹装模块运动的刀具轨槽，刀具子盘中心处设有与刀具轨槽匹配的伸缩电机与刀具夹装模块连接，所述刀具夹装模块处配设有用于夹装刀具的夹装控制头；
[0010]
所述换刀组件设置在所述刀盘控制架中部的延伸板上，换刀组件包括换刀抓手、换刀组合电机，所述换刀抓手通过换刀组合电机与延伸板连接。
[0011]
本发明设计的自动换刀系统通过多盘刀库组件与换刀组件的结构设计配合，通过多个刀具子盘对不同刀具进行分盘放置，对同类刀具进行同盘放置，可以有效增加刀具存储量，并且优化大容量刀库的换刀效率，其换刀时间在同类现有大库量的换刀系统中，具有占地面积小、换刀时间短的优势，并且通过换刀组件的结构设计进行换刀操作不影响刀具重复定位精度，其刀具重复定位精度高。
[0012]
进一步地，所述夹装控制头设置于所述刀具夹装模块的凹槽内，夹装控制头内顶部设有活动槽，所述活动槽内设有可上下活动的磁吸活动块，所述磁吸活动块具体为电磁铁并与设置在刀具子盘内中部的电路控制器通过导线连接；所述夹装控制头内下部周向设有多个滑动槽，所述滑动槽内设有装夹片，所述装夹片内侧通过导线及传动件与磁吸活动块连接，所述夹装控制头腔壁内部中空，所述传动件包括多个导向轮，所述导向轮分别设置在所述各个滑动槽内部上方对应的夹装控制头腔壁内部、活动槽上部圆周处，所述装夹片内侧还通过弹簧件与夹装控制头内壁连接。通过夹装控制头的结构设计，可以满足本发明设计的刀具子盘刀具插装位置的需求，可以通过电路控制器执行控制对应磁吸控制，使对应刀具短程下方至换刀抓手处，避免了传统换刀组件通过卡接下拔安插刀具所出现影响重复定位精度的问题，同时通过上述操作可优化提高换刀组件的执行效率，提高换刀效率并且减少刀具刀柄的磨损等问题。
[0013]
更进一步地，所述夹装片外侧上下两端呈弧形设计，且采用橡胶材料制成，所述刀具的刀柄上配设有与夹装片形状匹配的环形槽，且刀柄上端设有用于配合磁吸活动块的磁吸片。通过夹装片的结构设计可以优化刀具刀柄与夹装控制头安插的效果，并且降低刀具刀柄、夹装片的磨损损耗。
[0014]
进一步地，所述换刀组合电机包括用于控制转动的旋转子电机、用于控制升降的升降子电机，换刀组合电机通过旋转子电机、升降子电机的作用使换刀抓手进行换刀操作。
[0015]
进一步地，所述换刀抓手包括抓手主体板，所述抓手主体板两端各设有一个用于夹装刀具刀柄部分的装夹槽，所述装夹槽处设有锁紧组件，所述锁紧组件包括设置在装夹槽两侧内壁的弧形加紧片以及设置在装夹槽上的距离传感器，所述弧形加紧片通过气囊柱与装夹槽内设有的气环管连接，装夹槽圆周外侧设有用于减震防护刀具的弹簧圈，所述距离传感器位于弹簧圈下方的装夹槽上表面，所述换刀抓手中部设有气泵分别与两侧装夹槽的气环管通过管道连接。通过换刀抓手的结构设计，并利用刀具子盘刀具倒装安插设计，通过装夹槽等组件的配合对对应刀具进行快速取换，提高换刀效率并且减少刀具刀柄的磨损等问题。
[0016]
进一步地，所述刀具夹装模块、换刀抓手从多盘刀库组件取刀的一侧上分别设有第一传感器元件、第一传感器配件，所述传感器元件通过与传感器配件对接配合确定换刀抓手的对接位置以及触发夹装控制头对刀具进行夹持；所述对位板、对位条块上分别设有第二传感器元件、第二传感器配件，所述第二传感器元件通过与第二传感器配件对接配合确定对位条块位于所在对位板的位置；所述延伸板、各个刀具子盘上分别设有第三传感器元件、第三传感器配件，所述第三传感器元件通过与第三传感器配件对接配合确定延伸板位于具体刀具子盘的位置，其中，所述第一、第二、第三传感器元件和传感器配件分别为红外线发射器、红外线接收器。通过配设上述各个传感器元件及配件可以满足本发明换刀系统的正常运行，并且传感器元件、传感器配件的使用为市售常用元器件，成本低，有利于大面积生产推广本发明换刀系统。
[0017]
进一步地，所述多盘刀库组件的刀盘控制架外罩设有防护罩，所述防护罩与所述延伸板位置对应处设置有换刀开孔。通过设置防护罩可以避免切屑等进入多盘刀库组件内，影响多盘刀库组件的正常运行。
[0018]
进一步地，所述相邻两个控制盘之间间距根据具体放置刀具的刀具子盘总厚度进
行设置，且相邻两个控制盘之间间距应大于刀具及刀具子盘总厚度的1.5倍。对刀具下方的控制盘区域通过预留较大空间，防止刀具在被换刀抓手夹装时刀具前端与刀具子盘下方的控制盘发生碰撞而损伤刀具。
[0019]
本发明系统的工作方法为：
[0020]
采用目前加工中心上大量使用记忆式的方式对刀具位置以及刀具子盘位置进行记忆，这种方式能将刀具号和多盘刀库组件中的各个刀具子盘位置以及各个刀具子盘上刀具夹装模块位置对应地记忆在数控系统的plc中，无论刀具放在哪个刀具夹装模块内，刀具信息都始终记存在plc内，通过自动换刀系统中各个传感器元件和传感器配件可获得每个刀具夹装模块的位置信息，这样刀具就可以任意取出并送回；
[0021]
将刀具分类放置在对应的刀具子盘中，我们以三纵八位为例进行说明，即3个刀具子盘，每个刀具子盘上设有8个刀具夹装模块；
[0022]
多盘刀库组件的工作模式：
[0023]
1)刀具子盘的位置确认：通过第三传感器元件、第三传感器配件的配合可以确定与延伸板所对应的刀具子盘位置；
[0024]
2)刀具夹装模块的位置确认：通过第二传感器元件、第二传感器配件的配合可以确定与对应延伸板处的对位板和对位条块的对应位置，以确定所需刀具的刀具夹装模块进入此处的对位板中；
[0025]
3)换刀的位置确认：通过第一传感器元件、第一传感器配件的配合可以确定刀具夹装模块与换刀抓手的位置对接以及换刀操作程式执行；
[0026]
对三组刀具子盘分别从上到下依次记作a盘、b盘、c盘，每个刀具子盘上的刀具夹装模块顺次依次记作a1、a2、...、c7、c8；常态位为中部的刀具子盘所在位置对应延伸板位置，即b盘与延伸板位置对应；
[0027]
当需要选取a盘的a4刀具，则通过plc作用，执行1)和2)的位置确认操作，具体为，
[0028]
1)启动位移电机使移动套管沿着移动主轴下移，使其a盘的第三传感器元件与延伸板的第三传感器配件对应，即实现了刀具子盘的位置切换；
[0029]
2)启动电机转动盘使对位条块及刀具子盘进行转动，使对位条块的第二传感器配件转动至对应设有第二传感器配件的对位板，使所需a4刀具转动至与延伸板所对应位置处，随后启动伸缩电机使其推动a4刀具所在的刀具夹装模块沿着刀具轨槽运动至延伸板处进行后续的换刀操作；
[0030]
通过换刀组件的作用对a4刀具进行夹取并替换机床原有刀具，与上述原理相同，使卸载后刀具归入刀库原a4刀具所在位置，并在plc中记忆存储，此时常态位为a盘与延伸板位置对应，后续换刀依照上述流程进行更换；
[0031]
其中，换刀组件的工作方法为：当a4刀具及其刀具夹装模块移动至延伸板处时，通过第一传感器元件、第一传感器配件的配合确定刀具夹装模块与换刀抓手的位置对接，然后并触发换刀组合电机完成取刀—回转—插刀—返回的一系列流程，具体为：
[0032]
当a4刀具及其刀具夹装模块移动至延伸板处时，换刀组合电机先完成下降-回转的待机操作，然后根据第一传感器元件、第一传感器配件配合触发换刀组合电机的升降子电机使其上升，并且触发夹装控制头释放a4刀具，使其短程下落至换刀抓手上的装夹槽，同时由于a4刀具具有重量，自然下压弹簧圈从而触发距离传感器，进而使气泵工作对气环管
及气囊柱充气从而通过弧形夹紧片对a4刀具进行锁紧，随后启动旋转子电机进行回转，同时通过升降子电机上升，将卸载刀具以及a4刀具分别插入刀具子盘、机床上，由于机床、刀具子盘对刀具锁紧，从而弹簧圈失去下压力，从而通过距离传感器作用解除对刀具的锁紧，
[0033]
夹装控制头的工作原理：其通过电路控制器作用控制各个磁吸活动块是否通电通磁，只有在换刀抓手的第一传感器元件与对应的刀具夹装模块的第一传感器配件对接期间才停止通电，使其失去磁吸活动块失去磁性，因而，磁吸活动块在弹簧件的弹力作用下，通过导线及导向轮作用使其沿着活动槽上移，同时夹装片沿着滑动槽向内运动，松开对刀具刀柄处的锁紧，从而在刀具自身重力的情况下下落至换刀抓手，当第一传感器元件与第一传感器配件失去对接后磁吸活动块再次通电通磁，等待卸载刀具进行归位安插，与上述原理相同。
[0034]
本发明的有益效果是：
[0035]
(1)本发明设计的自动换刀系统通过多盘刀库组件与换刀组件的结构设计配合，换刀时间在同类现有大库量的换刀系统中，具有占地面积小、换刀时间短的优势，并且通过换刀组件的结构设计进行换刀操作不影响刀具重复定位精度，其刀具重复定位精度高。
[0036]
(2)本发明通过多盘刀库组件的结构设计，利用其各个组件的配合作用，可以使刀库刀具容载量增多，且在进行各个刀具子盘切换的同时可以同时进行此刀具子盘内具体刀具的位置调整，从而达到换刀执行效率高效的优势，并且多盘刀库组件采用纵向设置，其整体空间占用小。
[0037]
(3)本发明通过夹装控制头的结构设计，避免了传统换刀组件通过卡接下拔安插刀具所出现影响重复定位精度的问题，同时通过与换刀组件的配合，可优化提高换刀组件的执行效率，提高换刀效率并且减少刀具刀柄的磨损等问题。
附图说明
[0038]
图1是本发明自动换刀系统的整体结构示意图。
[0039]
图2是本发明控制盘的俯视结构示意图。
[0040]
图3是本发明图2的a处结构放大图。
[0041]
图4是本发明刀具子盘的仰视结构示意图。
[0042]
图5是本发明刀具子盘的剖面结构示意图。
[0043]
图6是本发明图5的b处结构放大图。
[0044]
图7是本发明换刀抓手的剖面结构示意图。
[0045]
图8是本发明图7的c处结构放大图。
[0046]
其中，1-刀盘控制架、11-移动主轴、12-移动套管、13-控制盘、14-对位板、15-位移电机、16-电机转动盘、17-延伸板、18-防护罩、2-刀具子盘、21-刀具轨槽、22-刀具夹装模块、23-对位条块、24-伸缩电机、25-电路控制器、3-夹装控制头、31-活动槽、32-磁吸活动块、33-滑动槽、34-装夹片、35-导向轮、36-弹簧件、4-换刀抓手、41-抓手主体板、42-装夹槽、43-弧形加紧片、44-距离传感器、45-气囊柱、46-气环管、47-弹簧圈、48-气泵、5-换刀组合电机、51-旋转子电机、52-升降子电机、6-红外线发射器、7-红外线接收器。
具体实施方式
[0047]
如图1所示，一种机床用自动换刀系统，所述系统包括多盘刀库组件、换刀组件；所述多盘刀库组件包括刀盘控制架1、刀具子盘2，所述刀盘控制架1包括移动主轴11、移动套管12；所述移动主轴11上设有用于驱动移动套管12上下移动的位移电机15，所述移动套管12上设有4个控制盘13，所述控制盘13上与刀具子盘2位置对应一侧设有与刀具夹装模块22数量匹配的对位板14，所述多盘刀库组件的刀盘控制架1外罩设有防护罩18，所述防护罩18与所述延伸板17位置对应处设置有换刀开孔。通过设置防护罩18可以避免切屑等进入多盘刀库组件内，影响多盘刀库组件的正常运行。所述相邻两个控制盘13之间间距根据具体放置刀具的刀具子盘2总厚度进行设置，且相邻两个控制盘13之间间距应大于刀具及刀具子盘总厚度的1.5倍。对刀具下方的控制盘13区域通过预留较大空间，防止刀具在被换刀抓手4夹装时刀具前端与刀具子盘2下方的控制盘13发生碰撞而损伤刀具
[0048]
如图4、5所示，所述刀具子盘2通过对位条块23与控制盘13中部设有的电机转动盘16连接，刀具子盘2设有3组且分别设置在各个相邻控制盘13之间，刀具子盘2上周向设有8个用于刀具夹装模块22运动的刀具轨槽21，刀具子盘2中心处设有与刀具轨槽21匹配的伸缩电机24与刀具夹装模块22连接，所述刀具夹装模块22处配设有用于夹装刀具的夹装控制头3；
[0049]
如图6所示，所述夹装控制头3设置于所述刀具夹装模块22的凹槽内，夹装控制头3内顶部设有活动槽31，所述活动槽31内设有可上下活动的磁吸活动块32，所述磁吸活动块32具体为电磁铁并与设置在刀具子盘2内中部的电路控制器25通过导线连接；所述夹装控制头3内下部周向设有多个滑动槽33，所述滑动槽33内设有装夹片34，所述装夹片34内侧通过导线及传动件与磁吸活动块32连接，所述夹装控制头3腔壁内部中空，所述传动件包括多个导向轮35，所述导向轮35分别设置在所述各个滑动槽33内部上方对应的夹装控制头3腔壁内部、活动槽31上部圆周处，所述装夹片34内侧还通过弹簧件36与夹装控制头3内壁连接。通过夹装控制头3的结构设计，可以满足本发明设计的刀具子盘2刀具插装位置的需求，可以通过电路控制器25执行控制对应磁吸控制，使对应刀具短程下方至换刀抓手4处，避免了传统换刀组件通过卡接下拔安插刀具所出现影响重复定位精度的问题，同时通过上述操作可优化提高换刀组件的执行效率，提高换刀效率并且减少刀具刀柄的磨损等问题。所述夹装片34外侧上下两端呈弧形设计，且采用橡胶材料制成，所述刀具的刀柄上配设有与夹装片34形状匹配的环形槽，且刀柄上端设有用于配合磁吸活动块32的磁吸片。通过夹装片34的结构设计可以优化刀具刀柄与夹装控制头3安插的效果，并且降低刀具刀柄、夹装片34的磨损损耗。
[0050]
如图1所示，所述换刀组件设置在所述刀盘控制架1中部的延伸板17上，换刀组件包括换刀抓手4、换刀组合电机5，所述换刀抓手4通过换刀组合电机5与延伸板17连接。所述换刀组合电机5包括用于控制转动的旋转子电机、用于控制升降的升降子电机，换刀组合电机5通过旋转子电机、升降子电机的作用使换刀抓手4进行换刀操作。
[0051]
如图7、8所示，所述换刀抓手4包括抓手主体板41，所述抓手主体板41两端各设有一个用于夹装刀具刀柄部分的装夹槽42，所述装夹槽42处设有锁紧组件，所述锁紧组件包括设置在装夹槽42两侧内壁的弧形加紧片43以及设置在装夹槽42上的距离传感器44，所述弧形加紧片43通过气囊柱45与装夹槽42内设有的气环管46连接，装夹槽42圆周外侧设有用
于减震防护刀具的弹簧圈47，所述距离传感器44位于弹簧圈47下方的装夹槽42上表面，所述换刀抓手4中部设有气泵48分别与两侧装夹槽42的气环管46通过管道连接。通过换刀抓手4的结构设计，并利用刀具子盘2刀具倒装安插设计，通过装夹槽42等组件的配合对对应刀具进行快速取换，提高换刀效率并且减少刀具刀柄的磨损等问题。
[0052]
如图1、3、5、7所示，所述刀具夹装模块22、换刀抓手4从多盘刀库组件取刀的一侧上分别设有第一传感器元件、第一传感器配件，所述传感器元件通过与传感器配件对接配合确定换刀抓手的对接位置以及触发夹装控制头对刀具进行夹持；所述对位板14、对位条块23上分别设有第二传感器元件、第二传感器配件，所述第二传感器元件通过与第二传感器配件对接配合确定对位条块23位于所在对位板14的位置；所述延伸板17、各个刀具子盘2上分别设有第三传感器元件、第三传感器配件，所述第三传感器元件通过与第三传感器配件对接配合确定延伸板17位于具体刀具子盘2的位置，其中，所述第一、第二、第三传感器元件和传感器配件分别为红外线发射器6、红外线接收器7。通过配设上述各个传感器元件及配件可以满足本发明换刀系统的正常运行，并且传感器元件、传感器配件的使用为市售常用元器件，成本低，有利于大面积生产推广本发明换刀系统。
[0053]
本发明设计的自动换刀系统通过多盘刀库组件与换刀组件的结构设计配合，通过多个刀具子盘2对不同刀具进行分盘放置，对同类刀具进行同盘放置，可以有效增加刀具存储量，并且优化大容量刀库的换刀效率，其换刀时间在同类现有大库量的换刀系统中，具有占地面积小、换刀时间短的优势，并且通过换刀组件的结构设计进行换刀操作不影响刀具重复定位精度，其刀具重复定位精度高。
[0054]
上述自动换刀系统的工作方法为：
[0055]
采用目前加工中心上大量使用记忆式的方式对刀具位置以及刀具子盘2位置进行记忆，这种方式能将刀具号和多盘刀库组件中的各个刀具子盘2位置以及各个刀具子盘2上刀具夹装模块22位置对应地记忆在数控系统的plc中，无论刀具放在哪个刀具夹装模块22内，刀具信息都始终记存在plc内，通过自动换刀系统中各个传感器元件和传感器配件可获得每个刀具夹装模块22的位置信息，这样刀具就可以任意取出并送回；
[0056]
将刀具分类放置在对应的刀具子盘2中，我们以三纵八位为例进行说明，即3个刀具子盘2，每个刀具子盘2上设有8个刀具夹装模块22；
[0057]
多盘刀库组件的工作模式：
[0058]
1)刀具子盘2的位置确认：通过第三传感器元件、第三传感器配件的配合可以确定与延伸板17所对应的刀具子盘2位置；
[0059]
2)刀具夹装模块22的位置确认：通过第二传感器元件、第二传感器配件的配合可以确定与对应延伸板17处的对位板14和对位条块23的对应位置，以确定所需刀具的刀具夹装模块22进入此处的对位板14中；
[0060]
3)换刀的位置确认：通过第一传感器元件、第一传感器配件的配合可以确定刀具夹装模块22与换刀抓手4的位置对接以及换刀操作程式执行；
[0061]
对三组刀具子盘2分别从上到下依次记作a盘、b盘、c盘，每个刀具子盘2上的刀具夹装模块22顺次依次记作a1、a2、...、c7、c8；常态位为中部的刀具子盘2所在位置对应延伸板17位置，即b盘与延伸板17位置对应；
[0062]
当需要选取a盘的a4刀具，则通过plc作用，执行1)和2)的位置确认操作，具体为，
[0063]
1)启动位移电机15使移动套管12沿着移动主轴11下移，使其a盘的第三传感器元件与延伸板17的第三传感器配件对应，即实现了刀具子盘2的位置切换；
[0064]
2)启动电机转动盘16使对位条块23及刀具子盘2进行转动，使对位条块23的第二传感器配件转动至对应设有第二传感器配件的对位板14，使所需a4刀具转动至与延伸板17所对应位置处，随后启动伸缩电机24使其推动a4刀具所在的刀具夹装模块22沿着刀具轨槽21运动至延伸板17处进行后续的换刀操作；
[0065]
通过换刀组件的作用对a4刀具进行夹取并替换机床原有刀具，与上述原理相同，使卸载后刀具归入刀库原a4刀具所在位置，并在plc中记忆存储，此时常态位为a盘与延伸板17位置对应，后续换刀依照上述流程进行更换；
[0066]
其中，换刀组件的工作方法为：当a4刀具及其刀具夹装模块22移动至延伸板17处时，通过第一传感器元件、第一传感器配件的配合确定刀具夹装模块22与换刀抓手4的位置对接，然后并触发换刀组合电机5完成取刀—回转—插刀—返回的一系列流程，具体为：
[0067]
当a4刀具及其刀具夹装模块22移动至延伸板17处时，换刀组合电机5先完成下降-回转的待机操作，然后根据第一传感器元件、第一传感器配件配合触发换刀组合电机5的升降子电机52使其上升，并且触发夹装控制头3释放a4刀具，使其短程下落至换刀抓手4上的装夹槽42，同时由于a4刀具具有重量，自然下压弹簧圈47从而触发距离传感器44，进而使气泵工作对气环管46及气囊柱45充气从而通过弧形夹紧片43对a4刀具进行锁紧，随后启动旋转子电机51进行回转，同时通过升降子电机52上升，将卸载刀具以及a4刀具分别插入刀具子盘2、机床上，由于机床、刀具子盘2对刀具锁紧，从而弹簧圈47失去下压力，从而通过距离传感器44作用解除对刀具的锁紧，
[0068]
夹装控制头3的工作原理：其通过电路控制器25作用控制各个磁吸活动块32是否通电通磁，只有在换刀抓手4的第一传感器元件与对应的刀具夹装模块22的第一传感器配件对接期间才停止通电，使其失去磁吸活动块32失去磁性，因而，磁吸活动块32在弹簧件36的弹力作用下，通过导线及导向轮35作用使其沿着活动槽31上移，同时夹装片34沿着滑动槽33向内运动，松开对刀具刀柄处的锁紧，从而在刀具自身重力的情况下下落至换刀抓手4，当第一传感器元件与第一传感器配件失去对接后磁吸活动块32再次通电通磁，等待卸载刀具进行归位安插，与上述原理相同。
[0069]
注：本发明自动换刀系统需要配合机床刀具夹头具有自动夹持与释放的功能；上述提到的位移电机15、电机转动盘16、伸缩电机24、换刀组合电机5均选用市售品牌产品或根据市售产品进行外形结构的调整以适用本发明装置系统，电路控制器25具体为电控控制开关，磁吸活动块32选用市售电磁铁或根据现有电磁铁进行外形调整以适用本发明需要，上述距离传感器44、红外线发射器6、红外线接收器7均选用市售品牌产品。