一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置及其模塊化的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀裝置，尤其是涉及一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置及其模塊化的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)換刀裝置是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸與刀庫之間刀具傳遞和裝卸的加工中心自動(dòng)化裝置，根據(jù)換刀方式通常可將分為有機(jī)械手的換刀方式和由刀庫與機(jī)床主軸的相對運(yùn)動(dòng)完成換刀動(dòng)作的無機(jī)械手換刀。自動(dòng)換刀裝置是數(shù)控加工中心的一個(gè)重要輔助裝置，其主要作用為縮短加工過程中的非切削時(shí)間，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)換刀裝置的換刀時(shí)間、穩(wěn)定性與可靠性對工件的加工效率和表面加工質(zhì)量都具有一定影響，是衡量數(shù)控加工中心的先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。因此研究和改進(jìn)自動(dòng)換刀裝置，對數(shù)控加工中心的研究和發(fā)展具有重大意義。
[0003]在當(dāng)前的數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀裝置中，由機(jī)械手換刀方式應(yīng)用最為普遍。由換刀機(jī)械手把刀庫里的刀具送到主軸上，并把主軸上需要更換的刀具送回刀庫。目前常用的自動(dòng)換刀機(jī)械手有單臂式機(jī)械手、雙臂式機(jī)械手、擺刀式機(jī)械手。這幾種換刀裝置雖然可以縮短換刀時(shí)間，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，造價(jià)比較高，對環(huán)境有一定要求，互換性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置及其模塊化的設(shè)計(jì)方法，解決現(xiàn)有技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)和檢修成本高，互換性差等問題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案:
一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置，所述自動(dòng)換刀裝置包括傳動(dòng)箱、機(jī)械卡爪、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，所述傳動(dòng)箱上面設(shè)置有定位導(dǎo)軌和定位導(dǎo)槽，所述伸縮機(jī)構(gòu)包括剪叉機(jī)構(gòu)、控制滑塊和電機(jī)，所述剪叉機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述定位導(dǎo)軌上，剪叉機(jī)構(gòu)兩端連接機(jī)械卡爪，中間的鉸接軸銷連接控制滑塊，所述控制滑塊設(shè)置在傳動(dòng)箱的定位導(dǎo)槽上并且與電機(jī)連接，所述電機(jī)設(shè)置在傳動(dòng)箱里內(nèi)部，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在傳動(dòng)箱下方，與傳動(dòng)箱固定連接，所述升降機(jī)構(gòu)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方，與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接。
[0006]機(jī)械卡爪用于實(shí)現(xiàn)抓取刀具功能，通過剪叉機(jī)構(gòu)、控制滑塊、電機(jī)的組合，沿著傳動(dòng)箱上面設(shè)置的定位導(dǎo)軌和定位導(dǎo)槽，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀裝置的伸出和抓取功能，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，升降機(jī)構(gòu)通過升降電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)升降，升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀裝置的拔刀和換刀動(dòng)作。換刀過程中卡爪的伸出和抓取刀具的動(dòng)作由剪叉機(jī)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明各個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件分別獨(dú)立。若在實(shí)際操作中出現(xiàn)問題，可進(jìn)行快速檢修，各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件相對應(yīng)哪個(gè)部分出現(xiàn)問題，則只需要更換相應(yīng)部分即可，如伸縮動(dòng)作失效則檢查剪叉部件等零部件，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作失效則更換旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，升降動(dòng)作失效則更換升降機(jī)構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步地，所述機(jī)械卡爪上面設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器能反饋機(jī)械卡爪抓取刀具時(shí)的壓力大小，從而控制機(jī)械卡爪的抓取力度。
[0008]進(jìn)一步地，所述電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。
[0009]進(jìn)一步地，所述自動(dòng)換刀裝置的模塊化設(shè)計(jì)方法，所述方法包括以下步驟:
SI通過標(biāo)準(zhǔn)化的刀柄數(shù)據(jù)、刀庫的刀座中心與主軸中心的距離確定機(jī)械卡爪的位置和角度，建立模型，確定升降機(jī)構(gòu)有效位移量的最小值I;
S2測量刀庫的刀座平面與主軸前端平面夾角，用以調(diào)試電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)η;
S3通過模型確定四個(gè)卡爪的連線交叉點(diǎn)或兩對卡爪相對距離的中心點(diǎn)，選取剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)m，確定2m個(gè)支點(diǎn)的直徑和4m個(gè)剪叉桿的桿長，從而確定其導(dǎo)軌參數(shù)；
S4裝配，通過PLC設(shè)計(jì)其控制程序。
[0010]其中，所述步驟SI中，刀庫的刀座中心與主軸中心的距離需要實(shí)際測量得出，其誤差范圍不超過0.001m。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟S2中，電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)通過刀庫的刀座平面與主軸前端平面夾角、電機(jī)與控制滑塊之間的傳動(dòng)比兩個(gè)數(shù)值確定。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟S3中，剪叉桿的個(gè)數(shù)是總支點(diǎn)個(gè)數(shù)的兩倍，是剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)的四倍。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
1.本發(fā)明提供的自動(dòng)換刀裝置，其換刀過程中卡爪的伸出和抓取刀具的動(dòng)作由一個(gè)剪叉機(jī)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，且各個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件分別獨(dú)立，方便檢修和維護(hù)；
2.本發(fā)明提供的自動(dòng)換刀裝置，其對工作環(huán)境無特殊要求，可適應(yīng)酸堿腐蝕環(huán)境，粉塵環(huán)境等各種工作環(huán)境；
3.本發(fā)明提供的自動(dòng)換刀裝置，可以大大降低自動(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)和檢修成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，且造價(jià)低廉;通過縮短數(shù)控加工中心的換刀時(shí)間，減少非切削時(shí)間，從而增加了加工中心的加工效率。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、具有良好互換性、可以實(shí)現(xiàn)模塊化、系列化和快速設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種加工中心的換刀環(huán)境，通過減少換刀時(shí)間縮短非切削時(shí)間，從而提高數(shù)控加工中心的工作效率。由于其良好的互換性，也可以降低自動(dòng)換刀裝置的后期維護(hù)成本。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的PLC外部接線示意圖；
圖3為本發(fā)明的控制流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[00?7 ]如圖1所示，一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置，所述自動(dòng)換刀裝置包括傳動(dòng)箱1、機(jī)械卡爪2、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4和升降機(jī)構(gòu)5，傳動(dòng)箱I上面設(shè)置有定位導(dǎo)軌11和定位導(dǎo)槽12，伸縮機(jī)構(gòu)包括剪叉機(jī)構(gòu)31、控制滑塊32和電機(jī)，剪叉機(jī)構(gòu)31設(shè)置在定位導(dǎo)軌11上，剪叉機(jī)構(gòu)31兩端連接機(jī)械卡爪2，機(jī)械卡爪2上面設(shè)置有壓力傳感器21，剪插機(jī)構(gòu)31中間的鉸接軸銷連接控制滑塊32，控制滑塊32設(shè)置在傳動(dòng)箱I的定位導(dǎo)槽12上并且與電機(jī)連接，電機(jī)設(shè)置在傳動(dòng)箱I里內(nèi)部(圖中沒顯示)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4設(shè)置在傳動(dòng)箱I下方，與傳動(dòng)箱I固定連接，升降機(jī)構(gòu)5設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4下方，與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4連接。
[0018]上述的自動(dòng)換刀裝置，可以根據(jù)不同的加工需要，快速設(shè)計(jì)出本裝置的方法: 第一步:通過標(biāo)準(zhǔn)化的刀柄數(shù)據(jù)、刀庫的刀座中心與主軸中心的距離確定機(jī)械卡爪的位置和角度，建立模型，確定升降機(jī)構(gòu)有效位移量的最小值I;
第二步:測量刀庫的刀座平面與主軸前端平面夾角，用以調(diào)試電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)η;第三步:通過模型確定四個(gè)卡爪的連線交叉點(diǎn)或兩對卡爪相對距離的中心點(diǎn)，選取剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)m，確定2m個(gè)支點(diǎn)的直徑和4m個(gè)剪叉桿的桿長，從而確定其導(dǎo)軌參數(shù)。剪叉桿的個(gè)數(shù)是總支點(diǎn)個(gè)數(shù)的兩倍，是剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)的四倍；
第四步:裝配，裝配示意圖如圖2所示；
第五步:通過PLC進(jìn)行外部接線外部接線，PLC外部接線示意圖如圖2所示。
[0019]根據(jù)圖3所示的自動(dòng)換刀裝置控制流程示意圖設(shè)計(jì)其PLC控制程序，首先主軸準(zhǔn)停，刀庫選刀，然后自動(dòng)換刀裝置依次按抓刀、拔刀、換刀、插刀四個(gè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)換刀，最后自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行復(fù)位，準(zhǔn)備下一次換刀動(dòng)作。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置，其特征在于，所述自動(dòng)換刀裝置包括傳動(dòng)箱、機(jī)械卡爪、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，所述傳動(dòng)箱上面設(shè)置有定位導(dǎo)軌和定位導(dǎo)槽，所述伸縮機(jī)構(gòu)包括剪叉機(jī)構(gòu)、控制滑塊和電機(jī)，所述剪叉機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述定位導(dǎo)軌上，剪叉機(jī)構(gòu)兩端連接機(jī)械卡爪，中間的鉸接軸銷連接控制滑塊，所述控制滑塊設(shè)置在傳動(dòng)箱的定位導(dǎo)槽上并且與電機(jī)連接，所述電機(jī)設(shè)置在傳動(dòng)箱里內(nèi)部，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在傳動(dòng)箱下方，與傳動(dòng)箱固定連接，所述升降機(jī)構(gòu)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方，與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)換刀裝置，其特征在于，所述機(jī)械卡爪上面設(shè)有壓力傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)換刀裝置，其特征在于，所述電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)換刀裝置的模塊化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: SI通過標(biāo)準(zhǔn)化的刀柄數(shù)據(jù)、刀庫的刀座中心與主軸中心的距離確定機(jī)械卡爪的位置和角度，建立模型，確定升降機(jī)構(gòu)有效位移量的最小值I; S2測量刀庫的刀座平面與主軸前端平面夾角，用以調(diào)試電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)η; S3通過模型確定四個(gè)卡爪的連線交叉點(diǎn)或兩對卡爪相對距離的中心點(diǎn)，選取剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)m，確定2m個(gè)支點(diǎn)的直徑和4m個(gè)剪叉桿的桿長，從而確定其導(dǎo)軌參數(shù)； S4裝配，通過PLC設(shè)計(jì)其控制程序。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中，電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)通過刀庫的刀座平面與主軸前端平面夾角、電機(jī)與控制滑塊之間的傳動(dòng)比兩個(gè)數(shù)值確定。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中，剪叉桿的個(gè)數(shù)是總支點(diǎn)個(gè)數(shù)的兩倍，是剪叉機(jī)構(gòu)從中點(diǎn)到一側(cè)的支點(diǎn)個(gè)數(shù)的四倍。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀裝置，尤其是涉及一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置及其模塊化的設(shè)計(jì)方法。一種剪叉機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換刀裝置，所述自動(dòng)換刀裝置包括傳動(dòng)箱、機(jī)械卡爪、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，所述伸縮機(jī)構(gòu)由剪叉機(jī)構(gòu)結(jié)合其他部件實(shí)現(xiàn)機(jī)械卡爪的伸縮功能，再配合傳動(dòng)箱，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)和升降。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、具有良好互換性、可以實(shí)現(xiàn)模塊化、系列化和快速設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種加工中心的換刀環(huán)境，通過減少換刀時(shí)間縮短非切削時(shí)間，從而提高數(shù)控加工中心的工作效率。由于其良好的互換性，也可以降低自動(dòng)換刀裝置的后期維護(hù)成本。
【IPC分類】B23Q3/155
【公開號(hào)】CN105563194
【申請?zhí)枴緾N201610025909
【發(fā)明人】李翔, 牛小東, 趙艷春
【申請人】汕頭大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月15日