專利名稱：一種用于機床的換刀裝置的制作方法
一種用于機床的換刀裝置 本發(fā)明涉及一種用于機床的換刀裝置，包括至少一個刀具機械手爪(tool gripper)，一個支撐刀具機械手爪的支撐柱(supporting column)，其可以升高和降低 并繞縱軸旋轉，和一個機械凸輪裝置，用來產(chǎn)生刀具機械手爪的升降和旋轉動作，其中 凸輪裝置有一個凸輪鼓(cam barrel)、一個驅動馬達(drive motor)、和一個中間齒輪 (intermediate gear)。 在現(xiàn)代金屬切削機床里，各種類型的換刀設備通常有一個刀具庫(toolstorage) 和一個換刀裝置，而刀具庫大都安置在實際工作區(qū)之外。利用這些系統(tǒng)，進行自動換刀以便 能夠減少各個加工裝置的非生產(chǎn)時間，特別是所謂的換刀時間周期。特別是，要最小化實 際換刀余量(tool allowance)，其占據(jù)相當大比例的換刀時間周期。為了能夠在盡可能短 的時間周期內(nèi)進行換刀，換刀裝置各個部件的一些運動互相協(xié)作配合，例如降低刀具機械 手爪以便能夠讓預先已經(jīng)移動到了換刀位置的、要調(diào)換的刀具離開機床的上作主軸(work spindle)，隨后通常將刀具機械手爪旋轉移動180°以便從工作主軸下方的位置移開要 調(diào)換的刀具，并同時移動一個刀具插入到此位置內(nèi)，最后采用升降動作將刀具插入到工作 主軸的拉刀錐(clamping cone)。適當?shù)?，這種聯(lián)合在一起的升降和旋轉動作可以"一 口 氣"(in one go)進行，無需任何停頓或傳感器評估時間。為了產(chǎn)生這種連續(xù)動作，使用一 個機械凸輪裝置，其包括一個凸輪、一個用于移動特別是旋轉凸輪鼓的驅動馬達、和一個中 間齒輪。凸輪軌道就形成在凸輪鼓壁上，挺桿構件(t即petmember)與其嚙合。凸輪鼓的旋 轉運動使刀具機械手爪的支撐柱繞其縱軸旋轉，同時使其在縱向方向上移動，使刀具機械 手爪產(chǎn)生相應的旋轉和垂直運動。 設計機械凸輪裝置時遇到的一個特殊問題是要使凸輪鼓的直徑盡可能小。只有具 備一個充分小的凸輪鼓直徑，才有可能實現(xiàn)極快地加速和減速，因為升降和旋轉齒輪的慣 性矩因凸輪鼓的直徑越小而越小。另一方面，一旦減小凸輪鼓的直徑，曲線陡度將會加大， 由此機械部件的負荷將會增加。 在已知的機械凸輪裝置里，通常一個凹槽形狀的凸輪軌道形成在凸輪鼓的上前 部，其中凸輪軌道引導一個挺桿(t即pet)，以便使包括刀具機械手爪的支撐柱產(chǎn)生升降動 作。機械手爪的旋轉運動是由凸輪鼓殼體表面上的一個或多個凸輪帶動，其僅有一個有限 的陡度，這只能夠通過一個直徑大約是250mm的大凸輪鼓來實現(xiàn)?？傊?，結果將是一個體積 相當大的機械凸輪裝置，并有相當高的慣性矩，從而需要設置較高的驅動功率來獲得較短 的換刀余量。撇開不理想的高機械負荷，這個已知的機械凸輪裝置也需要機床有一個相當 大的結構空間，對一個符合"拾撿(pick-up)"原理的換刀裝置來說，這就使分別移動工作主 軸到換刀裝置和到刀具機械手爪成為必然。這些移動是非常耗時的，特別是那些具有較大 軸行程的機床，因為這些機器有大且笨重的滑動托架裝置，盡管有較大的軸行程，還是要能 夠確保在金屬切削期間有足夠的剛性。 本發(fā)明的一個目的是提供一個用于機床的換刀裝置，其機械凸輪裝置技術簡易且 結構緊湊，有較低的慣性，從而僅需要相對較小的驅動功率，并允許快速換刀，同時降低換 刀時間周期。
依照本發(fā)明，本發(fā)明的目的可以由以下的事實得以實現(xiàn)，即機械凸輪裝置的凸輪 鼓在其上前部有一個挺桿，用于刀具機械手爪的旋轉驅動，沿凸輪周長有凸輪曲線，用于刀 具機械手爪的升降動作；挺桿與Maltese槽輪嚙合，Maltese槽輪支承在一個軸上，該軸平 行于刀具機械手爪的旋轉軸，而刀具機械手爪的支撐柱、凸輪鼓和Maltese槽輪以平行于 軸的方式被依次安置。 本發(fā)明中，在三個依次安排并互相平行的軸上配置的升降和旋轉齒輪的齒輪構件 可以產(chǎn)生期望的機械齒輪的緊湊性，即小寬度的換刀裝置。由于細長狹窄的形狀，在機床上 只有較小的可用空間時，使得使用本發(fā)明的換刀裝置成為可能。使用一個雙機械手爪，其中 一個機械手爪接收將被調(diào)換的刀具，另一個機械手爪裝有將被插入的刀具。為了執(zhí)行換刀 操作所需的升高和降低動作，該雙機械手抓被固定在一個支撐柱上，該支撐柱可以沿縱軸 方向垂直移動，并有一個導桿(rod guide)，其使換刀裝置所需的升降動作成為可能。此外， 支撐柱被支撐在一個支架上，其能夠使刀具機械手爪繞柱軸旋轉用來轉移刀具。導桿上有 一個挺桿，其直接與凸輪鼓外周表面上的凸輪曲線(cam curve)嚙合。因此，換刀裝置所需 的刀具機械手爪的升降動作得以產(chǎn)生，并與其旋轉運動同步?；谠谕馆喒耐庵鼙砻嫔系?凸輪曲線配置，凸輪曲線可以有一個切實可行的陡度，與現(xiàn)有技術相比，并同時能夠大幅減 少凸輪鼓的直徑到130mm，結果可以降低慣性，并降低結構部件的機械負荷。
依照本發(fā)明，通過在凸輪鼓上前部上的挺桿，產(chǎn)生刀具機械手爪的旋轉運動。該挺 桿與Maltese或Geneva槽輪嚙合，該槽輪支承在一個平行于換刀裝置旋轉軸的軸上。為了 能夠使凸輪鼓直徑盡可能小，選擇Maltese步驟的齒輪傳動比(gear ratio)，使得僅僅稍 微改變從一個傳動到下一個傳動的角距離(angular distance)。但是，當?shù)毒邫C械手爪要 求旋轉180°時，其不可能通過Maltese步驟以符合常理的方式實現(xiàn)，而通過一個中間齒輪 傳動Maltese槽輪的旋轉，就能使刀具機械手爪進行180°的旋轉。中間齒輪包括一個安置 在Maltese槽輪上的齒輪，該齒輪與另外支承在凸輪鼓軸上的一個齒輪組嚙合，其第二齒 輪輪流驅動安置在刀具機械手爪旋轉軸上的一個齒輪。關于直徑和齒數(shù)，這些齒輪需要被 校準尺寸，從而使刀具機械手爪能夠旋轉180。。 本發(fā)明的配置能夠最小化機械凸輪裝置和其它組件所需的空間，通過減小凸輪鼓 的直徑并通過在凸輪鼓的外周表面上設置凸輪曲線，可以使刀具機械手爪進行升降和繞軸 旋轉動作。特別是，換刀裝置的優(yōu)勢外型尺寸是由依次安置驅動馬達、凸輪鼓、中間齒輪和 支撐柱而產(chǎn)生的，它們的軸互相平行，最好是垂直著的。此外，Maltese槽輪及其與中間齒 輪的連接能夠旋轉傳動刀具機械手爪，而不會發(fā)生搖擺。通過提供中間齒輪用于刀具機械 手爪的旋轉運動，能夠使在圓周上進行驅動所需的角度盡可能小，在圓周上凸輪鼓的角度 處于45°和150°之間，其允許可以進一步減小凸輪鼓直徑。 本發(fā)明的換刀裝置可以被固定安置在機床上，例如，在其上部固定有刀具機械手
爪的支撐柱經(jīng)常位于一個特定位置，換刀裝置所需的水平移動可以通過工作主軸執(zhí)行。 在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例里，換刀裝置有一個狹長的固定基座和一個可以在縱
向方向上移動的滑動托架?；瑒油屑馨ㄒ粋€外殼，其中可容納換刀裝置的功能部件，并可
以通過線性驅動進行移動，例如空氣_油氣缸、主軸傳動等。在本實施例里，通過位于滑動
托架上的刀具機械手爪，可以進行換刀裝置所需的相關水平移動，除此之外，工作主軸的水
平移動也是可能的。
通過將驅動馬達豎著，即以垂直方位安置在固定換刀裝置外殼和滑動托架中，且
分別與軸平行，并位于凸輪鼓的上游。從節(jié)省能耗和節(jié)省空間的觀點來看，這樣的配置是特
別有利的。這樣允許通過一對齒輪對凸輪鼓進行驅動，這對齒輪對起到減速齒輪的作用，在
外殼內(nèi)包括中間齒輪的Maltese槽輪安置在驅動馬達和凸輪鼓上方。 以下將參照附圖詳細描述本發(fā)明的機床換刀裝置的一個實施例，其中

圖1顯示一個包括換刀裝置的程控銑床的透視示意圖； 圖2顯示本發(fā)明一個換刀裝置的透視示意圖； 圖3顯示圖2換刀裝置在起始和末端位置上的機械設計； 圖4顯示圖2換刀裝置在中間位置上的機械設計。 銑床結構如圖1所示，其包括被安置在前側位置上的一個立柱1和一個位于其前 側的底座2，工作臺4安裝在其傾斜前端3上。工作單元5已經(jīng)被安置在立柱1的立式前端， 而銑刀頭6在此例子里是立式垂直安置，刀具7通過一個傳統(tǒng)的刀夾具而夾緊。圖1中，在 立柱1的右邊有一個鏈式刀庫IO，其包括多個垂直朝向的刀具11懸掛在回轉鏈式刀庫內(nèi)。 通過驅動該鏈式刀庫，各個刀具11可以移動到一個換刀位置。 圖1中，在鏈式刀庫IO下的換刀裝置13，其有一個滑動托架15在基座14上，該換 刀裝置13以傾斜水平朝向靠立柱1旁邊安置。該滑動托架15可以由基座14上的馬達主 軸16驅動沿雙箭頭方向移動，并形成有一個外殼17。在滑動托架15的自由端，旋轉地支承 有一個垂直朝向的支撐柱18，一個包含兩個直徑的機械夾爪(gri卯er tong)的刀具雙手 爪20安裝在其上端。 從圖2可以發(fā)現(xiàn)，支撐柱18是由兩個支柱18a、18b構成，其下端固定在一個公共 旋轉圓盤19上，而雙手爪的刀具手爪20安裝在其上端。支撐柱18可以沿雙箭頭21方向 移動，并繞其旋轉軸22旋轉180。(參照圖3和圖4)。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在支撐柱18的下 方有導桿23，以軸22為旋轉軸，其下端支承在外殼17的落地軸承(floor bearing) 24上。 一個橫向校準構件26支承在導桿23上，該構件被連接到支撐柱18的下端，并在構件26端 部有挺桿25。在外殼17內(nèi)，支撐著的凸輪鼓30靠在支撐柱18的導桿23旁邊，凸輪鼓30 的旋轉軸31與支撐柱18的旋轉軸22平行。在凸輪鼓30的外周表面上，形成有一個凹槽 形狀的凸輪曲線32，導桿23的挺桿25與其嚙合。在凸輪或升降鼓30的上前部，還有另一 個挺桿34被偏心固定，當升降凸輪鼓30旋轉時，其與以下描述的Maltese槽輪40協(xié)同動 作。 在滑動托架15的外殼17內(nèi)，在其前部，有一個電驅動馬達35平行于凸輪鼓30的 軸，馬達35的驅動軸36載有一個齒輪37，其與升降凸輪鼓30底部上的另一個齒輪38嚙 合。齒輪對37、38形成一個減速齒輪，通過該減速齒輪，升降凸輪鼓30由馬達35驅動。
Maltese槽輪40，其如示意圖3a、4a所示，被固定在軸39上，軸39支承在滑動托 架外殼17的蓋板上，并校準與凸輪鼓主軸31平行。固定在凸輪或升降凸輪鼓30上面的挺 桿34可以與Maltese槽輪40的徑向槽41之一嚙合，并一起進行旋轉，如圖4所示。 一個 同軸支撐的齒輪43穩(wěn)固地連接到Maltese槽輪40，其中齒輪43與凸輪或升降凸輪鼓30的 軸31上支承的小齒輪(pinion) 44嚙合。與該小齒輪44穩(wěn)固連接的一個齒輪45，與另一個 齒輪46嚙合。齒輪43到46形成一個中間齒輪裝置。 從圖3和4可以發(fā)現(xiàn)，凸輪鼓30、支撐柱18、 Maltese槽輪40、驅動馬達35和包括減速齒輪及中間齒輪的多個齒輪，被安置在公共外殼17內(nèi)，它們的垂直軸相互平行成一 行。 本發(fā)明中的換刀裝置的基本優(yōu)點之一可以從圖3和4看到，即有相當小的寬度。這 種細長狹窄的形狀可以使換刀裝置在水平面上分別傾斜朝向機床及其工作空間，如圖1所 示。通過依次安置單個組件如支撐柱18、凸輪或升降凸輪鼓30、Maltese槽輪40和驅動馬 達35成一行，可以達到這么小的寬度。通過在凸輪鼓的外周表面上形成凸輪曲線32，并在 凸輪或升降凸輪鼓30的上前部設置挺桿34與Maltese槽輪40嚙合，可以獲得小直徑的凸 輪或升降凸輪鼓30。 從圖3可以發(fā)現(xiàn)，支撐柱18和刀具機械手爪20位于頂部起始位置時，其中挺桿 25與升降凸輪鼓30上的凸輪曲線32頂部嚙合，在升降凸輪鼓30前部上的挺桿34位于 Maltese槽輪40的對面位置。通過啟動電驅動馬達35，經(jīng)由減速齒輪37、38，升降凸輪鼓30 旋轉到圖4所示中間位置，這樣支撐柱18和刀具機械手爪20也就位于其最低位置上。由 于升降凸輪鼓30旋轉了一半，挺桿34已經(jīng)移動到徑向上相反的位置，并被推入到Maltese 槽輪40的其中一個徑向槽41內(nèi)。傳遞到Maltese槽輪40的旋轉運動又被傳遞到支撐柱 18，由此通過齒輪組43到46也被傳遞到刀具機械手爪20。產(chǎn)生的刀具機械手爪20的升降 和旋轉動作是一個連續(xù)動作，其使快速自動換刀成為可能，但僅需要相當小的空間。包括升 降和繞軸旋轉齒輪的換刀裝置13，結構緊湊，只占用較小的結構空間。因此，載有刀具機械 手爪的滑動托架15范圍可以很窄，夾在其他部件當中，即僅比即將插入的刀具的最大直徑 稍微寬一點。 本發(fā)明不受限于以上附圖和描述里所述的實施例。例如，換刀裝置的基座可以是 外殼17的固定支撐結構或換刀裝置的功能部件，例如，不是滑動托架15，而是外殼17固定 在基座14上。在此例子里，在工作主軸的刀具固定架和各個刀具機械手爪之間換刀所需的 水平移動，都是通過工作主軸或銑刀頭完成的。除此之外，凸輪或升降凸輪鼓30也可以安 置在外殼17內(nèi)驅動馬達35的上游，與馬達和支撐柱18排成一行。
權利要求
一個用于機床的換刀裝置，包括至少一個可旋轉的刀具機械手爪(20)，一個支承刀具機械手爪(20)的支撐柱(18)，其可以被升高和降低并繞旋轉軸(22)旋轉，一個機械凸輪裝置，用于產(chǎn)生刀具機械手爪(20)的升降和旋轉動作，其有一個驅動馬達(35)、一個凸輪鼓(30)和一個中間齒輪(43到46)，其特征在于凸輪鼓(30)在其上前部有一個挺桿(34)，用于刀具機械手爪(20)的旋轉驅動，以及在其外周表面上有凸輪曲線(32)，用于刀具機械手爪(20)的升降動作，前部挺桿(34)驅動一個Maltese槽輪(40)，Maltese槽輪(40)被支撐在一個軸(39)上，該軸(39)平行于刀具機械手爪(20)的旋轉軸(22)，和Maltese槽輪(40)、凸輪鼓(30)和刀具機械手爪(20)的支撐柱(18)以平行于軸的方式被依次安排。
2. 根據(jù)權利要求1所述的換刀裝置，其特征在于凸輪鼓(30)、支撐柱(18) 、 Maltese槽輪(40)、驅動馬達(35)和中間齒輪(43到46) 被安置在一個公共外殼(17)內(nèi)，它們的垂直軸互相平行。
3. 根據(jù)權利要求2所述的換刀裝置，其特征在于外殼(17)是滑動托架(15)的一部分，其可以在一個狹窄的、固定的基座(14)上由馬 達驅動沿縱軸方向移動。
4. 根據(jù)權利要求2所述的換刀裝置，其特征在于外殼(17)被穩(wěn)固地安裝在一個固定的、狹窄的和細長的基座上。
5. 根據(jù)上述任何一個權利要求所述的換刀裝置，其特征在于支撐柱(18)有一導桿(23)，其中導桿包括挺桿(25)，挺桿(25)在一個橫向校準構件 (26)的徑向外端上，挺桿(25)與凹槽形狀的凸輪曲線(32)嚙合。
6. 根據(jù)上述任何一個權利要求所述的換刀裝置，其特征在于 驅動馬達(35)安置在外殼(17)內(nèi)凸輪鼓(30)的上游。
7. 根據(jù)上述任何一個權利要求所述的換刀裝置，其特征在于 驅動馬達(35)通過減速齒輪(37、38)驅動凸輪鼓(30)。
8. 根據(jù)上述任何一個權利要求所述的換刀裝置，其特征在于中間齒輪(43到46)位于外殼(17)內(nèi)，用于傳遞Maltese槽輪(40)的旋轉運動，并且 齒輪組(43到46)在外殼(17)內(nèi)以平行軸的方式被依次安置成一行。
9. 根據(jù)上述任何一個權利要求所述的換刀裝置，其特征在于支撐柱(18)有兩個相互平行的支柱(18a、18b)，以及一個被安置在滑動托架(15)外殼 內(nèi)的導桿(23)，在該導桿上，挺桿(25)通過一個橫向校準構件(26)可以軸向移動。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于機床的換刀裝置，包括至少一個可旋轉的刀具機械手爪(20)，一個支承刀具機械手爪(20)的支撐柱(18)，其可以被升高和降低并繞旋轉軸(22)旋轉，以及一個機械凸輪裝置，其用來產(chǎn)生刀具機械手爪(20)的升降和旋轉運動，其中凸輪裝置有一個驅動馬達(35)、一個凸輪鼓(30)、和一個中間齒輪(43到46)。凸輪鼓(30)在其上前部有一個挺桿(34)用于刀具機械手爪(20)的旋轉驅動，以及在其外周表面有凸輪曲線(32)，用于刀具機械手爪(20)的升降動作。前部挺桿(34)驅動一個Maltese槽輪(40)，該Maltese槽輪(40)支承在一個軸(39)上，該軸(39)平行于刀具機械手爪(20)的旋轉軸(22)。Maltese槽輪(40)、凸輪鼓(30)和刀具機械手爪(20)的支撐柱(18)以平行于軸的方式被依次安置。
文檔編號B23Q3/157GK101758411SQ20091024666
公開日2010年6月30日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權日2008年11月27日
發(fā)明者烏多·圖爾曼, 史蒂芬·庫梅爾, 安德烈亞斯·克雷奇施馬爾 申請人:德克爾-馬霍澤巴赫有限責任公司