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：

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。

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有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。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種加工中心主軸不停轉有機械手自動換刀裝置，適用于有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，提高機床的利用率。

加工中心主軸不停轉有機械手自動換刀裝置，其特征在于：包括主軸、刀柄、刀庫、換刀機械手和數控系統。

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換刀機械手的卡爪夾持的凹槽、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；在刀柄的使用過程中，外錐柄與主軸或錐套同軸連接。

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錐套；刀位換位裝置根據加工程序需要更換刀具的刀位，錐套通過夾持刀柄上的外錐柄來夾持刀具。

換刀機械手包括伸縮旋轉支架、機械手大臂、A卡爪和B卡爪，驅動刀具旋轉的A刀具驅動電機和B刀具驅動電機、A刀具周向位置的實時檢測與調整系統和B刀具周向位置的實時檢測與調整系統、與刀具嚙合的B1嚙合裝置和B2嚙合裝置；伸縮旋轉支架與機械手大臂垂直，且伸縮旋轉支架一端與機械手大臂中部聯接；A卡爪和B卡爪分別設置在機械手大臂的兩端；A刀具驅動電機和B刀具驅動電機安裝在機械手大臂的A卡爪和B卡爪之間，與刀具嚙合的B1嚙合裝置和B2嚙合裝置分別與A刀具驅動電機和B刀具驅動電機相連接，當需要刀具旋轉時，A刀具驅動電機和B刀具驅動電機驅動相應的嚙合裝置旋轉；

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位換位裝置、以及換刀機械手的A刀具驅動電機和B刀具驅動電機、A刀具周向位置的實時檢測與調整系統和B刀具周向位置的實時檢測與調整系統、伸縮旋轉支架相連接通訊。

套設在刀體上的軸承的外圈和用來被換刀機械手的卡爪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。

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，主軸上刀具的周向位置與機械手中將要夾持主軸上刀具的刀夾相對應的嚙合裝置的周向位置一致。

機械手中刀具周向位置的實時檢測與調整系統實時監測機械手中嚙合裝置的周向位置，并保持在換刀時，機械手中將要夾持主軸上刀具的刀夾相對應的嚙合裝置的周向位置與主軸上刀具的周向位置一致。

更進一步的，主軸的轉速在0-200000轉/分之間。

更進一步的，換刀機械手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。

更進一步的，主軸上安裝有失速報警與系統加工暫定裝置。

更進一步的，換刀機械手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。

更進一步的，刀具上的嚙合裝置和換刀機械手中的嚙合裝置的嚙合對為齒輪對、渦輪蝸桿、橡膠輪對。

加工中心主軸不停轉有機械手自動換刀過程：

1）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下一個工步的刀具更換至換刀點，此時換刀機械手的機械手大臂的長度方向是垂直于主軸與刀位的連線方向的，機械手中將要夾持主軸上刀具的刀夾相對應的嚙合裝置的刀具驅動電機提前啟動，驅動嚙合裝置達到與主軸上的刀具相同的轉速和周向位置，并保持在換刀時，機械手中將要夾持主軸上刀具的刀夾相對應的嚙合裝置的周向位置與主軸上刀具的周向位置一致，而此時機械手中另一個將要夾持刀庫中刀具的刀夾相對應的嚙合裝置是不旋轉的；

2）機械手旋轉90度，機械手中將要夾持主軸上刀具的刀夾夾持住了主軸上的刀具，主軸上的刀具保持旋轉狀態，另一個將要夾持刀庫中刀具的刀夾夾持住了刀庫中的刀具，刀庫中的刀具現在仍然無需旋轉；

3）機械手的伸縮旋轉支架伸出一段距離，機械手的刀夾帶動主軸上的刀具和刀庫中的刀具分別與主軸和刀庫脫離；

4）在伸縮旋轉支架的旋轉驅動下，機械手大臂旋轉180度，使原主軸上的刀具和刀庫中的刀具交換位置，在交換位置的同時，主軸上卸下來的刀具在刀具驅動電機的反向制動作用下開始降速至零，刀庫中卸下來的刀具在另一個刀具驅動電機的驅動作用下升速至下一個工步需要的轉速，且同時主軸也通過調速系統調整轉速至下一個工步需要的轉速；

5）機械手的伸縮旋轉支架縮回到原來位置，原主軸上的刀具以非旋轉狀態裝入到了刀庫的刀位中，原刀庫中的刀具以下一個工步需要的轉速裝入到了主軸上；

6）機械手大臂反向旋轉90度，機械手的兩個刀夾分別與主軸上的刀具、刀庫中的刀具脫離，機械手回復到機械手大臂的長度方向垂直于主軸與刀位的連線方向的原來位置，換刀過程完成。

如果刀具交換過程中，原主軸上沒有刀具、或者刀庫的相應刀位中沒有刀具，則這個刀具交換過程是單純的裝刀或者單純的卸刀過程。

刀具交換完成后，主軸即可帶動刀具進行下一個工步的加工。

本實用新型提供了一種加工中心主軸不停轉有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

圖1是本實用新型所述加工中心主軸不停轉有機械手自動換刀裝置一具體實施方式的結構示意圖。

圖2是實施例中所述主軸結構示意圖。

圖3是實施例中所述刀柄結構示意圖。

圖4是實施例中所述刀庫結構示意圖。

圖5是實施例中所述機械手結構示意圖。

圖6是實施例中刀具交換過程第1步的示意圖。

圖7是實施例中刀具交換過程第2步的示意圖。

圖8是實施例中刀具交換過程第3步的示意圖。

圖9是實施例中刀具交換過程第4步的示意圖。

圖10是實施例中刀具交換過程第5步的示意圖。

圖11是實施例中刀具交換過程第6步的示意圖。

圖中標號說明：

1. 主軸，2. 刀柄， 3.刀庫，4.機械手；

101. 主軸旋轉驅動裝置，102.內錐孔；

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；

301．刀位，302．刀位換位裝置，303．錐套；

401．伸縮旋轉支架，402.機械手大臂，403. A卡爪，404. B卡爪，405. A刀具驅動電機，406. B刀具驅動電機，407. B1嚙合裝置，408. B2嚙合裝置。

具體實施方式

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有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。

加工中心主軸不停轉有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、換刀機械手4和數控系統（未示）。

主軸1包括中部的電主軸旋轉驅動裝置101、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1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外套上用來被換刀機械手4的卡爪夾持的凹槽203、A嚙合裝置206和刀具207，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207的錐套303；刀位換位裝置302根據加工程序需要更換刀具207的刀位301，錐套303通過夾持刀柄2上的外錐柄202來夾持刀具207。

換刀機械手4包括伸縮旋轉支架401、機械手大臂402、A卡爪403和B卡爪404，驅動刀具旋轉的A刀具驅動電機405和B刀具驅動電機406、A刀具周向位置的實時檢測與調整系統和B刀具周向位置的實時檢測與調整系統、與刀具嚙合的B1嚙合裝置407和B2嚙合裝置408；伸縮旋轉支架401與機械手大臂402垂直，且伸縮旋轉支架401一端與機械手大臂402中部聯接；A卡爪403和B卡爪404分別設置在機械手大臂402的兩端；A刀具驅動電機405和B刀具驅動電機406安裝在機械手大臂402的A卡爪403和B卡爪404之間，與刀具嚙合的B1嚙合裝置407和B2嚙合裝置408分別與A刀具驅動電機405和B刀具驅動電機406相連接。

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3刀位301中的刀位換位裝置302、以及換刀機械手4的A刀具驅動電機405和B刀具驅動電機406、A刀具周向位置的實時檢測與調整系統和B刀具周向位置的實時檢測與調整系統、伸縮旋轉支架401相連接通訊。

所述的A嚙合裝置206與B1嚙合裝置407和B2嚙合裝置408的嚙合對為齒輪對，齒輪參數均為m=0.8,z=40,α=20°，Ha*=1,Hc*=0.25,齒厚h=4mm，精度等級5級，所述的刀具驅動電機304為HF-102K伺服電機。

加工中心主軸不停轉有機械手自動換刀過程：

1）主軸1上的刀具207以一定的轉速完成一個工步的加工后，主軸1和刀具207一起返回到換刀點，刀具207和主軸1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提前將將要進行下一個工步的刀具207更換至換刀點，此時換刀機械手4的機械手大臂402的長度方向是垂直于主軸1與刀位301的連線方向的，機械手4中將要夾持主軸1上刀具207的A刀夾403相對應的B1嚙合裝置407的A刀具驅動電機405提前啟動，驅動B1嚙合裝置407達到與主軸1上的刀具207相同的轉速和周向位置，并保持在換刀時，機械手4中將要夾持主軸1上刀具207的A刀夾403相對應的B1嚙合裝置407的周向位置與主軸1上刀具207的周向位置一致，而此時機械手4中另一個將要夾持刀庫3中刀具207的B刀夾404相對應的B2嚙合裝置408是不旋轉的；

2）機械手大臂402旋轉90度，機械手4中的A刀夾403夾持住了主軸1上的刀具207，主軸1上的刀具207保持旋轉狀態，另一個B刀夾404夾持住了刀庫3中的刀具207，刀庫3中的刀具207現在仍然無需旋轉；

3）機械手4的伸縮旋轉支架401伸出200mm的距離，機械手4的A刀夾403帶動主軸1上的刀具207與主軸1脫離，B刀夾404帶動刀庫3中的刀具207與刀庫3脫離；

4）在伸縮旋轉支架401的旋轉驅動下，機械手大臂402旋轉180度，使原主軸1上的刀具207和刀庫3中的刀具207交換位置，在交換位置的同時，主軸1上卸下來的刀具207在刀具驅動電機的反向制動作用下開始降速至零，刀庫3中卸下來的刀具207在另一個刀具驅動電機的驅動作用下升速至下一個工步需要的轉速，且同時主軸1也通過調速系統調整轉速至下一個工步需要的轉速；

5）機械手4的伸縮旋轉支架401縮回200mm回到原來位置，原主軸1上的刀具207以非旋轉狀態裝入到了刀庫3的刀位301中，原刀庫3中的刀具207以下一個工步需要的轉速裝入到了主軸1上；

6）機械手大臂402反向旋轉90度，機械手4的兩個刀夾分別與主軸1上的刀具207、刀庫3中的刀具207脫離，機械手4回復到機械手大臂402的長度方向垂直于主軸1與刀位301的連線方向的原來位置，換刀過程完成。

經過了上述有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1停轉的換刀時間4.5秒減少到了現在主軸1不停轉換刀時間3.1秒，換刀時間減少了近30%。