一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法
2023-05-13 03:07:36
專利名稱：一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械手換刀裝置，具體是涉及一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法，是數控工具機的輔助設備，具體地說是由氣缸驅動的直線運動機構和步進電機驅動的旋轉運動自動換刀機械手。
背景技術：
目前，很多中小型企業沒有使用加工中心，換刀基本上靠人工；現有許多換刀裝置完全實現了換刀動作，但價格昂貴，且基本全部使用有線通信控制，還或多或少存在不適用和不經濟性(凸輪傳動、微電腦控制、伺服電機、液壓傳動等)。對比現有的一些專利可以明顯看出這一點，根據中華人名共和國知識產權局專利檢索可知，(1)專利名稱立臥複合式換刀裝置(申請號200820014416. 9)，該實用新型提供了一種機加工設備的換刀裝置，包括支架和與支架轉軸連接的水平轉動體，水平轉動油缸，迴轉油缸，定位油缸等結構。與水平轉動體軸連接有豎直轉動提，在水平轉動提上設有豎直轉動油缸，迴轉油缸安裝在豎直轉動提上，使機械手轉動。該專利使用油缸驅動，使用以及維護成本較高，結構複雜，零件較多，導致體積相對龐大。( 專利名稱凸輪式立臥兩用換刀機械手(專利號03218445.
X)，凸輪式立臥兩用換刀機械手主要由凸輪機構、立臥轉換機構、支撐部件、兩個機械手、滑動直線導軌、氣缸、底版、伺服電動機等組成。使用伺服電動機帶動凸輪機構中的軸轉動，在凸輪機構上設有兩個從動件，一個從動件帶動支撐部件中的底板，實現橫向運動；另一個從動件帶動支撐部件中的底板，實現縱向移動。該專利使用凸輪機構和伺服電機，凸輪機構的從動件承重較大，本身凸輪機構易磨損，精度降低快，機械手的使用壽命難以保證， 且更換或維護成本比較高；C3)專利名稱工具機自動換刀裝置(申請號200720073669. 9)， 是一種工具機自動換刀裝置，包括由微電腦控制器控制的主軸、主軸下方連接的夾頭、由多個刀座連接成排的刀庫，微電腦控制器動作。該專利控制部分採用微電腦控制器，控制成本較高，適用於大型刀庫的換刀，不適合少量刀具的頻繁換刀的數控工具機專用加工。
發明內容
本發明的目的在於提供一種適用刀具較少，但需頻繁換刀的一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法，且使用無線通信控制，氣壓傳動，清潔便捷，易於擴展。對加工尺寸較大，工序比較集中的零件來說，加工過程中需要頻繁更換刀具時，自動換刀裝置的成本很高，普通中小企業很難接受；控制系統，有線通信存在連線多，易出故障，安裝較繁瑣，布線不便；管理複雜，靈活性欠佳；不便於設備擴充。本發明克服了現有技術的不足。本發明的一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法通過下支座安裝在刀庫和數控工具機刀架之間，使用機械手步進電機和渦輪蝸杆減速器帶動上支架上的中臂來實現機械手豎直平面內的旋轉；中臂上裝有中臂氣缸帶動前臂滑道沿中臂方向伸縮來實現裝卸刀動作；前臂滑道上裝有前臂氣缸帶動前臂滑塊沿前臂方向伸縮，配合前臂滑塊上的手爪夾持氣缸來實現抓刀動作；刀庫通過刀庫步進電機和渦輪蝸杆減速器來實現轉動；機械手和刀庫通過PLC控制模塊202來控制，PLC控制模塊202與數控工具機通過usB接口實現通信；通過可移動掌上控制器201來無線控制PLC控制模塊202，其通信是通過可移動藍牙模塊和機械手藍牙模塊來實現。本發明的有益效果有
(1)將換刀機械手用於數控工具機，可以減少安裝、調整刀具的輔助工作時間，提高製造企業特別是中小製造企業的生產效率，降低生產成本。(2)本機械手相對於其它同類產品，製造成本較低，價格相對便宜，在當前中小企業的迫切需求下，其應用前景非常廣闊。(3)機械手滑動部分採用直線導軌，1這樣可以保證機械手的精確抓刀壽命，維護成本低。(4)控制系統採用了無線收發模塊，去除了傳統網絡中的傳輸線纜，利用微波、射頻(RF)等無線技術構成網絡，越空收發數據，這就解決了連線多，易出故障，安裝較繁瑣， 布線不便的問題；
(5)控制系統具有良好的可擴展性，每增加一臺數控設備，只需將一塊下位無線數據通信卡插入該數控設備通信串口即可實現通信，不必擴展主控計算機的通信接口。
圖1是一種智能型數控工具機換刀機械手換刀示意2是一種智能型數控工具機換刀機械手總裝3是刀庫總裝4是自動換刀系統流程5是換刀機械手藍牙控制原理圖
圖中，101、數控工具機刀架；102、換刀機械手；103、刀庫.1、下支座；2、上支座；3、中臂；4、前臂滑道瓜中臂氣缸.6、前臂滑塊；7、前臂氣缸.8、手爪支架；9、夾持氣缸；10、手爪關節一 ；11、手爪關節二 ；12、聯軸器；13、渦輪蝸杆減速器；14、機械手步進電機；15、刀套； 16、刀盤；17、軸端固定件；18、中軸；19、減速器上蓋；20、減速器支座；21、蝸輪；22、蝸杆； 202、PLc控制模塊；203、機械手狀態信號；204、機械手藍牙模塊；205、可移動藍牙模塊；206 換刀控制信號；207、可移動掌上控制器控制端；208、控制信號輸入/輸出顯示。
具體實施例方式
附圖為本發明的具體實施例
下面結合附圖對本發明的內容作進一步說明。參見圖1所示，刀庫103安放在數控工具機床頭箱上，數控工具機換刀機械手102安放在床頭箱與數控工具機刀架101之間；刀盤上的刀具平面、換刀機械手夾持面、刀架裝刀平面三者在同一平面內；數控工具機刀架的裝刀位置固定，刀庫刀具換刀位置固定。參見圖2所示，下支座1安置在地面，上支座2安裝在下支座1上，兩者連接處加上墊片，以實現機械手上下位置的微小調整；中臂3上裝有中臂氣缸5、前臂滑道4等部件，裝在上支座2上的旋轉步進電機14經過渦輪蝸杆減速器13帶動中臂3上前臂滑道4轉動以實現換到機械手在數控工具機刀架101與刀庫103之間163度的轉動以實現取刀和裝刀；整個前臂部分連接在中臂3上，中臂3與前臂滑道4分別裝有中臂氣缸5和前臂氣缸7，其中的滑動部分採用線性導軌並採用消隙調整換刀過程中換刀機械手相對數控工具機刀架101、
5刀庫103的精度調整，從而達到準確換刀和避免與數控工具機和刀庫103等發生碰撞。參考圖3刀庫總裝圖，步進電機驅動蝸杆22，通過蝸輪21帶動刀盤16轉動，由控制系統根據機械手換刀需要和刀套16的位置決定正傳或反轉的度數，使選刀路徑最短；由 PLC控制步進電機的轉角和轉速，用蝸輪蝸杆機構既起到減速作用，又可以起到制動刀盤定位作用，克服刀盤16的轉動慣性，保證安全準確取刀和放刀。參見圖4自動換刀系統流程圖，(1)首先是啟動PLC，復位，由刀架101觸動請求換刀信號；O)PLC接到請求刀號信號進行判斷目標位置和現在位置來確定最短路徑，得出刀庫103的旋向；C3)驅動刀庫步進電機帶動刀庫轉動到所需刀具的位置；(4)驅動機械手步進電機14轉到刀庫位置；(5)中臂氣缸5動作，到達刀具夾持平面；(6)前臂氣缸7動作，使機械手爪中心線和刀具中心線重合；(7)夾持氣缸9動作，夾住刀具；(8)中臂氣缸5動作， 把刀具拔出刀盤；(9)機械手步進電機14動作，帶動機械手轉動到刀架位置。(10)中臂氣缸5動作，裝刀；(11)夾持氣缸9動作，釋放刀具；(12)前臂氣缸7動作，使機械手爪中心線脫離刀具中心線；(13)機械手步進電機14動作，回到初始位置。其他換刀動作類似，在此不再贅述。本發明控制系統採用藍牙通信和PLC控制技術，該系統包括一個控制數控工具機換刀機械手的PLC控制模塊202、一個與PLc控制模塊202直連的機械手藍牙模塊、一個可移動掌上控制器控制端207、一個與可移動掌上控制器控制端207直連的可移動藍牙模塊。最佳控制方案實施的是使用藍牙模塊，它用短射程無線電連接可移動掌上控制器控制端207 和換刀機械手的PLC控制模塊202，取代連接手提式和/或固定式電子設備的電纜，它遵循埃裡克森公司的藍牙協議。但是它不局限與藍牙模塊，使用本地無線電通信的其他模塊 (比如Pc機上的藍牙設備)也可以。在本發明的最佳實施方案中，主機為可移動藍牙模塊， 它同機械手藍牙模塊進行無線電通信。具體藍牙控制實施為參見圖5換刀機械手藍牙控制原理圖，在數控工具機換刀機械手的工作現場，數控工具機換刀機械手是由PLc控制模塊202來直接控制，當與可移動掌上控制器201進行藍牙通信時，是先把機械手的狀態信號反饋給機械手藍牙模塊204 ；然後機械手藍牙模塊204通過藍牙無線電傳輸給可移動掌上控制器20 1的可移動藍牙模塊205 ； 然後再由可移動藍牙模塊205傳輸給可移動掌上控制器控制端207 ；同樣，當可移動掌上控制器201給數控工具機換刀機械手發送控制信號時，是首先判斷反饋的機械手狀態信號，然後發送換刀控制信號206給可移動藍牙模塊205 ；然後可移動藍牙模塊205通過藍牙無線電傳輸給機械手藍牙模塊204，再由機械手藍牙模塊204傳輸給PLC控制模塊202，由PLC 控制模塊202驅動換刀機械手動作。其中機械手藍牙模塊204是由存儲器204. 1、激振器 204. 3、機械手藍牙控制器204. 2、接收/發送器204. 3組成。可移動掌上控制器201控制機械手及刀庫的動作順序如圖4。其中選刀為比較關鍵的技術，方式為隨機選刀。其中選刀原理如下(1)記錄當前刀號。當1號刀具處於取刀位置時，閉合所對應的到位行程開關，將數據1傳入至數據寄存器VWO中；當2號刀具處於機械手位置時，閉合所對應的到位行程開關，將數據2傳入至數據寄存器VWO中。以此類推， 記錄當前刀號。(2)記錄當前請求刀號。當請求選擇1號刀具時，PLc得到信號，將常數1傳入至數據寄存器Vw2中，同時使得內部標誌位置位，其他請求信號無效；當請求選擇2號刀具時，PLC得到信號，將常數2傳入至數據寄存器VW2中，同時使得內部標誌位置位，其他請求信號無效；以此類推，記錄當前的請求刀具號。(3)當內部寄存器置位後，比較指令使得
①如果寄存器數據VW0>VW2，則執行減法運算VWO— Vw2，運算結果存入VW6中，然後將 VW6中的數據在下一邏輯行中進行比較。若VW6>3，則刀庫離請求刀號逆轉方向最近，步進電機到東刀庫逆轉。若VW6—3，則刀庫離請求刀號順轉方向最近；同理，若VW6<3，則電動機帶動刀庫順轉。②如果寄存器數據VWO— VW2，則到位指示燈亮，機械手開始取刀。⑧如果寄存器數據VW0<VW2，直接相減是一個負數，結果出錯，因而將VWO加上刀具總數6後減去VW2，將得出的數據在下一邏輯行中比較。重複以上的過程，最後使得VwO— Vw2，機械手進行取刀操作。
權利要求
1.一種智能型數控工具機換刀機械手，其特徵在於，由換刀機械手系統和數控系統組成， 換刀機械手系統由數控工具機刀架、換刀機械手和刀庫組成；刀庫安放在數控工具機床頭箱上， 換刀機械手102安放在床頭箱與數控工具機刀架之間，刀盤上的刀具平面、換刀機械手夾持面、刀架裝刀平面三者在同一平面內，數控工具機刀架的裝刀位置固定，刀庫刀具換刀位置固定；換刀機械手由下支座、上支座、中臂、前臂滑道、中臂氣缸、前臂滑塊、前臂氣缸、手爪支架、夾持氣缸、手爪關節一、手爪關節二、聯軸器、渦輪蝸杆減速器和機械手步進電機組成； 下支座安置在地面，上支座安裝在下支座上，兩者連接處加上墊片；中臂上裝有中臂氣缸、 前臂滑道等部件，裝在上支座上的機械手步進電機經過渦輪蝸杆減速器帶動中臂上前臂滑道轉動；整個前臂部分連接在中臂上，中臂與前臂滑道分別裝有中臂氣缸和前臂氣缸，其中的滑動部分採用線性導軌並採用消隙調整換刀過程中換刀機械手相對數控工具機刀架、刀庫的精度調整；刀庫由刀套、刀盤、軸端固定件、中軸、減速器上蓋、減速器支座、蝸輪和蝸杆組成；機械手步進電機驅動蝸杆，通過蝸輪帶動刀盤轉動，由控制系統根據機械手換刀需要和刀套的位置決定正傳或反轉的度數，使選刀路徑最短；由PLC控制步進電機的轉角和轉速； 數控系統統包括一個控制換刀機械手的PLC控制模塊、一個與PLC控制模塊直連的機械手藍牙模塊、一個可移動掌上控制器控制端、一個與可移動掌上控制器控制端直連的可移動藍牙模塊；可移動藍牙模塊遵循埃裡克森公司的藍牙協議；所述機械手藍牙模塊是由存儲器、激振器、機械手藍牙控制器、接收/發送器組成。
2.一種智能型數控工具機換刀機械手的操作方法，其特徵在於，當PLC控制模塊與可移動掌上控制器進行藍牙通信時，先把換刀機械手的狀態信號反饋給機械手藍牙模塊；然後手藍牙模塊通過藍牙無線電傳輸給可移動掌上控制器的可移動藍牙模塊；再由可移動藍牙模塊傳輸給可移動掌上控制器控制端；當可移動掌上控制器給換刀機械手發送控制信號時，首先判斷反饋的換刀機械手狀態信號，然後發送換刀控制信號給可移動藍牙模塊；然後可移動藍牙模塊通過藍牙無線電傳輸給機械手藍牙模塊，再由機械手藍牙模塊傳輸給PLC 控制模塊，由PLC控制模塊驅動換刀機械手動作。
3.一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法的選刀方法，其特徵在於，步驟如下(1)記錄當前刀號；當1號刀具處於取刀位置時，閉合所對應的到位行程開關，將數據1 傳入至數據寄存器VWO中；當2號刀具處於機械手位置時，閉合所對應的到位行程開關，將數據2傳入至數據寄存器VWO中；以此類推，記錄當前刀號；(2)記錄當前請求刀號；當請求選擇1號刀具時，PLC得到信號，將常數1傳入至數據寄存器VW2中，同時使得內部標誌位置位，其他請求信號無效；當請求選擇2號刀具時，PLC得到信號，將常數2傳入至數據寄存器VW2中，同時使得內部標誌位置位，其他請求信號無效； 以此類推，記錄當前的請求刀具號；(3)當內部寄存器置位後，比較指令使得①如果寄存器數據VW0>VW2，則執行減法運算VWO— VW2，運算結果存入VW6中，然後將 VW6中的數據在下一邏輯行中進行比較；若VW6>3，則刀庫離請求刀號逆轉方向最近，步進電機到東刀庫逆轉；若VW6—3，則刀庫離請求刀號順轉方向最近；同理，若VW6<3，則電動機帶動刀庫順轉；②如果寄存器數據VWO—VW2，則到位指示燈亮，機械手開始取刀；③如果寄存器數據VW0<VW2，直接相減是一個負數，結果出錯，因而將VWO加上刀具總數6後減去VW2，將得出的數據在下一邏輯行中比較；重複以上的過程，最後使得VWO— VW2，機械手進行取刀操作。
全文摘要
一種智能型數控工具機換刀機械手及其操作方法，具體由機械手系統和控制系統組成。換刀機械手通過下支座安裝在刀庫和數控工具機刀架之間，機械手步進電機和渦輪蝸杆減速器帶動上支架上的中臂實現機械手在豎直平面內旋轉；中臂上裝有中臂氣缸帶動前臂滑道沿中臂方向伸縮來實現裝卸刀動作；前臂滑道上裝有前臂氣缸帶動前臂滑塊沿前臂方向伸縮，配合前臂滑塊上的手爪夾持氣缸來實現抓刀動作；刀庫通過刀庫步進電機和渦輪蝸杆減速器來實現轉動；機械手和刀庫通過PLC控制模塊來控制；通過可移動掌上控制器來無線控制PLC控制模塊，其通信是通過可移動藍牙模塊和機械手藍牙模塊來實現。
文檔編號B25J9/16GK102476305SQ20101055335
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優先權日2010年11月22日
發明者孫文秀 申請人:大連創達技術交易市場有限公司