一种数控机床自动换刀装置及方法

《一种数控机床自动换刀装置及方法》涉及机械切削加工机床的技术领域，尤其涉及一种数控机床自动换刀装置及方法。

截至2016年1月，在已有的加工中心圆盘刀库换刀中，大都实现了自动化。通过预先设计的控制系统结合机械结构实现刀具的自动更换。在刀具的自动更换中，为了防止换刀运动轴与刀库机械手碰撞的控制系统及结构因为设计得不够合理、完善，一旦自动换刀多段动作中途出现异常停止，经常会有运动轴撞击机械手臂导致刀库损坏的现象发生，造成巨大损失。

图1为《一种数控机床自动换刀装置及方法》的结构示意图。

图2为机械手位于初始位置时的结构示意图。

图3为机械手旋转轴下拉时的结构示意图。

图4为机械手搭在刀具上的结构示意图。

图5为原位近接开关、原位定位凹槽、涡轮三者之间的位置关系结构示意图。

图6为扣刀定位近接开关、扣刀定位凹槽、涡轮三者之间的位置关系结构示意图。

图7为停止近接开关、停止定位凹槽、涡轮三者之间的位置关系结构示意图。

2020年7月17日，《一种数控机床自动换刀装置及方法》获得安徽省第七届专利奖优秀奖。

• 实施例1

如图1至图7所示的《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括机架1，设置在机架1上的圆盘式刀库2，和圆盘式刀库2适配的刀库驱动马达，圆盘式刀库2内设置有若干刀具，机架1上设置和刀具相适配的倒刀气缸，机架1上设置有机械手4驱动马达，机械手4驱动马达上设置有的涡轮10，涡轮10上连接有可旋转和轴向运动的机械手旋转轴5，机械手旋转轴5上设置有用于换刀的机械手4，涡轮10上设置有一组原位定位凹槽11、扣刀定位凹槽12；机架1上设置有和原位定位凹槽11相适配的原位近接开关14，和扣刀定位凹槽12相适配的扣刀定位近接开关15；机架1上还设置有加工主轴3，主轴3上连接设置有主轴3马达，主轴3上设置有与刀具相适配的装配腔，还包括和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手4驱动马达、原位近接开关14、扣刀定位近接开关15、主轴3马达相接的数控系统。机架1上设置有和刀具相适配用于松刀和紧刀的主轴3刀具气缸，主轴3刀具气缸和数控系统相适配。涡轮10上还设置有停止定位凹槽13，机架1上设置有和停止定位凹槽13相适配的停止近接开关16；停止近接开关16和数控系统相连。主轴3马达包括控制主轴Z向上下运动的主轴Z向动作马达和控制主轴3旋转的主轴3旋转马达，主轴3旋转马达用于带动主轴3旋转，主轴Z向马达用于带动主轴3进行Z向的上下移动。机架1上设置和刀具预选刀具位相适配的刀具定位近接开关，和刀具倒刀刀具位相适配的刀具倒刀近接开关。

原位定位凹槽11设置有一个；扣刀定位凹槽12设置有两个，分别为第一扣刀定位凹槽和第二扣刀定位凹槽；停止定位凹槽13设置有三个,分别为第一停止定位凹槽、第二停止定位凹槽和第三停止定位凹槽，它们设置的顺序按照360°划分依次为原位定位凹槽11、第一停止定位凹槽、第一扣刀定位凹槽、第二停止定位凹槽、第二扣刀定位凹槽、第三停止定位凹槽；两个扣刀定位凹槽12位于凸轮的同一圆周上，三个停止定位凹槽13位于同一圆周上。

当机械手4在初始位置时，也就是0°时，原位近接开关14和原位定位凹槽11相对应；当机械手4运行至扣刀位置时，也就是机械手4运行90°时，扣刀定位凹槽12和扣刀定位近接开关15相对；因为信号的延迟性以及驱动马达的运转惯性，在机械手运行至扣刀位置的过程中，第一停止定位凹槽会和停止近接开关16相对，等数控系统接收到该停止信号后，停止机械手4驱动马达，待减速完全停止时,机械手4也就运行至扣刀定位凹槽12和扣刀定位近接开关15相对的位置。当机械手4下拉后旋转180°再回到原位时，也就是机械手4扣刀后旋转180°，主轴3执行紧刀时，也是第二停止定位凹槽先和停止近接开关16先对应，数控机床停止机械手4马达后，再通过第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关15相对与否来判断是否旋转到位，再执行主轴3紧刀动作。紧刀完成后，机械手4旋转回原位过程中，通过第三停止定位凹槽和停止近接开关16相对应来停止机械手4驱动马达工作，然后通过原位定位凹槽11和原位近接开关14来判断机械手4是否回到原位。如果机械手4回到原位，则数控机床控制主轴Z向动作驱动马达解除锁紧，主轴3才能进行移动，然后进行下面的工作。 机架1上设置有和刀具相适配用于松刀和紧刀的主轴3刀具气缸，主轴3刀具气缸和数控系统相适配。

• 实施例2

基于实施例1所述的该发明包括如下步骤：

（1）数控系统根据指定的刀具号，控制刀盘转动，通过数控系统计数，指定的刀具转动到预选刀具位，此时，和预选刀具位相适配的刀具定位近接开关感应到指定刀具到达预选刀具位后给数控系统发送一个刀具到位信号；

（2）上一工序完成后，数控系统通过读取原位近接开关14的信号判断机械手4是否处在初始位置，机械手4在初始位置时，数控系统控制位于预选刀具位的刀具执行倒刀动作，同时控制主轴Z向动作驱动马达工作，主轴Z向动作驱动马达带动主轴3上升至换刀点后给数控系统一个主轴3到位信号；主轴旋转马达带动主轴3执行角度定位后给数控系统一个主轴3定位到位信号；当刀具倒刀近接开关感应到刀具到位后，给数控系统一个刀具到位信号；如果机械手4不在初始位置，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴3无法进行Z向的操作；

（3）数控系统收到步骤（2）所述的刀具到位信号和主轴3到位信号后，给机械手4驱动马达一个工作信号，机械手4离开初始位置，原位近接开关14给数控系统一个机械手4离开初始位置的信号，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号；当机械手4旋转至第一停止定位凹槽时，停止近接开关16给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手4驱动马达一个停止工作信号，如果机械手4停止后运动到扣刀位置，扣刀定位凹槽12和扣刀定位近接开关15相对，扣刀定位近接开关15给数控系统发送一个确定定位信号，此时数控系统给主轴3发送松刀指令，否则，数控机床自动换刀装置停止工作；主轴3松刀完成后，给数控系统发送松刀完成信号；

（4）数控系统接受到步骤（3）所述的松刀完成信号后，给机械手4驱动马达下达工作指令，机械手4驱动马达带动机械手4下拉一定距离后，旋转180°上升到原位，第二停止定位凹槽和停止近接开关16相对，停止近接开关16给数控机床发送停止信号，数控机床给机械手4驱动马达下达停止指令，机械手4驱动马达停止运行，此时如果第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关15相对，则给数控机床发送一个确定定位信号，此时给主轴3发送紧刀指令；否则，数控机床自动换刀装置停止工作；紧刀到位后给数控系统发送紧刀到位信号；

（5）数控系统收到步骤（4）所述的紧刀到位信号后，给机械手4驱动马达下达工作指令，机械手4驱动马达带动机械手4回到初始位置，当第三停止定位凹槽和停止近接开关16相对后，停止近接开关16给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手4马达发送一个停止信号，机械手4停止后，如果原位定位凹槽11和原位近接开关14相对，则给数控系统发送一个机械手4回到初始位置的信号，此时数控机床给刀座一个回刀指令，使换下的刀具回到刀座中，同时给主轴3Z方向驱动马达一个解锁指令，主轴3可以进行Z方向的操作。在上述步骤的基础上，数控系统接收到扣刀定位近接开关15或停止近接开关16的信号时，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴3无法进行Z向的操作。如果机械手4在初始位置，原位近接开关14会给数控系统发送一个原位信号，如果机械手4不在原位或者原位近接开关14损坏，则不发送任何信号，数控系统判定机械手4不在初始位置，同时给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴3无法进行Z向的操作。

为了使得刀具进预选刀位更加迅速，节约能量，数控系统根据指定的刀具号，给刀库驱动马达发送工作指令，控制圆盘式刀库2转动，圆盘式刀库2带动指定的刀具转动到预选刀具位时，数控系统通过读取刀具号所在位置，进而判断刀盘通过正转还是反转离预选刀具位更近，从而给刀盘正转或反转信号。机架1上设置有和圆盘式刀库2相适配的定位传感器，定位传感器和控制系统相连，控制系统通过定位传感器来确定圆盘式刀库2所在位置，进而判定制定刀具位于圆盘式刀库2的位置。

一种数控机床自动换刀装置及方法专利目的

《一种数控机床自动换刀装置及方法》的目的是为了提供一种数控机床自动换刀装置及方法，解决2016年1月以前的数控机床自动换刀过程中，容易发生主轴和机械手相撞，进而损坏主轴或机械手的问题。

一种数控机床自动换刀装置及方法技术方案

《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括机架，设置在机架上的圆盘式刀库，和圆盘式刀库适配的刀库驱动马达，圆盘式刀库内设置有若干刀具，机架上设置和刀具相适配的倒刀气缸，机架上设置有机械手驱动马达，机械手驱动马达上设置有涡轮，涡轮上连接有可旋转和轴向运动的机械手旋转轴，机械手旋转轴上设置有用于换刀的机械手，涡轮上设置有一组原位定位凹槽、扣刀定位凹槽；机架上设置有和原位定位凹槽相适配的原位近接开关，和扣刀定位凹槽相适配的扣刀定位近接开关；机架上还设置有加工主轴，主轴上连接设置有主轴马达，主轴上设置有与刀具相适配的装配腔，还包括和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手驱动马达、原位近接开关、扣刀定位近接开关、主轴马达相接的数控系统。涡轮上还设置有停止定位凹槽，机架上设置有和停止定位凹槽相适配的停止近接开关；停止近接开关和数控系统相连。

优选的，原位定位凹槽设置有一个；扣刀定位凹槽设置有两个，分别为第一扣刀定位凹槽和第二扣刀定位凹槽；停止定位凹槽设置有三个,分别为第一停止定位凹槽、第二停止定位凹槽和第三停止定位凹槽，它们设置的顺序按照360°划分依次为原位定位凹槽、第一停止定位凹槽、第一扣刀定位凹槽、第二停止定位凹槽、第二扣刀定位凹槽、第三停止定位凹槽；两个扣刀定位凹槽位于凸轮的同一圆周上，三个停止定位凹槽位于同一圆周上。 优选的，主轴马达包括控制主轴Z向上下运动的主轴Z向动作马达和控制主轴旋转的主轴旋转马达。优选的，机架上设置有和刀具相适配用于松刀和紧刀的主轴刀具气缸，主轴刀具气缸和数控系统相适配。优选的，机架上设置和刀具预选刀具位相适配的刀具定位近接开关，和刀具倒刀刀具位相适配的刀具倒刀近接开关。

《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括如下步骤：

（1）数控系统根据指定的刀具号，控制刀盘转动，通过数控系统计数，指定的刀具转动到预选刀具位，此时，和预选刀具位相适配的刀具定位近接开关感应到指定刀具到达预选刀具位后给数控系统发送一个刀具到位信号；

（2）上一工序完成后，数控系统通过读取原位近接开关的信号判断机械手是否处在初始位置，机械手在初始位置时，数控系统控制位于预选刀具位的刀具执行倒刀动作，同时控制主轴Z向动作驱动马达工作，主轴Z向动作驱动马达带动主轴上升至换刀点后给数控系统一个主轴到位信号；主轴旋转马达带动主轴执行角度定位后给数控系统一个主轴定位到位信号；当刀具倒刀近接开关感应到刀具到位后，给数控系统一个刀具到位信号；如果机械手不在初始位置，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作；

（3）数控系统收到步骤（2）所述的刀具到位信号和主轴到位信号后，给机械手驱动马达一个工作信号，机械手离开初始位置，原位近接开关给数控系统一个机械手离开初始位置的信号，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号；当机械手旋转至第一停止定位凹槽时，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手驱动马达一个停止工作信号，如果机械手停止后运动到扣刀位置，扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，扣刀定位近接开关给数控系统发送一个确定定位信号，此时数控系统给主轴发送松刀指令，否则，数控机床自动换刀装置停止工作；主轴松刀完成后，给数控系统发送松刀完成信号；

（4）数控系统接受到步骤（3）所述的松刀完成信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手下拉一定距离后，旋转180°上升到原位，第二停止定位凹槽和停止近接开关相对，停止近接开关给数控机床发送停止信号，数控机床给机械手驱动马达下达停止指令，机械手驱动马达停止运行，此时如果第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，则给数控机床发送一个确定定位信号，此时给主轴发送紧刀指令；否则，数控机床自动换刀装置停止工作；紧刀到位后给数控系统发送紧刀到位信号；

（5）数控系统收到步骤（4）所述的紧刀到位信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手回到初始位置，当第三停止定位凹槽和停止近接开关相对后，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手马达发送一个停止信号，机械手停止后，如果原位定位凹槽和原位近接开关相对，则给数控系统发送一个机械手回到初始位置的信号，此时数控机床给刀座一个回刀指令，使换下的刀具回到刀座中，同时给主轴Z方向驱动马达一个解锁指令，主轴可以进行Z方向的操作。

为了进一步保证不会发生机械手撞击主轴的现象，只要机械手不在初始位置，主轴Z向4动作驱动马达就会被锁死，主轴无法进行上下运动，数控系统接收到扣刀定位近接开关或停止近接开关的信号时，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。为了进一步保证不会发生机械手撞击主轴的现象，如果机械手在初始位置，原位近接开关会给数控系统发送一个原位信号，如果机械手不在原位或者原位近接开关损坏，则不发送任何信号，数控系统判定机械手不在初始位置，同时给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。为了使得刀具进预选刀位更加迅速，节约能量，数控系统根据指定的刀具号，给刀库驱动马达发送工作指令，控制圆盘式刀库转动，圆盘式刀库带动指定的刀具转动到预选刀具位时，数控系统通过读取刀具号所在位置，进而判断刀盘通过正转还是反转离预选刀具位更近，从而给刀盘正转或反转信号。

一种数控机床自动换刀装置及方法改善效果

《一种数控机床自动换刀装置及方法》的有益效果：和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手驱动马达、原位近接开关、扣刀定位近接开关、停止近接开关、主轴刀具气缸、主轴马达、数控系统相互配合，实现高精度换刀，同时原位近接开关、扣刀定位近接开关、停止近接开关，能够实现机械手离开初始位置，或者无法判定机械手位置时，或者停电后，通过主轴Z方向驱动的锁止，使得在换刀过程中，不会出现机械手和主轴相互撞击，而造成机械手或主轴损坏的问题，同时该发明结构合理能够有效节省工作过程中的能量损耗。

1.《一种数控机床自动换刀装置及方法》包括机架，设置在机架上的圆盘式刀库，和圆盘式刀库适配的刀库驱动马达，圆盘式刀库内设置有若干刀具，机架上设置和刀具相适配的倒刀气缸，机架上设置有机械手驱动马达，机械手驱动马达上设置有涡轮，涡轮上连接有可旋转和轴向运动的机械手旋转轴，机械手旋转轴上设置有用于换刀的机械手，涡轮上设置有一组原位定位凹槽、扣刀定位凹槽；机架上设置有和原位定位凹槽相适配的原位近接开关，和扣刀定位凹槽相适配的扣刀定位近接开关；机架上还设置有加工主轴，主轴上连接设置有主轴马达，主轴上设置有与刀具相适配的装配腔，还包括和刀库驱动马达、倒刀气缸、机械手驱动马达、原位近接开关、扣刀定位近接开关、主轴马达相接的数控系统。

2.根据权利要求1所述的数控机床自动换刀装置，其特征在于：涡轮上还设置有停止定位凹槽，机架上设置有和停止定位凹槽相适配的停止近接开关；停止近接开关和数控系统相连。

3.根据权利要求2所述的数控机床自动换刀装置，其特征在于：原位定位凹槽设置有一个；扣刀定位凹槽设置有两个，分别为第一扣刀定位凹槽和第二扣刀定位凹槽；停止定位凹槽设置有三个,分别为第一停止定位凹槽、第二停止定位凹槽和第三停止定位凹槽，它们设置的顺序按照360°划分依次为原位定位凹槽、第一停止定位凹槽、第一扣刀定位凹槽、第二停止定位凹槽、第二扣刀定位凹槽、第三停止定位凹槽；两个扣刀定位凹槽位于凸轮的同一圆周上，三个停止定位凹槽位于同一圆周上。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的数控机床自动换刀装置，其特征在于：主轴马达包括控制主轴Z向上下运动的主轴Z向动作马达和控制主轴旋转的主轴旋转马达。

5.根据权利要求1所述的数控机床自动换刀装置，其特征在于：机架上设置有和刀具相适配用于松刀和紧刀的主轴刀具气缸，主轴刀具气缸和数控系统相适配。

6.根据权利要求1所述的数控机床自动换刀装置，其特征在于：机架上设置和刀具预选刀具位相适配的刀具定位近接开关，和刀具倒刀刀具位相适配的刀具倒刀近接开关。

7.该发明包括如下步骤：步骤（1）、数控系统根据指定的刀具号，控制刀盘转动，通过数控系统计数，指定的刀具转动到预选刀具位，此时，和预选刀具位相适配的刀具定位近接开关感应到指定刀具到达预选刀具位后给数控系统发送一个刀具到位信号；步骤（2）、上一工序完成后，数控系统通过读取原位近接开关的信号判断机械手是否处在初始位置，机械手在初始位置时，数控系统控制位于预选刀具位的刀具执行倒刀动作，同时控制主轴Z向动作驱动马达工作，主轴Z向动作驱动马达带动主轴上升至换刀点后给数控系统一个主轴到位信号；主轴旋转马达带动主轴执行角度定位后给数控系统一个主轴定位到位信号；当刀具倒刀近接开关感应到刀具到位后，给数控系统一个刀具到位信号；如果机械手不在初始位置，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作；步骤（3）、数控系统收到步骤（2）所述的刀具到位信号和主轴到位信号后，给机械手驱动马达一个工作信号，机械手离开初始位置，原位近接开关给数控系统一个机械手离开初始位置的信号，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号；当机械手旋转至第一停止定位凹槽时，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手驱动马达一个停止工作信号，如果机械手停止后运动到扣刀位置，扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，扣刀定位近接开关给数控系统发送一个确定定位信号，此时数控系统给主轴发送松刀指令，否则，数控机床自动换刀装置停止工作；主轴松刀完成后，给数控系统发送松刀完成信号；步骤（4）、数控系统接受到步骤（3）所述的松刀完成信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手下拉一定距离后，旋转180°上升到原位，第二停止定位凹槽和停止近接开关相对，停止近接开关给数控机床发送停止信号，数控机床给机械手驱动马达下达停止指令，机械手驱动马达停止运行，此时如果第二扣刀定位凹槽和扣刀定位近接开关相对，则给数控机床发送一个确定定位信号，此时给主轴发送紧刀指令；否则，数控机床自动换刀装置停止工作；紧刀到位后给数控系统发送紧刀到位信号；步骤（5）、数控系统收到步骤（4）所述的紧刀到位信号后，给机械手驱动马达下达工作指令，机械手驱动马达带动机械手回到初始位置，当第三停止定位凹槽和停止近接开关相对后，停止近接开关给数控机床发送一个停止信号，数控机床给机械手马达发送一个停止信号，机械手停止后，如果原位定位凹槽和原位近接开关相对，则给数控系统发送一个机械手回到初始位置的信号，此时数控机床给刀座一个回刀指令，使换下的刀具回到刀座中，同时给主轴Z方向驱动马达一个解锁指令，主轴可以进行Z方向的操作。

8.根据权利要求7所述的数控机床自动换刀方法，其特征在于：数控系统接收到扣刀定位近接开关或停止近接开关的信号时，数控系统给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。

9.根据权利要求7或8所述的数控机床自动换刀方法，其特征在于：如果机械手在初始位置，原位近接开关会给数控系统发送一个原位信号，如果机械手不在原位或者原位近接开关损坏，则不发送任何信号，数控系统判定机械手不在初始位置，同时给主轴Z向动作驱动马达一个锁死信号，使主轴无法进行Z向的操作。

10.根据权利要求9所述的数控机床自动换刀方法，其特征在于：数控系统根据指定的刀具号，给刀库驱动马达发送工作指令，控制圆盘式刀库转动，圆盘式刀库带动指定的刀具转动到预选刀具位时，数控系统通过读取刀具号所在位置，进而判断刀盘通过正转还是反转离预选刀具位更近，从而给刀盘正转或反转信号。

自动换刀数控机床，即“加工中心”。

根据实现原理的不同，自动换刀有回转刀架换刀、更换主轴头换刀、带刀库自动换刀等方式。

回转刀架换刀工作原理类似分度工作台，通过刀架定角度回转实现新旧刀具的交换。

更换主轴头换刀方式时首先将刀具放置于各个主轴头上。通过转塔的转动更换主轴头从而达到更换刀具的目的。这两种方式设计简单，换刀时间短，可靠性高。其缺点是储备刀具数量有限，尤其是更换主轴头换刀方式的主轴系统的刚度较差，所以仅仅适应于工序较少、精度要求不太高的机床。

带刀库自动换刀方式由刀库，选刀系统，刀具交换机构等部分构成，结构较复杂。该方法虽然有着换刀过程动作多，设计制造复杂等缺点，但由于其自动化程度高，因此在加工工序比较多的复杂零件时，被广泛采用。

自动换刀系统简称ATC，是加工中心的重要部件，由它实现零件工序之间连续加工的换刀要求，即在每一工序完成后自动将下一工序所用的新刀具更到主轴上，从而保证了加工中心工艺集中的工艺特点，刀具的交换一般通过机械手、刀库及机床主轴的协调动作共同完成。

带刀库和自动换刀装置的数控机床，其主轴箱和转塔主轴头相比较，由于主轴箱内只有一个主轴，主轴部件具有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很多的刀具，以进行复杂零件的多工步加工，可明显提高数控机床的适应性和加工效率。自动换刀系统特别适用于加工中心。

自动换刀系统应当满足的基本要求包括：

(1)换刀时间短；

(2)刀具重复定位精度高；

(3)足够的刀具储存量；

(4)刀库占用空间少。