超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法及其机床

摘要

一种超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法及其机床，其中，方法包括如下步骤：S1、发送换刀指令；S2、传感器检测主轴上是否存在刀具，S3、进行还刀动作；S4、进行抓刀动作；S5、将主轴移动到刀夹座上方，所述主轴对准预先装在刀夹座内的刀具；S6、Z向驱动机构驱动所述主轴下移，使主轴的基准面与刀具的定位夹的定位面接触；S7、主轴气缸泄压，所述主轴碟簧伸张带动驱动杆上升，锁嘴跟随驱动杆上升，锁嘴内缩夹紧刀具上部，保持主轴的基准面与定位夹的定位面处于紧密接触状态；S8、Z向驱动装置驱动主轴连同已被抓取的刀具同步上升,机台进入加工状态。本发明具有在换刀后不用对刀的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法及其机床。

背景技术

CNC数控机床从其主轴的转速来分，可以分为低速、高速和超高速三大类主轴，其中，超高速机床主要用于工件的高镜面加工，所以行业内也称高光机。

目前，大多数高光机都是采用人工换刀，存在换刀速度慢，精度不好的问题；现在有人摸仿低速机的换刀方法，在高光机上自动换刀，就是用一个具有斜面定位的刀柄来夹刀，高光机的主轴抓斜面定位的刀柄实现换刀，但是，这种换刀方式，由于刀柄的体积大质量重，累积公差动平衡不好，难以应用在8万转以上的高光机；还有一种换刀方式就是在一台机器上装多根高光主轴（一般为三根），几根主轴分别装不同的刀，顺序加工同一个工件来代替换刀的功能，这种换刀方式受主轴数量限制，只能换与主轴数相同的刀。

为了解决上述问题，中国专利文献CN104128831A公开了一种超高速电主轴自动换刀装置及其方法，其中，自动换刀方法包括步骤为：电主轴移动至卡钳的前端，将刀具推入卡钳夹紧；电主轴脱离刀具，移动至换刀检查器进行换刀逻辑检查；检查换刀成功后，电主轴移到下一卡钳的上端，刀具装入弹簧夹刀夹头内，电主轴上弹簧夹刀夹头夹刀；电主轴及其被夹紧的刀具横向移出卡钳，进行刀具长度测量，完成换刀。但是，这种换刀装置和换刀方法又出现了一个新的问题，那就是在每次换刀后都需要进行对刀，对刀需要时间，就存在影响产品的加工效率的问题，尤其是对结构比较复杂、需要频繁换刀的产品而言，会大大地降低产品的加工效率；另外，频繁对刀对刀具的刀尖也会产生不利影响。

为了解决频繁对刀的问题，中国专利文献CN113103045A公开了一种刀库，包括放置架及至少两个刀具，放置架设置有至少两个摆放位，摆放位底部设置有定位部；刀具放置于摆放位，且刀具的刀尖与定位部接触。使用该刀库的加工设备，更换刀具时可以免去对刀操作，节省对刀时间，简化加工过程，有效提高生产效率。但是，这种使用专用刀库免对刀的加工设备，在抓刀时，对刀柄有一定压力，使刀尖给定位部施压，久而久之，刀尖与定位部之间会产生伤损，影响刀具的Z向精度。

如何可以实现即可以自动换刀，而又不用对刀，还具有很高的Z向精度的超高速主轴自动换刀技术是同行业的技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现不用对刀，且换刀精度高的超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法及其机床。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提供一种超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法，包括如下步骤：

S1、发送换刀指令；

S2、传感器检测主轴上是否存在刀具，如果有进入S3步，如果没有进入S4步；

S3、进行还刀动作；

S4、进行抓刀动作，并按如下步骤抓刀；

S5、将主轴移动到刀夹座上方，所述主轴对准预先装在刀夹座内的刀具，所述刀具具有刀和定位夹，所述定位夹被同轴定位在所述刀上，且每个刀具的定位夹的定位面到刀尖的距离相等；

S6、所述Z向驱动机构驱动所述主轴下移，使主轴的基准面与刀具的定位夹的定位面接触，同时，所述主轴内置的主轴气缸作用下驱动杆下行，使位于驱动杆下端的锁嘴张开，所述刀具的上部伸入锁嘴内，位于驱动杆上部的主轴碟簧被压缩，并且刀夹座内的刀夹座弹性体在刀具的下行力的作用下被压缩，在刀夹座弹性体的反作用力的作用下使主轴的基准面与定位夹的定位面紧密接触；

S7、主轴气缸泄压，所述主轴碟簧伸张带动驱动杆上升，锁嘴跟随驱动杆上升，锁嘴内缩夹紧刀具上部，保持主轴的基准面与定位夹的定位面处于紧密接触状态；

S8、Z向驱动装置驱动主轴连同已被抓取的刀具同步上升,机台进入加工状态。

作为对本发明的改进，本发明还包括S9步、重复S2-S8步，从而实现加工过程中的循环换刀功能。

作为对本发明的改进，所述S3步包括如下步骤：

S31、将主轴移动到刀夹座上方，使主轴对准刀夹座的空位；

S32、所述Z向驱动机构驱动主轴下移，主轴上的刀具下移至设定位置，使刀夹座抱住刀具上的定位夹，主轴停止下移；给主轴内的主轴气缸充气，蝶形弹簧被下压，所述驱动杆下移，锁嘴张开，所述锁嘴松开刀具；

S33、主轴上移，且主轴与刀具脱离完成还刀。

作为对本发明的改进，所述S5步还包括刀具组装步骤：

S51、将刀和定位夹放在专用治具内，刀柄穿在定位夹的中心孔内，使定位夹的定位面与专用治具的上定位面紧帖，使刀的刀尖抵在专用治具的下定位面上，保证所有刀具的定位夹的定位面与刀尖的距离为相同的定值；

S52、将定位夹固定在刀柄上构成刀具。

本发明还提供一种单驱多主轴可自动换刀的CNC数控机床，可以用上述的自动换刀方法进行换刀。

本发明还提供一种单驱多主轴可自动换刀的CNC数控机床，包括机架，在所述机架设有加工台面，在所述加工台面的上方设有可以沿Y向伸缩的刀库，在所述刀库的上方设有加工部，所述加工部包括主轴固定座，在所述主轴固定座上垂直设有主轴，主轴由Z向驱动机构驱动，在所述主轴内设有用于抓取刀具的抓刀结构，在所述刀库内存有若干刀具，每个所述刀具具有刀和定位夹，所述定位夹被同轴定位在所述刀上，且每个刀具的定位夹的定位面到刀尖的距离相等；所述抓刀结构抓取刀具后，所述定位夹的定位面与所述主轴的基准面紧贴在一起。

作为对本发明的改进，所述抓刀结构包括设在主轴内的主轴气缸，与所述主轴气缸的输出轴连接的驱动杆，在所述驱动杆的上端设有受输出轴驱动的蝶形弹簧，在所述驱动杆的下端设有锁嘴。

作为对本发明的改进，所述刀库设有若干个刀夹座，每个刀夹座具有用于抱住刀具的定位夹的夹持部，以及位于所述夹持部下方的用于将刀具向上抵顶的刀夹座弹性体。

作为对本发明的改进，所述夹持部是弹性夹持部。

作为对本发明的改进，所述定位夹是通过紧固件或热缩方式被同轴固定设置在所述刀的刀柄上的。

本发明的核心在于将所有刀具设计成包括定位夹和刀两个部分，将定位夹定位在刀具上，且将所有刀具的定位夹的定位面与刀尖距离相等，将刀具放在刀库的刀夹座上，使刀夹座内刀夹座弹性体将刀具上顶；当主轴抓取刀具时，使主轴的基准面与定位夹的定位面紧贴在一起，这样就保证了无论哪把刀具，在被抓取后刀尖在Z向方向的高度相同，且换刀时刀尖是悬空的不与任何物体接，这样，就可以达到即可不用对刀，又换刀后刀具的Z向高度精度准的目的。

附图说明

图1是本发明方法的一种实施例的方框结构示意图。

图2是图1中的S3步的细化结构示意图。

图3是图1中的S5步的细化结构示意图。

图4是本发明还刀的结构示意图。

图5是本发明换刀中的结构示意图。

图6是本发明换刀完成结构示意图。

图7是本发明换刀完成后主轴上移的结构示意图。

图8是本发明机床的平面结构示意图。

图9是本发明中一种刀具的结构示意图。

图10是本发明刀夹座的另一种实施例结构示图。

图11是图10的俯视结构示意图。

图12是图10用于还刀时的结构示意图。

图13是图10用于抓刀时的结构示意图。

图14是本发明中的定位夹的一种实施例的平面结构示意图。

图15是图14的俯视平面结构示意图。

图16是图14的立体结构示意图。

图17是本发明的定位保护套的俯视结构示意图。

图18是图17的立体结构示意图。

图19是定位保护套套在所述定位夹上后的平面结构示意图。

图20是图19的俯视平面结构示意图。

图21是图20的A-A剖视结构示意图。

图中：

机架1；

加工台面2；

刀库3；

刀夹座31；

夹持部311；

刀夹座弹性体312；

加工部4；

主轴固定座41；

主轴411；

基准面4111；

主轴固定夹4112；

紧固螺丝4113；

Z向驱动机构412驱动；

刀具413；

刀4131；

刀尖41311

刀柄41312；

定位夹4132；

定位面41321；

被夹持部41322；

螺丝41323；

定位夹上筒41324；

上筒面413241；

定位夹中孔413242

定位夹下筒41325；

下筒面413251；

上筒开口槽41326；

下筒开口槽41327；

定位夹中孔41328；

抓刀结构414；

主轴气缸4141；

输出轴4142；

驱动杆4143；

蝶形弹簧4144；

锁嘴4145。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参见图1-图3，图1-图3揭示的是一种超高速气浮主轴CNC数控机床的自动换刀方法，包括如下步骤：

S1、由机床的数控装置发送换刀指令；

S2、机床上的传感器检测主轴上是否存在刀具，如果有进入S3步，如果没有进入S4步；本实施例中，所述传感器采用的是红外传感器，所述红外传感器包括红外发射管和红外接收管，所述红外发射管和红外接收管相对设置，当红外发射管发射出的红外线能被红外接收管接收到时，表示主轴下端没有刀具，否则，表示主轴下端有刀具；当然，所述传感器还可以使用磁感应开关等等；

S3、进行还刀动作；参见图2和图4，

S31、通过主轴X向移动机构（未画出）与刀库的Y向移动机构（未画出）的配合（即主轴固定座在Z向驱动机构驱动下作上下移动，主轴固定座又固定在X轴固定座上做水平移动），将主轴移动到刀夹座上方，使主轴对准刀夹座的空位；

S32、所述Z向驱动机构驱动主轴下移，主轴上的刀具下移至设定位置，使刀夹座抱住刀具上的定位夹（具体地说，定位夹的下部设有被夹持部，参见图10；刀夹座的上部设有夹持部，夹持部是具有一定弹性抱头，当被夹持部伸到抱夹后，抱夹利用其弹性将被夹持部抱住；当然，根据需要也可以设计成直接夹持刀柄，或夹持定位套外缘，或用磁吸等），主轴停止下移；给主轴内的主轴气缸充气，蝶形弹簧被下压，所述驱动杆下移，锁嘴张开，所述锁嘴松开刀具；

S33、所述主轴上移，且所述主轴与刀具脱离，完成还刀。

S4、进行抓刀动作，并按如下步骤抓刀，参见图5-图7；

S5、通过主轴X向移动机构（未画出）与刀库的Y向移动机构（未画出）的配合，将主轴移动到刀夹座上方，所述主轴对准预先装在刀夹座内的刀具，所述刀具具有刀和定位夹，所述定位夹被同轴定位在所述刀上，且刀夹座上的每个刀具的定位夹的定位面到刀尖的距离相等；

S6、所述Z向驱动机构驱动主轴下移，使主轴的基准面与刀具的定位夹的定位面接触，同时，所述主轴内置的主轴气缸充气使驱动杆下行，使位于驱动杆下端的锁嘴张开，所述刀具的上部伸入锁嘴内，位于驱动杆上部的主轴碟簧被压缩，并且刀夹座内的刀夹座弹性体在刀具的下行力的作用下被压缩，在刀夹座弹性体的反作用力的作用下使主轴的基准面与定位夹的定位面紧密接触；

S7、主轴气缸泄压，所述主轴碟簧伸张带动驱动杆上升，锁嘴跟随驱动杆上升，锁嘴内缩夹紧刀具上部，保持主轴的基准面与定位夹的定位面处于紧密接触状态；

S8、Z向驱动装置驱动主轴连同已被抓取的刀具同步上升,机台进入加工状态。

本发明的核心在于，当主轴抓取刀具时，使主轴的基准面与定位夹的定位面紧贴在一起，由于每把刀具的定位面与刀尖是相同的定值，且换刀时刀尖是悬空的，这样就保证了无论哪把刀具，在被抓取后刀尖在Z向方向的高度相同，可以达到既不用对刀，又换刀后的刀具Z向精度精准的目的。

优选的，本发明还包括S9步、重复S2-S8步，从而实现加工过程中的循环换刀功能。

优选的，所述S5步还包括刀具组装步骤：参见图3；

S51、将刀和定位夹放在专用治具内，刀柄穿在定位夹的中心孔内，使定位夹的定位面与专用治具的上定位面紧帖，使刀的刀尖抵在专用治具的下定位面上，保证所有刀具的定位夹的定位面与刀尖的距离为相同的定值；

S52、将定位夹固定在刀柄上构成刀具。

本发明中，刀具可以在机外预先组装：

在机台外用专用治具实现定位夹和刀装配，保证所有刀具的定位夹的定位面与刀的刀尖之间的距离为同一预定的固定值,其距离最好精确在0.005mm以内；

如图10，在专用治具里设第一基准面F和第二基准面G，定位夹的定位面紧贴第一基准面F，刀的刀尖紧贴第二基准面G，然后，将定位夹固定在刀上构成刀具。

定位夹和刀的固定方式包括但不限于用机械方式，如用螺丝41323锁紧，或热缩方式等来固定。

如果用热缩的方式来实现刀与定位夹的紧密配合，要先用高频加热器将定位夹加热，使定位夹和刀柄配合的内径扩大，能使刀柄顺利穿入定位夹内，并使刀尖与专用治具和第二基准面G紧贴，定位夹的定位面紧贴第一基准面F，冷却定位夹，定位夹内径收缩，使定位夹紧紧抱住刀柄即可。

本发明还提供一种超高速气浮主轴可自动换刀的CNC数控机床，可以用上述的自动换刀方法进行换刀。

请参见图8和图9，图8和图9揭示的是一种超高速气浮主轴可自动换刀的CNC数控机床，包括机架1，在所述机架1设有加工台面2，在所述加工台面2的上方设有可以沿Y向伸缩的刀库3，在所述刀库3的上方设有加工部4，所述加工部4包括主轴固定座41，在所述主轴固定座41上垂直设有主轴411所述主轴411由Z向驱动机构412驱动（本实施例中，所述Z向驱动机构412包括伺服电机及其相应的丝杆螺母结构，所述Z向驱动机构412带动主轴固定座41上下移动，所述主轴固定座41从而带动主轴411上下移动，同时，所述主轴固定座41固定在X轴固定座上（未画出）可以做水平移动），在所述主轴411内分别设有用于抓取刀具413的抓刀结构414，在所述刀库3内存有若干刀具413，每个所述刀具413具有刀4131和定位夹4132（在所述定位夹4132的下部设有直径小于定位夹4132的被夹持部41322，见图9），所述定位夹4132被同轴固定设置在所述刀4131的刀柄上，且每个刀具413的定位夹4132的定位面41321到刀尖41311的距离相等；所述抓刀结构抓取刀具413后，所述定位夹4132的定位面41321与所述主轴411的基准面4111紧贴在一起。

刀具可以在机外预先组装：在机台外用专用治具实现定位夹和刀装配，保证所有刀具的定位夹的定位面与刀的刀尖之间的距离为同一预定的固定值,其距离最好精确在0.005mm以内。

优选的，所述抓刀结构414（参见图4-7）包括设在主轴411内的主轴气缸4141，与所述主轴气缸4141的输出轴4142连接的驱动杆4143，在所述驱动杆4143的上端设有受输出轴4142驱动的蝶形弹簧4144，在所述驱动杆4143的下端设有锁嘴4145。

优选的，所述刀库3设有若干个刀夹座31，每个刀夹座31具有用于抱住刀具413的定位夹4132的夹持部311，以及位于所述夹持部311下方的用于将刀具413向上抵顶的刀夹座弹性体312。本发明中，所述夹持部311可以是弹性夹持部、气动夹持部、电动夹持部或磁吸夹持部等；所述刀夹座弹性体312可以是刀夹座弹簧、刀夹座弹性橡胶或刀夹座弹性气垫等。

请参见图10，本发明中，所述刀夹座31包括用于抱住刀具413的定位夹4132的夹持部311，以及用于将刀具413向上抵顶的刀夹座弹性体312，本实施例中，所述夹持部311包括水平夹持面（3111）和垂直于所述水平夹持面（3111）连接的滑动件（3112），所述水平夹持面（3111）与所述滑动件（3112）构成L形形状，在所述水平夹持面（3111）的远离所述滑动件（3112）一侧设有弹性卡口3113（参见图11），所述弹性卡口3113用于承载所述刀具413。

当要还刀时，如图12所示，主轴将刀具413移到夹持部311附近，使刀具413的被夹持部41322对准弹性卡口3113，刀具413从侧面沿第一箭头415的方向将被夹持部41322卡在所述弹性卡口3113内，完成还刀。

当要抓刀时，如图13所示，主轴的锁嘴4145衔住所述定位夹上部的刀柄，主轴轻微下行，所述定位夹4132的定位面41321与所述主轴411的基准面4111紧贴在一起，锁嘴4145锁紧定位夹上部的刀柄，平移主轴使刀具413从侧面沿第二箭头416的方向取出刀具413，完成抓刀。

请参见图14-图16，图14-图16揭示是本发明中的另一种定位夹。从图可以看出，所述定位夹4132包括定位夹上筒41324和定位夹下筒41325，所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325同轴上下设置，其中，所述定位夹下筒41325的外径大于所述定位夹上筒41324的外径，在所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325的相交处形成定位面41321；在所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325的中心设有贯穿定位夹上筒41324和定位夹下筒41325的定位夹中孔41328，在所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325的筒壁上相间设有至少三条上筒开口槽41326和至少三条下筒开口槽41327；所述上筒开口槽41326从定位夹上筒41324的上筒面413241开始一直延伸到定位夹下筒41325的下筒面413251附近，将所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325分成至少三个上弹性片；所述下筒开口槽41327从定位夹下筒41325的下筒面413251开始一直延伸到定位夹上筒41324的上筒面413241附近，将所述定位夹下筒41325和定位夹上筒41324分成至少三个下弹性片。

在所述定位面41321附近的所述定位夹上筒41324上设有倒扣配合孔413242，用于与主轴上的定位保护套4133配合。

请参见图17-图21，本发明还包括定位保护套4133，所述定位保护套4133包括底板41331，所述底板41331的圆周向一侧延伸形成圆筒41332，在所述底板41331的中央设有中心孔41333，所述中心孔41333的直径与所述定位夹上筒41324的外径相等，在所述中心孔41333的内壁上均匀设有至少两个向中心孔41333内突出的凸耳41334（本实施例中，所述凸耳41334为三个，当然，也可以设计成大于三个凸耳41334的结构），相对于所述凸耳41334分别设有一端与所述中心孔41333相通的弧形槽41335形成弹性臂41336；所述定位保护套4133套在所述定位夹上筒41324上，所述凸耳41334卡在倒扣配合孔413242内，使两者固定连接。

当所述凸耳41334卡在倒扣配合孔413242内后，这时，所述定位面41321可以是所述底板41331的的内表面413311或者是所述圆筒41332的上表面413312。

本明中，所述定位夹上筒41324和定位夹下筒41325是一体式结构。使用时，先将刀4131穿在所述定位夹中孔41328内，其刀4131的柄的上端最好不要超过上筒面413241，选用刀4131时，刀4131的直径要略大于所述定位夹中孔41328的内径，使刀4131与所述定位夹中孔41328之间有一个预紧力，当主轴通过所述抓刀结构414抓取所述刀具413时，所述抓刀结构414直接抓取所述定位夹上筒41324上筒，而间接地将刀4131抓紧。

由于所述抓刀结构414间接地将刀4131抓紧，不直接抓取刀4131的刀柄，这样对刀4131不会有损伤，可以延长刀4131的使用寿命。

本发明中的主轴411是超高速气浮主轴。

本发中的数控装置包括硬件印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

本发明中还有辅助装置，它是本发明中的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

本发明还有编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

本发明的方法适合于在主轴转速每分钟大于等于3万转以上的机床上使用，对于机床而言，其主轴转速可达每分钟大于等于3万转以上的转速。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。