專利名稱：一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械手換刀裝置，具體是涉及一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手及其操作方法，是數(shù)控機(jī)床的輔助設(shè)備，具體地說是由氣缸驅(qū)動的直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動自動換刀機(jī)械手。
背景技術(shù)：
目前，很多中小型企業(yè)沒有使用加工中心，換刀基本上靠人工；現(xiàn)有許多換刀裝置完全實(shí)現(xiàn)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(jīng)濟(jì)性(凸輪傳動、微電腦控制、伺服電機(jī)、液壓傳動等)。對比現(xiàn)有的一些專利可以明顯看出這一點(diǎn)，根據(jù)中華人名共和國知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索可知，(1)專利名稱立臥復(fù)合式換刀裝置(申請?zhí)?00820014416. 9)，該實(shí)用新型提供了一種機(jī)加工設(shè)備的換刀裝置，包括支架和與支架轉(zhuǎn)軸連接的水平轉(zhuǎn)動體，水平轉(zhuǎn)動油缸，回轉(zhuǎn)油缸，定位油缸等結(jié)構(gòu)。與水平轉(zhuǎn)動體軸連接有豎直轉(zhuǎn)動提，在水平轉(zhuǎn)動提上設(shè)有豎直轉(zhuǎn)動油缸，回轉(zhuǎn)油缸安裝在豎直轉(zhuǎn)動提上，使機(jī)械手轉(zhuǎn)動。該專利使用油缸驅(qū)動，使用以及維護(hù)成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件較多，導(dǎo)致體積相對龐大。( 專利名稱凸輪式立臥兩用換刀機(jī)械手(專利號03218445.
X)，凸輪式立臥兩用換刀機(jī)械手主要由凸輪機(jī)構(gòu)、立臥轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、支撐部件、兩個機(jī)械手、滑動直線導(dǎo)軌、氣缸、底版、伺服電動機(jī)等組成。使用伺服電動機(jī)帶動凸輪機(jī)構(gòu)中的軸轉(zhuǎn)動，在凸輪機(jī)構(gòu)上設(shè)有兩個從動件，一個從動件帶動支撐部件中的底板，實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動；另一個從動件帶動支撐部件中的底板，實(shí)現(xiàn)縱向移動。該專利使用凸輪機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)，凸輪機(jī)構(gòu)的從動件承重較大，本身凸輪機(jī)構(gòu)易磨損，精度降低快，機(jī)械手的使用壽命難以保證， 且更換或維護(hù)成本比較高；C3)專利名稱機(jī)床自動換刀裝置(申請?zhí)?00720073669. 9)， 是一種機(jī)床自動換刀裝置，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。該專利控制部分采用微電腦控制器，控制成本較高，適用于大型刀庫的換刀，不適合少量刀具的頻繁換刀的數(shù)控機(jī)床專用加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用刀具較少，但需頻繁換刀的一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)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，易于擴(kuò)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(yè)很難接受；控制系統(tǒng)，有線通信存在連線多，易出故障，安裝較繁瑣，布線不便；管理復(fù)雜，靈活性欠佳；不便于設(shè)備擴(kuò)充。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明的一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手及其操作方法通過下支座安裝在刀庫和數(shù)控機(jī)床刀架之間，使用機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿減速器帶動上支架上的中臂來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；中臂上裝有中臂氣缸帶動前臂滑道沿中臂方向伸縮來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)抓刀動作；刀庫通過刀庫步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿減速器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動；機(jī)械手和刀庫通過PLC控制模塊202來控制，PLC控制模塊202與數(shù)控機(jī)床通過usB接口實(shí)現(xiàn)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(lán)牙模塊和機(jī)械手藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果有
(1)將換刀機(jī)械手用于數(shù)控機(jī)床，可以減少安裝、調(diào)整刀具的輔助工作時間，提高制造企業(yè)特別是中小制造企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。(2)本機(jī)械手相對于其它同類產(chǎn)品，制造成本較低，價格相對便宜，在當(dāng)前中小企業(yè)的迫切需求下，其應(yīng)用前景非常廣闊。(3)機(jī)械手滑動部分采用直線導(dǎo)軌，1這樣可以保證機(jī)械手的精確抓刀壽命，維護(hù)成本低。(4)控制系統(tǒng)采用了無線收發(fā)模塊，去除了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸線纜，利用微波、射頻(RF)等無線技術(shù)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，越空收發(fā)數(shù)據(jù)，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(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，每增加一臺數(shù)控設(shè)備，只需將一塊下位無線數(shù)據(jù)通信卡插入該數(shù)控設(shè)備通信串口即可實(shí)現(xiàn)通信，不必?cái)U(kuò)展主控計(jì)算機(jī)的通信接口。


圖1是一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手換刀示意2是一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手總裝3是刀庫總裝4是自動換刀系統(tǒng)流程5是換刀機(jī)械手藍(lán)牙控制原理圖
圖中，101、數(shù)控機(jī)床刀架；102、換刀機(jī)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(guān)節(jié)一 ；11、手爪關(guān)節(jié)二 ；12、聯(lián)軸器；13、渦輪蝸桿減速器；14、機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)；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、蝸桿； 202、PLc控制模塊；203、機(jī)械手狀態(tài)信號；204、機(jī)械手藍(lán)牙模塊；205、可移動藍(lán)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(shí)施例方式
附圖為本發(fā)明的具體實(shí)施例
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。參見圖1所示，刀庫103安放在數(shù)控機(jī)床床頭箱上，數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手102安放在床頭箱與數(shù)控機(jī)床刀架101之間；刀盤上的刀具平面、換刀機(jī)械手夾持面、刀架裝刀平面三者在同一平面內(nèi)；數(shù)控機(jī)床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(shí)現(xiàn)機(jī)械手上下位置的微小調(diào)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(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)14經(jīng)過渦輪蝸桿減速器13帶動中臂3上前臂滑道4轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)換到機(jī)械手在數(shù)控機(jī)床刀架101與刀庫103之間163度的轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)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，其中的滑動部分采用線性導(dǎo)軌并采用消隙調(diào)整換刀過程中換刀機(jī)械手相對數(shù)控機(jī)床刀架101、
5刀庫103的精度調(diào)整，從而達(dá)到準(zhǔn)確換刀和避免與數(shù)控機(jī)床和刀庫103等發(fā)生碰撞。參考圖3刀庫總裝圖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動蝸桿22，通過蝸輪21帶動刀盤16轉(zhuǎn)動，由控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)械手換刀需要和刀套16的位置決定正傳或反轉(zhuǎn)的度數(shù)，使選刀路徑最短；由 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動慣性，保證安全準(zhǔn)確取刀和放刀。參見圖4自動換刀系統(tǒng)流程圖，(1)首先是啟動PLC，復(fù)位，由刀架101觸動請求換刀信號；O)PLC接到請求刀號信號進(jìn)行判斷目標(biāo)位置和現(xiàn)在位置來確定最短路徑，得出刀庫103的旋向；C3)驅(qū)動刀庫步進(jìn)電機(jī)帶動刀庫轉(zhuǎn)動到所需刀具的位置；(4)驅(qū)動機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)14轉(zhuǎn)到刀庫位置；(5)中臂氣缸5動作，到達(dá)刀具夾持平面；(6)前臂氣缸7動作，使機(jī)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(jī)械手步進(jìn)電機(jī)14動作，帶動機(jī)械手轉(zhuǎn)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(jī)械手爪中心線脫離刀具中心線；(13)機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)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(fā)明控制系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信和PLC控制技術(shù)，該系統(tǒng)包括一個控制數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的PLC控制模塊202、一個與PLc控制模塊202直連的機(jī)械手藍(lán)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(lán)牙模塊。最佳控制方案實(shí)施的是使用藍(lán)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(jī)械手的PLC控制模塊202，取代連接手提式和/或固定式電子設(shè)備的電纜，它遵循埃里克森公司的藍(lán)牙協(xié)議。但是它不局限與藍(lán)牙模塊，使用本地?zé)o線電通信的其他模塊 (比如Pc機(jī)上的藍(lán)牙設(shè)備)也可以。在本發(fā)明的最佳實(shí)施方案中，主機(jī)為可移動藍(lán)牙模塊， 它同機(jī)械手藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線電通信。具體藍(lán)牙控制實(shí)施為參見圖5換刀機(jī)械手藍(lán)牙控制原理圖，在數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的工作現(xiàn)場，數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手是由PLc控制模塊202來直接控制，當(dāng)與可移動掌上控制器201進(jìn)行藍(lán)牙通信時，是先把機(jī)械手的狀態(tài)信號反饋給機(jī)械手藍(lán)牙模塊204 ；然后機(jī)械手藍(lán)牙模塊204通過藍(lán)牙無線電傳輸給可移動掌上控制器20 1的可移動藍(lán)牙模塊205 ； 然后再由可移動藍(lán)牙模塊205傳輸給可移動掌上控制器控制端207 ；同樣，當(dāng)可移動掌上控制器201給數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手發(fā)送控制信號時，是首先判斷反饋的機(jī)械手狀態(tài)信號，然后發(fā)送換刀控制信號206給可移動藍(lán)牙模塊205 ；然后可移動藍(lán)牙模塊205通過藍(lán)牙無線電傳輸給機(jī)械手藍(lán)牙模塊204，再由機(jī)械手藍(lán)牙模塊204傳輸給PLC控制模塊202，由PLC 控制模塊202驅(qū)動換刀機(jī)械手動作。其中機(jī)械手藍(lán)牙模塊204是由存儲器204. 1、激振器 204. 3、機(jī)械手藍(lán)牙控制器204. 2、接收/發(fā)送器204. 3組成?？梢苿诱粕峡刂破?01控制機(jī)械手及刀庫的動作順序如圖4。其中選刀為比較關(guān)鍵的技術(shù)，方式為隨機(jī)選刀。其中選刀原理如下(1)記錄當(dāng)前刀號。當(dāng)1號刀具處于取刀位置時，閉合所對應(yīng)的到位行程開關(guān)，將數(shù)據(jù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VWO中；當(dāng)2號刀具處于機(jī)械手位置時，閉合所對應(yīng)的到位行程開關(guān)，將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VWO中。以此類推， 記錄當(dāng)前刀號。(2)記錄當(dāng)前請求刀號。當(dāng)請求選擇1號刀具時，PLc得到信號，將常數(shù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器Vw2中，同時使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請求信號無效；當(dāng)請求選擇2號刀具時，PLC得到信號，將常數(shù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中，同時使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請求信號無效；以此類推，記錄當(dāng)前的請求刀具號。(3)當(dāng)內(nèi)部寄存器置位后，比較指令使得
①如果寄存器數(shù)據(jù)VW0>VW2，則執(zhí)行減法運(yùn)算VWO— Vw2，運(yùn)算結(jié)果存入VW6中，然后將 VW6中的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中進(jìn)行比較。若VW6>3，則刀庫離請求刀號逆轉(zhuǎn)方向最近，步進(jìn)電機(jī)到東刀庫逆轉(zhuǎn)。若VW6—3，則刀庫離請求刀號順轉(zhuǎn)方向最近；同理，若VW6<3，則電動機(jī)帶動刀庫順轉(zhuǎn)。②如果寄存器數(shù)據(jù)VWO— VW2，則到位指示燈亮，機(jī)械手開始取刀。⑧如果寄存器數(shù)據(jù)VW0<VW2，直接相減是一個負(fù)數(shù)，結(jié)果出錯，因而將VWO加上刀具總數(shù)6后減去VW2，將得出的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中比較。重復(fù)以上的過程，最后使得VwO— Vw2，機(jī)械手進(jìn)行取刀操作。
權(quán)利要求
1.一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手，其特征在于，由換刀機(jī)械手系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)組成， 換刀機(jī)械手系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床刀架、換刀機(jī)械手和刀庫組成；刀庫安放在數(shù)控機(jī)床床頭箱上， 換刀機(jī)械手102安放在床頭箱與數(shù)控機(jī)床刀架之間，刀盤上的刀具平面、換刀機(jī)械手夾持面、刀架裝刀平面三者在同一平面內(nèi)，數(shù)控機(jī)床刀架的裝刀位置固定，刀庫刀具換刀位置固定；換刀機(jī)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(guān)節(jié)一、手爪關(guān)節(jié)二、聯(lián)軸器、渦輪蝸桿減速器和機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)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(jī)械手步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過渦輪蝸桿減速器帶動中臂上前臂滑道轉(zhuǎn)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，其中的滑動部分采用線性導(dǎo)軌并采用消隙調(diào)整換刀過程中換刀機(jī)械手相對數(shù)控機(jī)床刀架、刀庫的精度調(diào)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、蝸輪和蝸桿組成；機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動蝸桿，通過蝸輪帶動刀盤轉(zhuǎn)動，由控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)械手換刀需要和刀套的位置決定正傳或反轉(zhuǎn)的度數(shù)，使選刀路徑最短；由PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速； 數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)包括一個控制換刀機(jī)械手的PLC控制模塊、一個與PLC控制模塊直連的機(jī)械手藍(lán)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(lán)牙模塊；可移動藍(lán)牙模塊遵循埃里克森公司的藍(lán)牙協(xié)議；所述機(jī)械手藍(lán)牙模塊是由存儲器、激振器、機(jī)械手藍(lán)牙控制器、接收/發(fā)送器組成。
2.一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手的操作方法，其特征在于，當(dāng)PLC控制模塊與可移動掌上控制器進(jìn)行藍(lán)牙通信時，先把換刀機(jī)械手的狀態(tài)信號反饋給機(jī)械手藍(lán)牙模塊；然后手藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙無線電傳輸給可移動掌上控制器的可移動藍(lán)牙模塊；再由可移動藍(lán)牙模塊傳輸給可移動掌上控制器控制端；當(dāng)可移動掌上控制器給換刀機(jī)械手發(fā)送控制信號時，首先判斷反饋的換刀機(jī)械手狀態(tài)信號，然后發(fā)送換刀控制信號給可移動藍(lán)牙模塊；然后可移動藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙無線電傳輸給機(jī)械手藍(lán)牙模塊，再由機(jī)械手藍(lán)牙模塊傳輸給PLC 控制模塊，由PLC控制模塊驅(qū)動換刀機(jī)械手動作。
3.一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手及其操作方法的選刀方法，其特征在于，步驟如下(1)記錄當(dāng)前刀號；當(dāng)1號刀具處于取刀位置時，閉合所對應(yīng)的到位行程開關(guān)，將數(shù)據(jù)1 傳入至數(shù)據(jù)寄存器VWO中；當(dāng)2號刀具處于機(jī)械手位置時，閉合所對應(yīng)的到位行程開關(guān)，將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VWO中；以此類推，記錄當(dāng)前刀號；(2)記錄當(dāng)前請求刀號；當(dāng)請求選擇1號刀具時，PLC得到信號，將常數(shù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中，同時使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請求信號無效；當(dāng)請求選擇2號刀具時，PLC得到信號，將常數(shù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中，同時使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請求信號無效； 以此類推，記錄當(dāng)前的請求刀具號；(3)當(dāng)內(nèi)部寄存器置位后，比較指令使得①如果寄存器數(shù)據(jù)VW0>VW2，則執(zhí)行減法運(yùn)算VWO— VW2，運(yùn)算結(jié)果存入VW6中，然后將 VW6中的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中進(jìn)行比較；若VW6>3，則刀庫離請求刀號逆轉(zhuǎn)方向最近，步進(jìn)電機(jī)到東刀庫逆轉(zhuǎn)；若VW6—3，則刀庫離請求刀號順轉(zhuǎn)方向最近；同理，若VW6<3，則電動機(jī)帶動刀庫順轉(zhuǎn)；②如果寄存器數(shù)據(jù)VWO—VW2，則到位指示燈亮，機(jī)械手開始取刀；③如果寄存器數(shù)據(jù)VW0<VW2，直接相減是一個負(fù)數(shù)，結(jié)果出錯，因而將VWO加上刀具總數(shù)6后減去VW2，將得出的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中比較；重復(fù)以上的過程，最后使得VWO— VW2，機(jī)械手進(jìn)行取刀操作。
全文摘要
一種智能型數(shù)控機(jī)床換刀機(jī)械手及其操作方法，具體由機(jī)械手系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。換刀機(jī)械手通過下支座安裝在刀庫和數(shù)控機(jī)床刀架之間，機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿減速器帶動上支架上的中臂實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；中臂上裝有中臂氣缸帶動前臂滑道沿中臂方向伸縮來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)抓刀動作；刀庫通過刀庫步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿減速器來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動；機(jī)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(lán)牙模塊和機(jī)械手藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)。
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(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者孫文秀 申請人:大連創(chuàng)達(dá)技術(shù)交易市場有限公司