CN110695746A - 自动更换加工工具装置及其应用于的模块化工作站 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种自动更换加工工具装置，其包括基于立体机架所装接的主控器、主三轴定位机构、工具库、转接支架、辅二轴定位机构和气动夹头；两种定位机构通过转接支架组装成一体，用于带动气动夹头进行任意位置朝向的高精度定位，气动夹头通过外接气源的接口对接或释放加工工具；工具库包含阵列定位排布的加工工具，每个加工工具独立集成气动马达和对应作业功能的磨头或刀头；各定位机构的驱动端和阀门的控制端均总线接入主控器、受控动作及锁定。同时提出应用该装置的模块化工作站。本发明该创新方案移动控制精度高、易于编程操作，在优化人力劳动作业强度的基础上提高了加工工具的灵活性、定位作业精度、复合作业可扩展性和生产效率。

Description

自动更换加工工具装置及其应用于的模块化工作站

技术领域

本发明涉及一种小型独立加工装置，尤其涉及一种加工工具换装自动化程度高、节省人力和耗材浪费的新型加工平台，属于机电应用技术领域。

背景技术

随着机电技术的日新月异，工业自动化生产和加工行业飞速发展，也不断推进着行业的技术发展。工业生产包含各大分层次细分的内容，所涉及的设备大到生产车航设备的大型机具，小到生产各类微型零部件的加工机具，还包括各类规格的自动化装配工具等。

无论是注塑成型、金属压铸成型或是金属焊接加工等成型的产品，或多或少表面存在平整度、光滑程度、反光亮度未达到理想要求，或存在划痕、斑点、塌边等现象。为此需要借助此类设备进行深加工处理，以往这些处理大都是人力手动作业完成的，且由于劳动疲劳强度的差异性，很难确保批量处理品质的一致性。有鉴于此，现有不少技术人员经过研发、试验提出了各种解放人工，实现初步自动化的设备。通常情况下，此类设备所参与的加工内容主要包括打磨抛光、铣削等，因此除了对作业头空间定位灵活性和精度方面的要求外，根据工艺要求设备在运行处理过程中还需要周期性更换加工磨头等耗材工具，且几乎全部都需要停机作业后人力手动更换，在保障作业人员安全的前提下，影响了加工设备的自动化程度和生产作业的高效性。

而且现有技术中如授权公告号为CN 106985069 B的专利文献等所公开的自动更换打磨头装置，其技术创新中虽然有且仅有地部分解决了自动化程度提升的问题，但却无形中增加了技术实现的硬件改装成本和操作实施复杂程度，且依旧固封了此类加工设备的作业灵活性，仅能面向小部分规则形状的产品进行加工处理，而无法满足各类非规则或夸张异形状的产品的加工要求。究其原因，现有此类加工平台都是仅更换刀头或打磨头，适用于参数设定相对固定的单一性作业。而实际工况下对应不同类型的耗材工具，哪怕是同类不同规格的耗材工具，参数设定也是动态变化的，每次替换耗材后***还需匹配调整参数，从而增加了加工编程的复杂程度，加工效率难以提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的旨在提出一种自动更换加工工具装置及其应用于的模块化工作站，解决提升加工装置自动化程度和加工作业灵活性的问题。

本发明实现上述第一个目的的技术解决方案是，自动更换加工工具装置，其特征在于：包括基于立体机架所装接的主控器、主三轴定位机构、工具库、转接支架、辅二轴定位机构和气动夹头；

其中所述主三轴定位机构包括相互垂直接设的X轴线性滑台、Y轴线性滑台、Z轴线性滑台，Y轴线性滑台上装接有受驱于Y轴电机位移定位的Y轴滑块，X轴线性滑台固接于Y轴滑块随动，X轴线性滑台上装接有受驱于X轴电机位移定位的X轴滑块，Z轴线性滑台固接于X轴滑块随动，Z轴线性滑台上装接有受驱于Z轴电机位移定位的Z轴滑块；

所述工具库包含有成套且阵列排布的加工工具，每个加工工具匹配唯一的空间位置并定位数据存储于主控器中，且每个加工工具集成设有独立的气动马达和对应作业功能的磨头或刀头；

所述转接支架固接于Z轴滑块随动，且具有水平向的基板；

所述辅二轴定位机构包括竖直轴向转动单元和水平轴向摆动单元，所述竖直轴向转动单元固接于基板，且竖直轴向转动单元的动子在基板底侧与水平轴向摆动单元的定轴部一体相接；

所述气动夹头与水平轴向摆动单元的摆动部相接成一体并通过气管及阀门外接气源，且气动夹头设有与加工工具气动马达对接通气的接口；

所述主控器内设可编程主机，且X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、竖直轴向转动单元、水平轴向摆动单元、气源的各驱动端及阀门的控制端均总线接入主控器受控动作及锁定。

上述自动更换加工工具装置，进一步地，所述气动夹头的接口设有密封圈，且接口的周边旁侧设有气动自锁接头，所述气动自锁接头接口对接任一加工工具所设母接头座通气自锁、断气解锁。

上述自动更换加工工具装置，进一步地，装接于气动夹头的所述加工工具与加工对象柔性浮动对接。

上述自动更换加工工具装置，进一步地，所述工具库中具有三十六个成一套的加工工具，且工具库在X轴线性滑台两端的垂直侧面分别设有横向成排、纵向成列的工具架，各加工工具分别唯一性定位于工具架上。

上述自动更换加工工具装置，更进一步地，所述工具架上设有对应各个加工工具相互隔开的落位座，且各落位座的内面设有强固定位部。

上述自动更换加工工具装置，进一步地，所述竖直轴向转动单元包括驱动电机、动子和定子；其中驱动电机和气管面向气源的动力源接口装接于基板顶侧，定子一体装接于基板底侧，动子装接于定子内轴向定位且受驱动电机传动径向360°转动及锁定，所述气管穿透竖直轴向转动单元和水平轴向摆动单元并连入气动夹头的接口。

上述自动更换加工工具装置，进一步地，所述水平轴向摆动单元的定轴部内设有摆动电机，摆动部固接于摆动电机的输出轴且受驱传动在180°以上的角度范围内摆动及锁定。

本发明实现上述第二个目的的技术解决方案是，模块化工作站，其特征在于：所述工作站在半封闭式的机箱内集成装设有前述自动更换加工工具装置和集尘装置，且基于立体机架在机箱中部设有作业平台，作业平台的中心位置设有夹具模组，其中主三轴定位机构、工具库、转接支架、辅二轴定位机构和气动夹头分布装接于作业平台上方周边；主控器装接相容于机箱内相对主三轴定位机构背侧隔绝的电气箱中，所述集尘装置包括负压风机，滤筒，集尘箱和夹具模组周边分布而设的若干多孔板，多孔板和集尘箱相接围裹形成机箱内独立隔绝的集尘腔，负压风机通过滤筒接入集尘腔且负压风机的控制开关接入主控器；所述工作站的机箱顶壁设有带防尘棉的若干个进风窗口及离子发生器，机箱后壁底侧设有对接负压风机的排风窗口。

上述模块化工作站，进一步地，模块化工作站，其特征在于：所述机箱的各向侧壁内嵌设有消音棉。

上述模块化工作站，进一步地，所述工作站设有位于机箱外状态监视、手动编程输入的操作面板和急停示警灯，所述操作面板和急停示警灯均通过线路与主控器对接。

应用本发明的自动更换加工工具装置及其模块化工作站，具备突出的实质性特点和显著的进步性：

1）利用三轴扩展五轴的可调机构在小型工作站内能够模拟多轴机器人的定位及定向功能，提高了加工工具面向待加工对象作业朝向的普遍适用性和定位精度，具有针对规则和非规则异形产品兼顾的灵活性；

2）所换装的加工工具独立集成对应加工耗材作业方式和参数匹配的气动马达，突破了传统单一类型动力源和耗材夹具无法通用别种工具的局限，扩展了成套加工工具的数量，能使得工作站单机满足多种类复合的加工要求；

3）通过应用于模块化工作站并完善除尘、消噪和自助式编程操控的硬件配置，提高了工业自动化的操作便捷性和生产效率，通过对应各待加工对象模块化的编程实现气动夹头高精度定位的装接加工工具和作业，同时有利于改善车间的生产环境及安全。

附图说明

图1是本发明自动更换加工工具装置的架构示意图。

图2是图1中辅二轴定位机构的放大结构示意图。

图3是图1中工具架的放大结构示意图。

图4是本发明应用于的模块化工作站的整体箱式结构示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明设计者针对小型机加工作业行业发展的深入市场考察，发觉现有常见半自动化加工设备的诸多局限或不足，由此仰赖于长期的产线经验进行了技术攻关及研发探索，致力于提升中小型规模化复合作业的灵活性、加工效率操作便捷性，特别是解放人力作业、消除对生产连续性、一致性的影响，创新提出了一种自动更换加工工具装置及其应用于的模块化工作站，广泛适用于对各类成型产品进行打磨、铣削、钻孔及其多种组合的二次加工生产应用领域。该装置及其所应用的工作站能够快速适应新产品开发、投向市场的需求，高效满足各类新型的加工处理要求。

如图1至图4所示，是本发明自动更换加工工具装置一优选实施例从整体到部件细节的结构示意图。从图示可见及技术概述来看，该装置包括基于立体机架1所装接的主控器6、主三轴定位机构31、工具库5、转接支架11、辅二轴定位机构32和气动夹头4，各部分的细节结构特征如下。

图1可见该主三轴定位机构31为传统立体正交轴的线性导航定位组件，包括相互垂直接设的X轴线性滑台311a、Y轴线性滑台311b、Z轴线性滑台311c，其中该Y轴线性滑台311b上装接有受驱于Y轴电机313b位移定位的Y轴滑块312b，X轴线性滑台311a固接于Y轴滑块312b随动，X轴线性滑台上311a装接有受驱于X轴电机313a位移定位的X轴滑块312a，Z轴线性滑台311c固接于X轴滑块312a随动，Z轴线性滑台311c上装接有受驱于Z轴电机313c位移定位的Z轴滑块312c。图示实施例中Y轴线性滑台311b及其Y轴滑块312b成对设置于X轴线性滑台311a两端，且两侧Y轴电机同步驱动控制带动X轴线性滑台水平前后位移而不发生歪斜。该主三轴定位机构已现有广泛应用，故导航实现方式及精度控制措施省略详述。

上述工具库5中具有N个类型、规格各不相同且成套的加工工具5i，i=1、2……N；N为工具库中种类或规格各异的加工工具总数，且为2以上的自然数。每个加工工具匹配唯一的空间位置并定位数据存储于主控器中；也就是说每个加工工具在工具库中接取和复位的定位点唯一，任一加工工具自工具库何处取下即何处复位、错位情况下被禁止复位到工具库中。每个加工工具集成设有独立的气动马达和对应作业功能的磨头或刀头，接通气源后受自身气动马达的动力输出进行相关作业，且对应的磨头、刀头为可离库替换的耗材工件。

上述转接支架11固接于Z轴滑块312c随动，主要作用为主三轴线性定位机构31与辅二轴定位机构32装接成一体的转接配件，具有一体成型的竖直向靠板111和水平向基板112，前者顺应Z轴滑块312c贴合固定，后者利于辅二轴定位机构轴向定位。

如图2所示，上述辅二轴定位机构32实为两种不同轴向的非线性移动，包括竖直轴向转动单元32a和水平轴向摆动单元32b。该竖直轴向转动单元由自上而下顺次装接的驱动电机321a、定子322a和动子323a构成，且图示实施例中通过转接支架与三轴线性定位机构中Z轴滑块相接成一体。具体地，驱动电机321a、定子322a的一部分和气管面向气源的动力源接口（未图示）装接于基板112顶侧，定子另一部分装接于水平向基板112底侧并与上侧部分接合成一体，而动子323a穿接于定子322a中轴向定位、径向受控于驱动电机360°转动。图示中基板112及定轴部321b所示圆孔为穿接气管所设，且气管省略图示。水平轴向摆动单元32b由内设摆动电机322b的定轴部321b和固接于摆动电机输出轴的摆动部323b构成，动子323a与定轴部321b一体相接，且摆动部323b受驱传动在180°以上的角度范围内摆动及锁定。而气动夹头4通过键接固定与摆动部323b的转轴上随动，并通过气管及阀门（未图示）外接气源。上述气动夹头4设有与加工工具气动马达相对接通气的接口，接口设有密封圈，便于对接气动马达后无泄漏地传导气源动力；而接口的周边旁侧还设有现有常用的气动自锁接头，面向加工工具外壳表面所设母接头座，能够实现虚接任意加工工具后通气自锁、断气解锁。例如工具快换本体BRQC018-S-M及其锁紧器BRMQC018或其它工具快换接口装置。

图2所示可见，为进一步优化水平轴向摆动单元的性能，消除偏摆过程中的空跑行程。特别对该摆动部323b的构成及装接关系提出了改进。具体地，摆动电机322b的输出轴通过联轴器与定轴部321b一侧翼板外的一个带轮相连，而该一个带轮又通过同步带（未图示）及一组张紧导轮与另一个带轮传动相连，该摆动轴则穿接于定轴部321b两侧翼板及其间的气动夹头中轴向定位并与该另一个带轮同轴键接为一体，同时该气动夹头与摆动轴也相接同轴随转。通过该张紧的同步带轮传动，能提高摆动的定位性能，避免气动夹头受自身重力作用而发生空跑晃动。

上述主控器6内设硬件配置堪比工控PC、自带微机***的可编程主机（未图示），且上述X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、竖直轴向转动单元、水平轴向摆动单元、气源的各驱动端及阀门的控制端均总线接入主控器受控动作及锁定。该主控器的输出信号包括各电机启停实现高精度定位的控制信号，阀门通断气源实现加工工具快速换装的控制信号，竖直轴向转动单元沿轴向高精度旋转定位的控制信号以及水平轴向摆动单元沿摆动电机输出轴向高精度偏摆定位的控制信号，该些控制信号相互独立、同步或异步输出驱动。

更具体和优化的实施来看：上述装接于气动夹头的加工工具与加工对象柔性浮动对接，可以通过对加工工具内部增配压力弹簧和球状导向面的方案实现输出端在预设范围内的可调节性。在加工工具贴合加工对象表面时能实现柔性接触和加工压力自适应，避免刚性冲击对产品造成的意外损伤。

此外，如图3所示，该工具库5在作业平台两侧面分别设有含横向成排、纵向成列落位座的工具架，工具架5a上设有对应各个加工工具相互隔开的落位座5b，各加工工具独立定位于落位座中。图示实施例中N=36，而工具架在作业平台两侧均为两排九列的阵列分布且两侧对称定位设置，这样便于气动夹头分方向接取加工工具。作为技术性优化，为提高各加工工具在落位座中的定位稳定性，在落位座的内面设有强固定位部。其一实现方式为：落位座的底面设有外联真空泵的吸附气孔5c。实际应用中加工工具闲置待用时吸附气孔提供负压，避免打磨作业过程中机身振动而使得加工工具产生晃动噪音，仅当特定加工工具与气动夹头相接自锁后，吸附气孔自动切换为失压状态，加工工具可自由移除。当然，其实现方式除吸附气孔外，还包括采用磁吸强固或弹性龙吐珠等亦可。

基于上述优选和进一步优化实施的装置的创新特性来看，一方面、工具库中所配置的成套加工工具种类和规格齐全，可以满足针对各种产品对象加工处理之需。而且其中每个加工工具均独立配置专属于自身耗材工件处理作业所需动力输出的气动马达，使得多种类多规格加工工具复合作业不再受限于动力输出。另一方面、利用主辅共五轴的定位机构通过主控器驱动控制的导航定位，能实现模拟多轴机械臂全方位全朝向的空间定位，便于气动夹头任意对位各个加工工具对接，也为主控器模块化编程提供了可行性。再一方面、气动夹头脱离加工工具动力输出的功能范畴，仅面向加工工具提供气源及气动密封锁紧的接口，简化了装置结构，节省了气动夹头空载时导航移动的荷载动力和空间占用。

作为本发明上述自动更换加工工具装置在延续性应用，设计者同时创新提出了一种模块化工作站，进一步将技术改良引入实际生产作业中，提高加工效率和作业人员的操作体验。具体而相对简化地，该模块化工作站在半封闭式的机箱8内集成装设有前述自动更换加工工具装置和集尘装置。一方面基于立体机架1在机箱中部设有作业平台2，作业平台2的中心位置设有夹具模组21，其中主三轴定位机构31、工具库5、转接支架11、辅二轴定位机构32和气动夹头4分布装接于作业平台2上方周边；主控器6装接相容于机箱内相对主三轴定位机构31背侧隔绝的电气箱中。从而实现在工作站及其内部作业平台上集成自动更换加工工具的机电控制功能，并通过基于主控器的模块化编程作业满足各类加工要求所需。

另一方面机箱内所设集尘装置包括负压风机（未图示），滤筒，集尘箱91和夹具模组周边分布而设的若干多孔板92，多孔板92和集尘箱91相接围裹形成机箱内独立隔绝的集尘腔，负压风机通过滤筒接入集尘腔且负压风机的控制开关接入主控器；由此主控器新增一控制项目，通过模块化编程，可以在气动夹头换装加工工具的过程中停止负压风机动作或低速运行弱集尘作业，而当气动夹头带动加工工具进行实际作业时，可以切换驱动负压风机正常运行强集尘作业。从工作站作业时的气流方向来看，同时考虑到消除作业平台上方加工作业环境中消除静电的需求，该机箱顶壁设有带防尘棉的若干个进风窗口93及离子发生器95，机箱后壁底侧设有对接负压风机的排风窗口94。随负压风机启动运转，包含足量负离子的洁净空气从进风窗口吸入作业平台的空间区域，而随着加工作业产生高密度微粒废屑，需要随气流向下穿过多孔板引入集尘腔之中，该些微粒废屑在集尘箱91中渐渐积聚、沉淀、层积，而气流则通过滤筒及至少一道初效过滤网净化后通过排风窗口送出。

此外，为了进一步完善该模块化工作站进行加工作业时的整机性能，其中机箱的各向侧壁还内嵌设有消音棉。工作站设有位于机箱外状态监视、手动编程输入的操作面板81和急停示警灯82，且操作面板和急停示警灯均通过线路与主控器对接，以便于模块化工作站的人机交互和故障警示。

综上关于本发明技术创新的方案介绍及实施例结合图示的详述可见，本方案较之于传统相似功能的中小型加工设备具备突出的实质性特点和显著的进步性，分别从以下三方面总结理解。

首先、将传统主流的三轴定位机构通过转接支架扩展装接另两种非线性运动的两轴定位机构，形成高精度可调定位的五轴机构，能在小型工作站内模拟多轴机器人的定位及定向功能，易于根据空间立体坐标和向量指针编程控制加工工具，突破了传统三轴定位方向性呆板的缺陷，提高了加工工具面向待加工对象作业朝向的普遍适用性和定位精度，具有针对规则和非规则异形产品兼顾的灵活性。

其次、工具库中所用于换装的加工工具独立集成设有对应加工耗材作业方式和参数匹配的气动马达，共用同一气源并兼容各种加工作业方式，突破了传统单一类型动力源和耗材夹具无法通用别种工具的局限，扩展了成套加工工具的数量，能使得工作站单机满足多种类复合的加工要求。

再次、通过将该装置应用于模块化工作站并完善包括除尘、消噪和自助式编程操控等的硬件配置，提高了工业自动化的操作便捷性和生产效率，通过对应各待加工对象模块化的编程实现气动夹头高精度定位的装接加工工具进行所需的打磨、抛光、铣削、钻孔等作业，同时有利于改善车间的生产环境及安全。

上述结合图示的实施例详细说明是针对本发明可行性实施方式的具体描述，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员凡未脱离本发明技术核心、采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.自动更换加工工具装置，其特征在于：包括基于立体机架所装接的主控器、主三轴定位机构、工具库、转接支架、辅二轴定位机构和气动夹头；

其中所述主三轴定位机构包括相互垂直接设的X轴线性滑台、Y轴线性滑台、Z轴线性滑台，Y轴线性滑台上装接有受驱于Y轴电机位移定位的Y轴滑块，X轴线性滑台固接于Y轴滑块随动，X轴线性滑台上装接有受驱于X轴电机位移定位的X轴滑块，Z轴线性滑台固接于X轴滑块随动，Z轴线性滑台上装接有受驱于Z轴电机位移定位的Z轴滑块；

所述工具库包含有成套且阵列排布的加工工具，每个加工工具匹配唯一的空间位置并定位数据存储于主控器中，且每个加工工具集成设有独立的气动马达和对应作业功能的磨头或刀头；

所述转接支架固接于Z轴滑块随动，且具有水平向的基板；

所述辅二轴定位机构包括竖直轴向转动单元和水平轴向摆动单元，所述竖直轴向转动单元固接于基板，且竖直轴向转动单元的动子在基板底侧与水平轴向摆动单元的定轴部一体相接；

所述气动夹头与水平轴向摆动单元的摆动部相接成一体并通过气管及阀门外接气源，且气动夹头设有与加工工具气动马达对接通气的接口；

所述主控器内设可编程主机，且X轴电机、Y轴电机、Z轴电机、竖直轴向转动单元、水平轴向摆动单元、气源的各驱动端及阀门的控制端均总线接入主控器受控动作及锁定。

2.根据权利要求1所述自动更换加工工具装置，其特征在于：所述气动夹头的接口设有密封圈，且接口的周边旁侧设有气动自锁接头，所述气动自锁接头对接任一加工工具所设母接头座通气自锁、断气解锁。

3.根据权利要求1或2所述自动更换加工工具装置，其特征在于：装接于气动夹头的所述加工工具与加工对象柔性浮动对接。

4.根据权利要求1所述自动更换加工工具装置，其特征在于：所述工具库中具有三十六个成一套的加工工具，且工具库在X轴线性滑台两端的垂直侧面分别设有横向成排、纵向成列的工具架，各加工工具分别唯一性定位于工具架上。

5.根据权利要求4所述自动更换加工工具装置，其特征在于：所述工具架上设有对应各个加工工具相互隔开的落位座，且各落位座的内面设有强固定位部。

6.根据权利要求1所述自动更换加工工具装置，其特征在于：所述竖直轴向转动单元包括驱动电机、动子和定子；其中驱动电机和气管面向气源的动力源接口装接于基板顶侧，定子一体装接于基板底侧，动子装接于定子内轴向定位且受驱动电机传动径向360°转动及锁定，所述气管穿透竖直轴向转动单元和水平轴向摆动单元并连入气动夹头的接口。

7.根据权利要求1所述自动更换加工工具装置，其特征在于：所述水平轴向摆动单元的定轴部内设有摆动电机，摆动部固接于摆动电机的输出轴且受驱传动在180°以上的角度范围内摆动及锁定。

8.模块化工作站，其特征在于：所述工作站在半封闭式的机箱内集成装设有权利要求1所述自动更换加工工具装置和集尘装置，且基于立体机架在机箱中部设有作业平台，作业平台的中心位置设有夹具模组，其中主三轴定位机构、工具库、转接支架、辅二轴定位机构和气动夹头分布装接于作业平台上方周边；主控器装接相容于机箱内相对主三轴定位机构背侧隔绝的电气箱中，所述集尘装置包括负压风机，滤筒，集尘箱和夹具模组周边分布而设的若干多孔板，多孔板和集尘箱相接围裹形成机箱内独立隔绝的集尘腔，负压风机通过滤筒接入集尘腔且负压风机的控制开关接入主控器；所述工作站的机箱顶壁设有带防尘棉的若干个进风窗口及离子发生器，机箱后壁底侧设有对接负压风机的排风窗口。

9.根据权利要求1所述模块化工作站，其特征在于：所述机箱的各向侧壁内嵌设有消音棉。

10.根据权利要求1所述模块化工作站，其特征在于：所述工作站设有位于机箱外状态监视、手动编程输入的操作面板和急停示警灯，所述操作面板和急停示警灯均通过线路与主控器对接。

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