一种主轴箱自动换挡及锁紧系统的制作方法

本发明涉及机床设备制造，尤其涉及一种主轴箱自动换挡及锁紧系统。

背景技术：

1、主轴箱是机床设备的重要组成部分，其主要作用是支承主轴并使其旋转，实现主轴的启动、制动、变速和换向等功能，以满足不同的加工任务需求，不同的加工任务需要不同的转速，通过换挡，可以切换主轴上不同齿轮的传动比例，从而改变主轴的转速。同时为避免加工过程中主轴松动，往往会设置锁紧系统固定主轴，换挡装置和锁紧系统使得机床能够适应更广泛的加工需求，提高加工效率和加工质量。

2、现有的主轴箱换挡结构主要有以下类型：一是利用液压缸带动拨叉移动，改变不同齿轮传动副进行啮合实现主轴的不同转速实现换挡，但此结构靠控制液压缸行程来进行定位，没有锁紧功能，另外使用时需要配备液压站及一些液压元件，成本较高；二是利用电机带动同步带轮，同步带轮设计成上大下小台阶型，通过与不同轴径的带轮啮合改变传动比实现换挡动作，但此结构电机安装板需要开长腰孔，换挡后需要手动锁紧，效率极低，同时采用不同轴径带轮和配件等使结构更加复杂，安装和使用成本高。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种主轴箱自动换挡及锁紧系统，用以克服现有技术中现有的主轴箱换挡机构及锁紧单元设置复杂造成换挡延迟时间长的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种主轴箱自动换挡及锁紧系统，包括：

3、挡位拨动模组，其位于主轴箱内部，用以切换主轴箱的挡位，包括用以带动切削工具转动以及进行切换挡位的传动部和驱动传动部运动的拨动部；

4、拨叉定位单元，与所述拨动部连接，用于判断所述拨动部是否到达设定的挡位位置；

5、驱动控制单元，其分别与挡位拨动模组和拨叉定位单元相连，用于通过换挡气缸驱动所述拨动部运动，接收拨叉定位单元的挡位位置判断结果，以及根据挡位位置判断结果控制压缩气体排出/注入换挡气缸以控制拨动部的位移；

6、锁紧定位单元，与所述挡位拨动模组相连，用以通过传动部的定位组件与设置在传动部的凹槽的配合和分离实现所述传动部的定位锁紧/放松；

7、指令传感单元，其分别与所述驱动控制单元、所述挡位拨动模组以及所述锁紧定位单元相连，用以获取气缸动作的换挡指令的时间戳，以及获取挡位拨动模组的动作开始执行时间戳和动作执行完成时间戳；

8、执行检测单元，其分别与驱动控制单元和拨叉定位单元连接，用以检测驱动控制单元和拨叉定位单元的运动状态信息以获取主轴箱1的执行延迟时间；

9、处理单元，其分别与所述指令传感单元和所述执行检测单元相连，用以根据传动部换挡指令与动作完成指令的时间戳确定主轴箱换挡动作的指令执行时间，根据若干次指令执行时间确定指令传输稳定度，以及根据若干次执行延迟时间与对应锁紧力度确定力度相关系数；

10、协调单元，其分别与所述执行检测单元和所述处理单元连接，用以根据所述执行延迟时间和所述指令执行时间确定延迟占比，基于延迟占比与所述指令传输稳定度确定主轴箱的换挡工作调整方式，以及根据所述力度相关系数、延迟占比、预设锁紧力度调整所述锁紧定位单元的锁紧力度。

11、进一步地，所述传动部包括：

12、一级轴和一级小齿轮，所述一级小齿轮套设在所述一级轴外部；

13、二级轴、二级小齿轮和二级大齿轮，所述二级小齿轮套设在所述二级轴外部，所述二级大齿轮设有内齿和外齿，所述二级小齿轮与所述二级大齿轮的内齿啮合，所述一级小齿轮与所述二级大齿轮的外齿啮合；

14、三级轴、三级小齿轮和三级大齿轮，三级轴连接主轴箱外部机床的切削工具，所述三级小齿轮和所述三级大齿轮套设在所述三级轴外部，且三级小齿轮位于三级大齿轮上方，所述驱动控制单元驱动挡位拨动模组运动使所述二级大齿轮与三级小齿轮啮合，或使所述二级小齿轮与三级大齿轮啮合，通过三级大齿轮或三级小齿轮带动三级轴转动，输出不同转速，从而通过三级轴带动切削工具转动进行机床加工；

15、其中，所述二级小齿轮和/或二级大齿轮内侧壁上设有滑槽以使二级小齿轮和/或二级大齿轮在二级轴外侧壁上轴向滑动，所述二级轴外侧壁设置有定位键，所述定位键位于所述滑槽内部用以限制二级小齿轮和/或二级大齿轮在二级轴上的轴向位移；

16、所述二级轴侧壁设有定位槽，定位槽内设置有套筒。

17、进一步地，所述拨动部包括：

18、滑动套，其套设在所述二级小齿轮外部，底部与所述二级大齿轮连接，滑动套远离二级小齿轮一侧设置有环形波动槽；

19、换挡拨叉，其与所述环形波动槽间隙配合，用以通过换挡拨叉移动带动滑动套移动，以改变所述二级大齿轮和所述二级小齿轮的啮合位置；

20、其中，所述换挡拨叉的一端包括设置在所述环形波动槽内与环形波动槽间隙配合的近半圆形拨叉手，所述近半圆形拨叉手的环形侧壁与所述环形波动槽内侧壁相对设置。

21、进一步地，拨叉定位单元包括第一接近开关和第二接近开关，其中，

22、所述第一接近开关和所述第二接近开关位于主轴箱内侧壁，分别位于换挡拨叉的移动起始位置和移动终止位置，配合用以检测所述换挡拨叉的位置信息。

23、进一步地，所述驱动控制单元包括换挡气缸、活塞、气缸活塞杆和控制器；

24、所述换挡气缸与所述主轴箱顶部固定连接，所述气缸活塞杆与所述换挡气缸内部的活塞相连，气缸活塞杆底部与所述换挡拨叉固定连接，用以通过控制器控制气动管路上电磁换向阀的打开/关闭来控制压缩气体排出/注入换挡气缸，以推动气缸活塞杆运动，所述气缸活塞杆用以带动所述换挡拨叉运动。

25、进一步地，定位组件包括弹性件、弹性件弹力调整组件和滚珠，弹性件位于所述套筒内部并与所述定位槽底部连接，滚珠位于所述弹性件靠近所述套筒开口一侧，凹槽包括第一v形卡槽和第二v形卡槽，第一v形卡槽和第二v形卡槽设置在所述二级小齿轮和/或二级大齿轮的内侧壁，通过弹性件、滚珠和第一v形卡槽和第二v形卡槽的相互配合可实现二级小齿轮和/或二级大齿轮的定位锁紧/放松；

26、其中，所述第一v形卡槽靠近出口一侧设置第一位置传感器，所述第二v形卡槽靠近出口一侧设置第二位置传感器，通过所述第一位置传感器和所述第二位置传感器检测所述滚珠的位置信息并确定对应时间戳。

27、进一步地，所述处理单元根据若干次指令执行时间及预设传输稳定度确定所述指令传输稳定度，根据若干次执行延迟时间与对应锁紧力度、指令传输稳定度确定执行延迟时间和锁紧力度之间的力度相关系数。

28、进一步地，所述协调单元根据延迟占比与预设占比的比较结果以及指令传输稳定度与预设传输稳定度的比较结果确定主轴箱的换挡工作调整方式，包括：

29、若所述延迟占比大于或等于预设占比，并且指令传输稳定度大于或等于预设传输稳定度，则通过控制气缸活塞杆的位移速度提高拨动部的响应速度。

30、进一步地，所述协调单元根据力度相关系数、延迟占比和预设锁紧力度调整所述锁紧定位单元的锁紧力度，包括：

31、若所述力度相关系数呈负数，且所述延迟占比大于或等于预设占比，则通过调整弹性件的预紧力增加所述锁紧力度；

32、其中，根据所述时间戳确定调整所述锁紧力度的力度调整时间。

33、进一步地，还包括导向轴，所述换挡拨叉设有贯通其上下表面的通孔，换挡拨叉的通孔直径大于导向轴的轴径，所述导向轴穿过所述通孔与所述主轴箱内顶部和底部固定连接，用以增加所述换挡拨叉的运动稳定性。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过设置挡位拨动模组、拨叉定位单元、驱动控制单元、锁紧定位单元，共同作用实现主轴箱气电组合的自动换挡和换挡后相关部位的自动锁紧，保证换挡机构的动作更加准确与安全，延长零件的使用寿命，实现换挡快速响应，提高机床设备的工作效率以及整个机构的工作可靠性。同时，设置指令传感单元、执行检测单元、处理单元、协调单元，共同作用来确定相关操作指令传输稳定性和延迟性，从而进一步确定换挡工作调整方式以及锁紧定位单元的锁紧力度，有效降低了执行延迟对系统性能的影响，确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。

35、进一步地，本发明设置换挡拨叉插入与二级大齿轮、二级小齿轮连接的滑动套的环形拨动槽内部，通过换挡拨叉拨动方式，实现带动二级大齿轮、二级小齿轮快速上下运动换挡的目的；同时采用拨叉拨动方式及设置环形拨动槽、换挡拨叉的近半圆形拨叉手，不会影响二级大齿轮、二级小齿轮转动，能够进一步减少在换挡时的各部件摩擦，延长使用寿命，确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。

36、进一步地，本发明，采用气缸驱动，相较于液压等其他驱动方式成本更低，同时通过换挡气缸带动挡位拨动模组移动实现快速、慢速换挡，同时设置第一接近开关和第二接近开关，通过红外发射和接收判断拨动部中换挡拨叉位置，从而控制驱动控制单元中换挡气缸运动，完成整个自动换挡系统动作，使得换挡操作更加准确和安全，确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。

37、进一步地，本发明通过设置锁紧定位单元，自动在换挡过程中通过滚珠、定位槽、弹性件、第一v形槽、第二v形槽相互配合，实现换挡位置锁定，将二级大齿轮和二级小齿轮固定在二级轴上，保证二级大齿轮和二级小齿轮固定后不会上下滑动。同时在二级小齿轮内侧设置滑槽，二级轴外侧壁设置定位键，使得换挡过程中定位键在滑槽内部上下滑动，让二级轴与二级小齿轮可以同步转动，防止二级小齿轮转动时定位槽和第一v形卡槽以及第二v形卡槽出现横向错位，导致在换挡时滚珠无法进入v形槽进行换挡锁紧。确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。

38、进一步地，本发明设置导向轴，并在换挡拨叉一端设置通孔，导向轴通过通孔与主轴箱顶部和底部连接，导向轴能够增加换挡拨叉上下换挡运动时的稳定性，防止换挡拨叉发生倾斜或转动，增加传动部的稳定性，从而进一步确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。

39、进一步地，本发明设置协调单元，协调单元会提前进行碟簧预紧力的调整，从而间接调整锁紧力度，确保在换挡后锁紧力度稳定性，确保了主轴箱换挡与锁紧的精准性和可靠性，从而提高了整体生产效率和设备稳定性。