一种多头旋抛式智能换刀系统

本发明涉及粉碎设备，尤其涉及一种多头旋抛式智能换刀系统，特别涉及一种用于切割式粉碎设备的多头旋抛式智能换刀系统。

背景技术：

1、粉碎设备作为物料细化加工的核心装备，广泛应用于污泥水煤浆制备、稀有矿产采选、制药、化工原料加工等领域。随着各行业对产品精细化程度要求的不断提高，超细粉碎技术及设备的研究日益受到重视。现有粉碎设备种类繁多，按工作原理可分为挤压、冲击、剪切、研磨等类型。以颚式破碎机、辊式粉碎机、球磨机、涡流粉碎机为代表的传统粉碎设备虽应用广泛，但普遍存在体积庞大、能耗高、效率低等突出问题。据粉体工程行业实测数据统计，常规干式工业球磨机仅有1%～2%的输入电能真正用于物料断裂、新生破碎面的有效做功，超过98%的电能都以摩擦热、机械振动、噪声、研磨介质无效撞击的形式耗散；即便经过衬板、钢球级配优化的湿式球磨机，有效粉碎能量利用率最高也仅能达到2%～3%，绝大多数能耗转化为设备废热，加工药渣、脆性矿石时极易出现物料糊化、刀具/研磨介质高温加速磨损等问题。除此之外，各类传统装备仍存在多重行业痛点：颚破、辊压机仅能完成粗碎加工，无法实现一体化循环细碎；涡流粉碎机设备造价高昂，且无法加工大块硬质原料；球磨机整机占地大、密闭防尘改造难度高，所有传统机型均未配备刀具温度、振动在线监测以及智能冷却、自动换刀配套机构，连续化密闭工况下运维成本高、安全预警能力缺失。

2、近年来，基于剪切/切割原理的粉碎设备得到了快速发展。由新型旋转式多头单刃固定直切刀组构成的高效精密切割机、粉碎机、粉碎搅拌混合机等设备，采用高速旋转的切割刀组对物料进行剪切粉碎。这类设备具有体积小、成本低、效率高、易于精细控制粉碎粒径等优势，已广泛应用于污泥水煤浆、稀有矿产、制药、化工原料领域的高效率精细小尺度切割粉碎作业，相比传统颚式破碎机、辊式粉碎机、球磨机等具有碾压式优势。

3、然而，切割式粉碎设备在实际应用中面临一个突出的技术瓶颈——刀具磨损问题。切割粉碎过程中刀片直接与物料发生高速剪切作用，因此刀刃磨损速度快、使用寿命短。当刀刃磨损严重时，不仅会造成粉碎效率下降、产品粒度均匀性变差，还可能因刀具异常振动导致设备损坏。目前，这类设备的刀具更换主要依赖人工操作，需要停机后逐一拆卸旧刀片并安装新刀片，换刀过程耗时长、效率低下，严重制约了设备的连续作业能力和生产效率。已有研究表明，在刀具磨损监测与自动换刀方面，现有技术主要集中在数控加工领域，而针对粉碎设备的智能换刀装置研究尚不充分。部分粉碎设备虽已提出自动换刀方案，但多采用夹持组件和伸缩爪等复杂结构，存在机构复杂、可靠性不足等问题。在刀具磨损状态的在线监测方面，虽已有采用多传感器融合技术实现刀具磨损状态监测的研究，但将其与自动换刀动作集成为一体化的智能控制方案，在切割式粉碎设备领域仍属空白。

4、综上所述，现有旋转式单刃固定直切刀组虽在精细切割粉碎方面具有显著优势，但刀刃磨损快、手工换刀效率低的问题严重制约了其进一步发展。因此，亟需开发一种能够自动感知刀具磨损状态并实现自动换刀的新型刀组及换刀装置，以提升设备的智能化水平和连续作业能力，降低人力与物料成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决现有旋转式多头单刃固定直切刀组存在的刀刃磨损快、手工换刀效率低下，以及现有自动换刀方案结构复杂、可靠性不足的问题，本发明提供了一种多头旋抛式智能换刀系统，将传统单刃固定直切刀改进为由多个刀片沿周向固接为一体且可转动切换的圆盘刀，并采用套设于主轴上的螺杆驱动传动转换件，将螺杆的旋转运动转换为棘轮的步进转动，实现刀片的自动切换。通过刀片的依次切换使用，使单个圆盘刀可连续工作多个刀片寿命周期才需整体更换，累计换刀时间大幅缩减。同时通过传感器实时监测刀具状态，控制系统根据信号差异化处理（如，温度异常时启动冷气泵降温，振动异常时自动执行换刀），实现了刀具磨损状态的在线监测与自动换刀的一体化，显著延长刀组连续作业周期，降低维护成本，提升设备智能化水平。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

3、本发明提供了一种多头旋抛式智能换刀系统，包括：

4、若干个刀架，套设于主轴上，每个所述刀架上开设有通孔；

5、若干个圆盘刀，一一对应地可转动安装于若干个所述刀架上，每个所述圆盘刀由若干个刀片沿周向固接为一体；

6、若干个棘轮，一一对应地固接于若干个所述圆盘刀的一侧，用于在被驱动时带动所述圆盘刀同步转动；

7、若干个止回棘爪，一一对应地安装于若干个所述刀架上，用于锁定对应的所述棘轮；

8、螺杆，套设于所述主轴上，所述螺杆的一端与换刀驱动源传动连接，另一端穿过所有所述刀架上的所述通孔；

9、若干个传动转换件，每个所述传动转换件连接于所述螺杆与对应的所述棘轮之间，将所述螺杆的旋转运动转换为所述棘轮的步进转动，用于带动所述圆盘刀切换当前工作的刀片；

10、传感器，用于采集所述圆盘刀的状态信号；

11、控制系统，与所述传感器及所述换刀驱动源电连接；

12、所述控制系统被配置为：根据所述状态信号，控制所述换刀驱动源驱动所述螺杆旋转，所述螺杆通过所述传动转换件驱动对应的所述棘轮转动，所述棘轮带动所述圆盘刀同步转动，以切换当前工作的刀片；换刀完成后，对应的所述止回棘爪锁定所述棘轮。

13、优选地，所述传动转换件包括：

14、带滑槽的螺母，套设于所述螺杆上且与所述螺杆螺纹配合；

15、摆动杆，所述摆动杆的一端与所述带滑槽的螺母活动连接；

16、驱动棘爪，安装于所述摆动杆的另一端，用于推动对应的所述棘轮转动；

17、弹性复位件，连接于所述摆动杆与对应的所述刀架之间。

18、优选地，所述螺杆为中空螺杆，所述中空螺杆的一端为圆环结构，与所述换刀驱动源传动连接，所述中空螺杆的另一端为均匀等距的若干个开口螺杆片，所述开口螺杆片穿过所述通孔后，与所述带滑槽的螺母连接，所述带滑槽的螺母套设于所述开口螺杆片上，并被刀架限位只能旋转不能轴向运动；所述中空螺杆旋转时驱动所述带滑槽的螺母周向偏转，所述弹性复位件安装在所述带滑槽的螺母的滑槽内，所述摆动杆一端伸进所述带螺母的滑槽内并顶住所述弹性复位件，同时其被限位只能沿所述滑槽滑动，所述摆动杆另一端连接驱动棘爪，通过所述弹性复位件、带滑槽的螺母的滑槽与摆动杆构成可伸缩的棘轮摆动杆，绕所述主轴的轴心在所述通孔中摆动，自适应伸缩摆动杆带动所述驱动棘爪运动，进而推动棘轮运动。

19、优选地，所述传感器安装于所述传动转换件上。

20、优选地，所述传感器包括温度传感器和振动传感器，分别用于采集所述圆盘刀的温度信号和振动信号；优选地，所述温度传感器为k型热电偶，所述振动传感器为pvdf压电薄膜动态感知线。

21、优选地，所述控制系统还被配置为：当检测到温度超出设定阈值时，启动冷气泵降温，直至温度回落至正常范围后关闭所述冷气泵。

22、优选地，还包括通气管，所述通气管的出气口正对当前工作的刀片，进气端与冷气泵连通，所述冷气泵受所述控制系统控制；所述传感器通过传感线与所述控制系统连接，所述传感线螺旋缠绕在所述通气管上。

23、优选地，若干个所述刀架沿所述主轴轴向依次排布，相邻所述刀架之间径向错开一定角度，使若干个所述圆盘刀呈螺旋阵列排列；

24、优选地，所述刀架为星形刀架；

25、优选地，所述圆盘刀为旋抛式圆盘刀；

26、优选地，所述通孔为螺杆片孔；

27、优选地，所述圆盘刀通过回转轴安装于所述刀架上。

28、优选地，所述控制系统还被配置为：记录所述圆盘刀已切换使用的刀片的数量，当所有刀片均已被使用且再次判定需要换刀时，发出停机报警信号。

29、优选地，所述换刀驱动源为步进电机；

30、优选地，所述弹性复位件为复位弹簧；

31、优选地，所述止回棘爪通过扭簧压紧于对应的所述棘轮上；

32、优选地，所述棘轮的齿数与所述刀片的数量成整数倍。

33、本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

34、第一，大幅延长连续作业周期，显著提升生产效率。本发明将传统单刃固定直切刀改进为带多个刀片的多头旋抛式圆盘刀，通过刀片依次切换投入使用，单个圆盘刀在整体拆卸更换前，可连续工作相当于多个单刀片的寿命周期，延长了连续作业时长，降低了停机换刀频率，大幅节省累计换刀时间，有效解决了现有设备因频繁人工换刀导致的长时间停机问题，显著提升了设备综合利用率与产能。

35、第二，可实现刀具工作状态的实时在线监测与差异化智能管控。本发明将温度传感器与振动传感器安装于传动转换件上，可同时采集刀具工作过程中的温度、振动两类关键特征信号，实现对刀具运行状态的全面实时监测。控制系统可根据不同信号特征采取差异化处理策略：温度异常时启动冷气泵吹风降温，避免刀具发生热损伤；振动异常时自动执行换刀动作，防止刀具严重磨损引发粉碎质量劣化及设备安全事故。该感知—判别—执行一体化的智能管控机制，相较于现有仅依靠人工经验判断或单一参数监测的方案，可靠性与适应性更强，为设备长周期安全运行提供了技术保障。

36、第三，换刀执行机构结构紧凑、传动精确、控制简便。本发明以套设于主轴上的螺杆驱动传动转换件作为换刀执行核心，将螺杆的旋转运动转化为棘轮的步进转动，再由棘轮带动圆盘刀转动一个刀位。该机构设计紧凑，充分利用了主轴周边空间，无需额外设置复杂的多自由度机械臂或夹持组件；同时，通过精确控制螺杆旋转角度即可实现每次精准转动一个刀位的步进换刀，换刀位置准确可靠，配合止回棘爪的锁止功能，可有效避免工作过程中圆盘刀因振动或冲击发生非预期转动。更重要的是，单组螺杆可同时驱动整个系统内所有圆盘刀同步完成换刀，结构简单、成本低廉，易于工程实现。

37、第四，有效降低人工成本与物料消耗，延长设备整体使用寿命。本发明实现了换刀过程全自动化，将操作人员从高频次、重复性的手工换刀劳动中解放出来，大幅降低人工干预频率与劳动强度，同时避免了人为操作失误引发的刀片安装不当、力矩偏差等问题。物料消耗层面，由于每个刀片都可充分利用至寿命终点再进行切换，避免了单刃固定直切刀因统一更换导致部分未完全磨损刀片提前报废的浪费现象。此外，本发明可通过振动监测在刀具磨损初期即完成换刀，防止过度磨损引发刀架变形、主轴偏心、轴承损坏等次生故障，延长了主轴、轴承等关键零部件的使用寿命，降低了设备全生命周期维护成本。

38、第五，推动粉碎设备向智能化、无人化方向升级。本发明将刀具磨损在线监测、过热自动降温、磨损自动换刀、刀片寿命周期管理等功能集成为一体，构建了完整的刀具全生命周期智能管理系统。设备可在无人值守条件下自动完成从状态感知、故障判别到执行反馈的完整闭环控制流程，为粉碎设备的智能化升级提供了关键技术支撑。该技术方案不依赖特定物料类型或加工工况，具备良好的普适性与可扩展性，可广泛应用于污泥水煤浆制备、稀有矿产超细粉碎、制药粉碎、化工原料精细粉碎等领域，尤其适用于对粉碎粒径均匀性要求高、设备连续运行时间长、人工维护困难的工况，具有广阔的市场应用前景和经济社会效益。

39、第六，延长连续工作时间，节省换刀时间。与现有单刃固定直切刀组相比，若单刃固定直切刀每工作一周需要拆卸更换一次新刀，则本发明采用具有n个刀片的圆盘刀后，每个圆盘刀可连续工作n周才需要整体拆卸更换一次新刀；在相同刀组规模下，本发明的一次拆换新刀时间与单刃固定直切刀组的一次拆换时间相当，但由于换刀频率降低为原来的1/n，因此累计换刀时间节省n倍。优选地，当n取10时，正常连续工作时间延长至原来的10倍，累计换刀时间节省90%。

40、综上所述，本发明从根本上解决了现有单刃固定直切刀组换刀频繁、人工效率低下、缺乏智能监控的行业痛点，通过结构创新与智能控制的有机结合，实现了粉碎设备在切割粉碎精度保持、连续作业能力、智能化水平和运维经济性等方面的全面提升，对推动先进制造领域精细粉碎装备的技术进步具有积极意义。