CN102729083B - 机床 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够缩短换刀时间而提高加工生产率的机床。当机床开始换刀动作时，进行主轴定向动作。主轴头以Z轴最高速度从加工位置上升到Z轴原点(S11)。当主轴定向动作完成时(S12：是)，主轴头以Z轴ATC上升速度从Z轴原点上升到进行换刀的ATC原点(S13)。当主轴头到达ATC原点(Z615)时(S13)，刀库马达进行驱动。刀库旋转，对下一刀具进行定位(S14)。之后，主轴头以与Z轴最高速度相同的速度从ATC原点下降到Z轴原点(S15)。之后，主轴头以Z轴最高速度从Z轴原点下降到被加工件的加工开始位置(S16)。机床利用刀具对被加工件进行加工。

Description

机床

技术领域

本发明涉及一种机床。具体而言涉及一种使主轴头在ATC区域内移动来对安装在主轴上的刀具进行更换的机床。

背景技术

机床在进行自动换刀时预先执行主轴定向动作。机床需要使主轴停止在能够执行换刀的旋转角度位置。主轴定向动作是将主轴定位在能够执行换刀的旋转角度位置的动作。机床在换刀时同时进行主轴头向Z轴原点上升的动作和主轴定向动作。Z轴原点是Z轴的机械原点。机床在主轴定向动作结束后开始使主轴头向Z轴原点上升的动作减速。之后，机床开始进行主轴头向ATC原点上升的动作。ATC原点是主轴头的换刀位置。主轴头向ATC原点上升的动作在主轴定向动作未完成的状态下是不能够开始的。因此，当主轴转速较大时或主轴头向Z轴原点上升的距离较小时，有时即使在主轴头向Z轴原点上升的动作结束的状态下，主轴定向动作也未完成。主轴头向ATC原点上升的动作在等待主轴定向动作完成后再开始进行。因此，换刀所需的时间延长。

例如日本特许公开2006年272473号公报公开了一种能够改变主轴头在ATC区域内移动时的移动速度的机床。主轴头在加工区域内移动之后，在ATC区域内移动到ATC原点并停止。之后，主轴头从ATC原点在ATC区域内移动，之后在加工区域内移动。ATC区域是指从Z轴原点到ATC原点的范围。加工区域是指从工作台上表面到Z轴原点的范围。

换刀结束后，主轴头从ATC原点下降至Z轴原点。主轴头从ATC原点移动至Z轴原点的速度多与主轴头从Z轴原点上升至ATC原点的速度相同。因此，不能够缩短换刀时间。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够缩短换刀时间而提高加工生产率的机床。

技术方案1的机床具有主轴头、主轴、换刀装置、主轴头移动机构、控制部。主轴头能够在用于进行被加工件的加工的加工区域与用于进行换刀的ATC区域之间移动。主轴头以能够使主轴旋转的方式支承主轴。通过主轴和主轴头在ATC区域移动，从而换刀装置对安装在主轴上的刀具进行更换。主轴头移动机构使主轴和主轴头向主轴的轴向移动。控制部控制主轴头移动机构。控制部控制主轴头移动机构以使得主轴与主轴头以第一速度从被加工件的加工位置移动至机械原点、以第二速度从机械原点移动至ATC原点、在刀库旋转停止后以第三速度从ATC原点移动至机械原点。ATC原点是在ATC区域能够供刀库旋转的位置。第二速度比第一速度慢。第三速度为第二速度以上且第一速度以下。因此，机床能够缩短换刀时间而不会对机械各个部分施加负担。

在技术方案2的机床中，控制部根据更换后的刀具的重量确定第三速度。因此，机床能够根据刀具的重量缩短换刀时间而不会对机械各个部分施加负担。

在技术方案3的机床中，控制部在更换后的刀具的重量为第一规定值以下时，将第三速度确定为与第一速度相同的速度，在更换后的刀具的重量比第二规定值重时，将第三速度确定为与第二速度相同的速度，在更换后的刀具的重量比第一规定值重且为第二规定值以下时，将第三速度确定为与更换后的刀具的重量成比例的、第一速度与上述第二速度之间的速度。因此，当刀具较轻时，机床能够使第三速度增速而谋求提高换刀效率。当刀具较重时，机床能够在第二速度与第一速度的范围内使第三速度减速，从而缩短换刀时间而不会对机械各个部分施加负担。

附图说明

图1是机床1的立体图。

图2是主轴头7的局部剖切放大图。

图3是表示机床1与数控装置30的电气结构的框图。

图4是非易失性存储装置35的存储区域的示意图。

图5是换刀动作的流程图。

图6是表示主轴头7在Z轴方向上的升降动作的图。

图7是刀具表350的示意图。

图8是表示刀具重量与Z轴ATC下降速度的关系的图表。

图9是第二实施方式的换刀动作的流程图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的第一实施方式的机床1。图1的纸面近前方向、进深方向、右方、左方分别是指机床1的前方、后方、右方、左方。机床1的左右方向是X轴方向，前后方向是Y轴方向，上下方向是Z轴方向。机床1具有基座2、机床主体3、换刀装置20、保护罩(省略图示)。基座2为铁制。机床主体3位于基座2的上部，切削被加工件。换刀装置20位于机床主体3的上部，进行安装在机床主体3的主轴9上的刀具4的更换。保护罩包围机床主体3与换刀装置20的周围。

机床1在保护罩的前表面上具有操作面板(省略图示)。操作面板具有输入部24(参照图3)和显示器(液晶显示器)25(参照图3)。显示器25是液晶显示器。操作者确认显示器25的显示信息，使用输入部24输入加工程序、刀具的种类、刀具信息、各种参数等。

说明机床主体3的结构。如图1所示，机床主体3具有立柱5、主轴头7(参照图2)、主轴9、操作台10等。立柱5呈方柱状。立柱5固定在基座2的上部后方。主轴头7沿着立柱5的前表面升降。主轴头7在Z轴马达53(参照图3)的驱动下沿Z轴方向移动。主轴9设置在主轴头7的下部。主轴9用于安装刀具4，且主轴9在主轴马达54(参照图2)的驱动下旋转。操作台10设置在基座2的上部中央。操作台10利用X轴马达51(参照图3)、Y轴马达52(参照图3)、引导机构(省略图示)沿XY轴方向移动。数控装置30(参照图3)存储在控制箱6内。控制箱6位于立柱5的背面侧。被加工件固定在操作台10上。

说明操作台10的移动机构。如图1所示，操作台10在下部设有支承台12。支承台12呈长方体状。支承台12在上表面具有一对X轴输送引导件(省略图示)。一对X轴输送引导件沿X轴方向延伸，以使操作台10能够移动的方式支承操作台10。

基座2在上部具有一对Y轴输送引导件(省略图示)。一对Y轴输送引导件沿Y轴方向延伸，且沿基座2的前后方向配置。一对Y轴输送引导件以能够使支承台12移动的方式支承支承台12。

基座2在上部具有Y轴马达52(参照图3)。Y轴马达52驱动操作台10沿着Y轴输送引导件向Y轴方向移动。支承台12在上部具有X轴马达51(参照图3)。X轴马达51驱动操作台10沿着X轴输送引导件向X轴方向移动。X轴马达51和Y轴马达52是伺服马达。

X轴输送引导件在操作台10的左右两侧具有罩13、14。罩13、14呈套筒式伸缩。Y轴输送引导件在支承台12的前方具有罩15，在支承台12的后方具有后罩(省略图示)。罩13～15与后罩总是覆罩X轴输送引导件与Y轴输送引导件。因此，机床1防止了从加工区域飞散的切削粉、冷切液落到各个轴输送引导件上。

说明主轴头的升降机构。如图2所示，立柱5借助于引导轨道(省略图示)与线性引导件以使主轴头7能够自由升降的方式支承主轴头7。引导轨道沿上下方向固定在立柱5的前侧(图2中的左侧)。

滚珠丝杠26沿上下方向设置在立柱5的前表面上。上侧轴承部27与下侧轴承部28以使滚珠丝杠26能够旋转的方式支承滚珠丝杠26。螺母29固定在主轴头7的背面上。螺母29与滚珠丝杠26相螺合。滚珠丝杠26的上端部借助于联轴节(省略图示)与Z轴马达53(参照图3)的驱动轴相连结。Z轴马达53固定在上侧轴承部27的上部。因此，滚珠丝杠26在Z轴马达53的驱动下沿正反两个方向旋转。当滚珠丝杠26沿正反方向旋转时，螺母29升降。因此，主轴头7沿图2的箭头A方向升降。在图2中省略了Z轴马达53。

说明主轴头7的内部构造。如图2所示，主轴9设置在主轴头7的前方下部的内侧。主轴9在上下方向上具有旋转轴线，且能够旋转。主轴马达54固定在主轴头7的上部。主轴9借助于联轴节23与主轴马达54的驱动轴相连结。主轴9在主轴马达54的驱动下旋转。主轴9的前端部(下端部)具有锥形孔18。锥形孔18能够安装刀柄17的锥形安装部17a。拉钉17b从锥形安装部17a向上方突出。刀柄夹持构件19设置在主轴9的内部。当将锥形安装部17a安装在锥形孔18内时，刀柄夹持构件19夹持拉钉17b。牵引杆81从贯穿主轴9的中心的孔中穿过。牵引杆81与主轴9配置同一轴线上。当牵引杆81向下方按压刀柄夹持构件19时，刀柄夹持构件19解除对拉钉17b的夹持。

主轴头7在后方上部的内侧利用支承轴61以能够使曲杆60自由摆动的方式支承曲杆60。曲杆60侧视呈反写的L字形。曲杆60具有垂直杆60b和水平杆60a。水平杆60a大致水平地延伸。垂直杆60b从水平杆60a的后端部大致垂直地向上方延伸。销65设为与牵引杆81正交。水平杆60a的前端部能够与销65相卡合。板凸轮体66固定在垂直杆60b的背面上部。凸轮从动件67固定在上侧轴承部27上。板凸轮体66能够与凸轮从动件67相接触或离开。拉伸螺旋弹簧68弹性地设置在垂直杆60b与主轴头7之间。拉伸螺旋弹簧从右方观察时总是向顺时针方向对曲杆60施力。因此，水平杆60a不向下方按压销65。

例如在主轴9的锥形孔18安装有刀柄17的锥形安装部17a的状态下，当主轴头7上升时，板凸轮体66在凸轮从动件67上滑动。当板凸轮体66在凸轮从动件67上滑动时，曲杆60从右方观察时以支承轴61为中心向逆时针方向旋转。当曲杆60旋转时，水平杆60a与销65相卡合，向下方按压销65。销65向下方移动，从而牵引杆81向下方对刀柄夹持构件19施力，刀柄夹持构件19解除对拉钉17b的夹持。因此，刀柄17能够相对于主轴9进行装卸。另外，刀柄17保持刀具4。

说明换刀装置20的构造。如图2所示，换刀装置20具有转塔式的刀库21。刀库21主要具有刀库基座71和多个夹持臂73。刀库基座71呈带凸缘的圆筒状。多个夹持臂73沿着刀库基座71的凸缘部72的背面外周以能够摆动的方式设置。刀库支承台87固定在框架78上。支承轴75向机床1的前方斜下方延伸。刀库支承台87以能够使支承轴75旋转的方式支承支承轴75。刀库基座71嵌套在支承轴75的外侧。因此，刀库基座71使圆形的凸缘部72的正面朝向机床1的前方地进行配置，且刀库基座71能够旋转。

刀库基座71主要具有毂部74和凸缘部72。毂部74呈筒状。支承轴75贯穿毂部74的内侧。凸缘部72呈凸缘状设置在毂部74的外周面的前端侧。圆板77嵌套在毂部74的后端部外侧，并且圆板77以支承轴75为中心。凸轮从动件(省略图示)与多个夹持臂73的配置位置相对应地设置在圆板77的背面侧(与主轴头7相对的面)。凸轮从动件呈辊形状。

壳体82固定在刀库支承台87的上部。刀库马达55固定在壳体82的上部。刀库马达55用于刀库基座71的定位。定位机构具有多个齿轮(省略图示)和凸轮(省略图示)。定位机构的一部分在壳体82的内侧与刀库马达55的旋转轴相连结。凸轮槽(省略图示)形成在定位机构的凸轮上。圆板77的多个凸轮从动件依次嵌合在凸轮槽内。因此，圆板77能够进行间歇的定位。定位机构将多个夹持臂73中的一个夹持臂定位在刀库基座71的最下端。虽未图示，但编码器固定在刀库马达55上，编码器与机床1的数控装置30(参照图3)相连接。因此，机床1根据编码器的输出信号进行刀库马达55的反馈控制。

说明机床1与数控装置30的电气结构。如图3所示，机床1具有数控装置30。数控装置30具有CPU31、ROM32、RAM33、非易失性存储装置35、输入输出部34、计时器36、轴控制电路41a～45a、伺服放大器41～44、微分器51b～54b等。伺服放大器41～44与X轴马达51、Y轴马达52、Z轴马达53、主轴马达54相连接。轴控制电路45a与刀库马达55相连接。

ROM32存储控制程序等。控制程序是用于分析并执行加工程序的程序。RAM33暂时存储在后述的控制程序的执行中计算出的值等。如图4所示，非易失性存储装置35具有刀具表存储区域351、加工程序存储区域352等。操作者使用输入部24将各种加工程序登记到加工程序存储区域352中。

X轴马达51、Y轴马达52分别沿X轴方向、Y轴方向驱动操作台10。Z轴马达53沿Z轴方向驱动主轴头。刀库马达55驱动刀库21。主轴马达54驱动主轴9。X轴马达51、Y轴马达52、Z轴马达53、主轴马达54分别具有编码器51a～54a。

轴控制电路41a～44a从CPU31接收移动指令量，将电流指令量输出到伺服放大器41～44。电流指令量是转矩指令值。伺服放大器41～44接收电流指令量，向马达51～54输出驱动电流。编码器51a～54a向轴控制电路41a～44a和微分器51b～54b输出位置反馈信号。轴控制电路41a～44a进行位置的反馈控制。微分器51b～54b对位置反馈信号进行微分而转换为速度反馈信号，向轴控制电路41a～44a输出速度反馈信号。轴控制电路41a～44a进行速度反馈的控制。

电流检测器41b～44b检测驱动电流。数控装置30将电流检测器41b～44b检测出的驱动电流反馈到轴控制电路41a～44a。轴控制电路41a～44a根据驱动电流进行电流(转矩)控制。

轴控制电路45a从CPU31接收移动指令量而驱动刀库马达55。输入部24和显示器25与输入输出部34相连接。

参照图3、图5、图6说明机床1的换刀动作。Z轴的机械原点在以下的说明中称为Z轴原点。机械原点是指X轴、Y轴的机械坐标为0并且Z轴的机械坐标为能够加工的上限的位置。如图5所示，当机床1开始换刀动作时，开始主轴定向动作(S11)。主轴定向动作是使主轴9的旋转角度位置停止在能够换刀的位置的动作。具体而言，Z轴马达53在CPU31的控制下旋转。主轴头7以Z轴最高速度在区间101中上升(S11)。如图6所示，区间101是从被加工件的加工开始位置(Z350)到Z轴原点(Z480)的区间。Z轴最高速度是使Z轴上升的最高速度。以下，Z轴最高速度也称作“第一速度”。Z轴最高速度的一个例子是50m/min。在S11的处理中，主轴马达54在CPU31的控制下旋转，进行主轴定向动作。

当主轴9的旋转角度位置成为能够换刀的位置时，CPU31判断为主轴定向动作完成(S12：是)。Z轴马达53在CPU31的控制下旋转。主轴头7以Z轴ATC上升速度在区间102中上升(S13)。如图6所示，区间102是从Z轴原点(Z480)到进行换刀的ATC原点(Z615)的区间。以下，Z轴ATC上升速度也称作第二速度。当主轴定向动作未完成时(S12：否)，CPU31监视主轴定向动作(S12)。第二速度是比第一速度慢的速度，例如是35m/min。因此，负荷不会施加到曲杆60、板凸轮体66、凸轮从动件67(参照图2)等上。当主轴头7到达图6所示的ATC原点(Z615)时(S13)，刀库马达55在CPU31的控制下进行驱动。刀库21旋转，将把持下一个刀具的夹持臂73定位在刀库基座71的最下端(S14)。

之后，Z轴马达53在CPU31的控制下旋转。主轴头7以Z轴ATC下降速度在区间103中下降(S15)。如图6所示，区间103是从ATC原点(Z615)到Z轴原点(Z480)的区间。以下，Z轴ATC下降速度也称作第三速度。当主轴头7下降时，负荷不怎么施加在曲杆60、板凸轮体66、凸轮从动件67(参照图2)等上。因此，Z轴ATC下降速度(第三速度)是与上述Z轴最高速度(第一速度)相同的速度。之后，主轴头7以Z轴最高速度在区间104中下降(S16)。区间104是从Z轴原点(Z480)到被加工件的加工开始位置(Z350)的区间。主轴马达54在CPU31的控制下旋转，主轴9以CPU31指示的转速旋转(S16)。以往，主轴头7以与比Z轴最高速度慢的Z轴ATC上升速度相同的速度在区间103中下降。在第一实施方式中，主轴头7以Z轴最高速度在区间103中下降。因此，能够缩短换刀的时间，能够缩短被加工件的加工时间。

参照图6～图9说明本发明的第二实施方式。在第二实施方式中，CPU31根据刀具4的重量确定(计算)Z轴ATC下降速度(第三速度)。参照图7说明刀具表350。图4所示的非易失性存储装置35的刀具表存储区域351存储有刀具表350。如图7所示，刀具表350存储有刀具编号、刀具名称、刀具长度、刀具直径、刀具重量。例如关于刀具编号1，刀具名称为钻头，刀具长度为100mm，刀具直径为5mm，刀具重量为1.0kg。关于刀具编号2，刀具名称为丝锥，刀具长度为150mm，刀具直径为6mm，刀具重量为1.5kg。关于刀具编号3，刀具名称为端铣刀，刀具长度为200mm，刀具直径为50mm，刀具重量为3.0kg。

参照图8说明根据刀具重量确定区间103的Z轴ATC下降速度(第三速度)的方法。在第二实施方式中，机床1设定参数A(第一规定值)和参数B(第二规定值)。参数A和参数B是切换Z轴ATC下降速度(第三速度)的刀具重量。例如，机床1将参数A设定为1.0kg，将参数B设定为2.0kg。当刀具重量为1.0kg以下时，主轴头7以Z轴最高速度(例如50m/min)下降。当刀具重量比2.0kg重时，主轴头7以Z轴ATC上升速度(例如35m/min)下降。当刀具重量比1.0kg重且为2.0kg以下时，CPU31在Z轴最高速度与Z轴ATC上升速度之间确定与刀具重量成比例的第三速度(Z轴ATC下降速度)。

在刀具重量较轻为不满1.0kg时，若主轴头7以Z轴最高速度移动，则负荷不怎么施加在曲杆60、板凸轮体66、凸轮从动件67(参照图2)等上。因此，机床1将参数A设定为1.0kg。在刀具重量比2.0kg重时，若主轴头7以Z轴最高速度移动，则负荷有可能施加到曲杆60、板凸轮体66、凸轮从动件67等上。因此，机床1将参数B设定为2.0kg。

参照图9的流程图说明第二实施方式的换刀动作。另外，S21～S24与第一实施方式的S11～S14相同，因此省略说明。

在S25中，CPU31参照存储在非易失性存储装置35中的刀具表350并根据更换后的刀具重量确定(计算)Z轴ATC下降速度(第三速度)(S25)。例如，当更换后的刀具是刀具编号1的钻头时，刀具重量为1.0kg，为参数A(1.0kg)以下。因此，CPU31将Z轴ATC下降速度(第三速度)确定为与Z轴最高速度(作为一个例子为50m/min)相同的速度。当更换后的刀具是刀具编号3的端铣刀时，刀具重量为3.0kg，比参数B(2.0kg)重。因此，CPU31将Z轴ATC下降速度(第三速度)作为一个例子确定为35m/min。当更换后的刀具是刀具编号2的丝锥时，刀具重量为1.5kg，比参数A(1.0kg)重且为参数B(2.0kg)以下。因此，CPU31按比例分配来计算并确定Z轴ATC下降速度(第三速度)。计算式如下。

Z轴ATC下降速度(第三速度)＝Z轴最高速度-(Z轴最高速度-Z轴ATC上升速度)×(刀具重量-参数A)

例如，在上述例子中，Z轴ATC下降速度(第三速度)＝50-(50-35)×(1.5-1)＝42.5(m/min)。

之后，Z轴马达53在CPU31的控制下旋转。主轴头7以由CPU31在S25中计算并确定的Z轴ATC下降速度(第三速度)在区间103中下降(S26)。之后，主轴头7以Z轴最高速度在区间104中下降(S27)。如图6所示，区间104是从Z轴原点(Z480)到被加工件的加工开始位置(Z350)的区间。主轴马达54在CPU31的控制下旋转，主轴9以CPU31指示的转速旋转(S27)。在第二实施方式中，主轴头7以由CPU31根据刀具4的重量、Z轴最高速度、Z轴ATC上升速度确定的速度在区间103中下降。因此，能够缩短换刀的时间，能够使负荷成为不对曲杆60、板凸轮体66、凸轮从动件67等施加负荷。

在上述实施方式中，主轴头移动机构的一个例子是Z轴马达53。控制部的一个例子是数控装置30与CPU31。

在上述实施方式中，举例说明了立式的机床。本发明也能够应用于卧式的机床。换刀装置20也可以是其他方式的机构。上述第一速度～第三速度的数值的具体例子仅是一个例子。机床1只要根据实际的刀具4的重量确定第一速度～第三速度即可。参数A与B的数值的具体例子仅是一个例子。机床1只要根据实际的刀具4的重量确定参数A与B的数值即可。

Claims (1)

1.一种机床，该机床(1)具有：

主轴头(7)，其能够在用于进行被加工件的加工的加工区域与用于进行换刀的ATC区域之间移动；

主轴(9)，其以能够旋转的方式被上述主轴头支承；

换刀装置(20)，上述主轴与上述主轴头在上述ATC区域移动，从而该换刀装置(20)对安装在上述主轴上的刀具(4)进行更换，其中，该机床(1)具有：

主轴头移动机构(53)，其使上述主轴与上述主轴头向上述主轴的轴向移动；

控制部(30、31)，其控制上述主轴头移动机构；

上述控制部控制上述主轴头移动机构，以使得

上述主轴与上述主轴头以第一速度从上述被加工件的加工位置移动至机械原点，

以比上述第一速度慢的第二速度从该机械原点移动至作为在ATC区域中能够供刀库(21)旋转的位置的ATC原点，

在上述刀库旋转停止后，以上述第二速度以上且上述第一速度以下的第三速度从上述ATC原点移动至上述机械原点，

上述控制部在更换后的刀具的重量为第一规定值以下时，将上述第三速度确定为与上述第一速度相同的速度，

在更换后的刀具的重量比第二规定值重时，将上述第三速度确定为与上述第二速度相同的速度，

在更换后的刀具的重量比上述第一规定值重且为上述第二规定值以下时，将上述第三速度确定为与更换后的刀具的重量成比例的、上述第一速度与上述第二速度之间的速度。