CN104416400B - 机床的刀具更换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床的刀具更换装置。该机床的刀具更换装置具备绕相对铅垂方向倾斜的轴旋转来搬送刀具的转塔，针对转塔旋转时的各旋转相位，使用各刀具的重量以及位置、转塔的旋转速度以及旋转加速度，根据向各刀具施加的离心力、重力、惯性力的合力来计算向各刀具把持部施加的力，按照各旋转相位决定所述转塔的旋转速度以及旋转加速度。

Description

机床的刀具更换装置

技术领域

本发明涉及一种通过转塔的旋转进行刀具分度的机床的刀具更换装置。

背景技术

一直以来使用自动地更换安装在机床的主轴上的刀具的刀具更换装置。在该刀具更换装置中预先设置进行操作所需要的多个刀具，根据加工状态自动地将安装在机床的主轴上的刀具更换成指定的刀具。

在这样的刀具更换装置中，通过转塔的旋转运动搬送刀具，但进行用于搬送的旋转动作时，需要防止刀具的脱落。

因此，已知以下的用于防止刀具的脱落的技术。

在日本特开平8-115113号公报中公开了如下技术：在机床中具备重量数据存储部，在该重量数据存储部中预先存储通过数据输入部输入的各刀具的重量数据，根据该重量数据来控制机床的转塔的动作。

此外，在日本特开2005-205503号公报中公开了如下技术：当搬送机床的刀具的转塔旋转时，推定作用于刀具的离心力，根据该推定出的离心力和转塔的刀具把持部中的刀具的夹紧力，来决定最大旋转速度。

根据所述的日本特开平8-115113号公报以及日本特开2005-205503号公报中公开的技术，根据刀具重量数据或作用于刀具的离心力来适当地设定刀具分度时的转塔的旋转速度，由此能够防止刀具的脱落，并且能够缩短刀具更换时间。但是，在这些文献所公开的技术中，对于转塔上的刀具的重量等旋转速度为恒定。但是，当转塔进行旋转的轴相对铅垂方向倾斜时，向刀具施加的重力相对于所述轴的方向根据转塔的旋转相位发生变化，因此使转塔以恒定速度旋转时，根据旋转相位相对于旋转的临界速度有富余，存在刀具更换时间的缩短不充分的可能性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种机床的刀具更换装置，该刀具更换装置能够充分地缩短刀具更换时间。

本发明的机床的刀具更换装置，具备绕相对铅垂方向倾斜的轴旋转来搬送刀具的转塔，该转塔具有以放射状设置的多个刀具把持部。

所述刀具更换装置的第一方式，具备：力计算部，其具有安装在所述转塔的所述刀具把持部上的刀具的刀具重量数据以及所述刀具把持部中的所述刀具的刀具配置数据，根据这些刀具重量数据以及刀具配置数据，针对转塔旋转时的各旋转相位，使用各刀具的重量以及位置、转塔的旋转速度以及旋转加速度，根据向各刀具施加的离心力、重力、惯性力的合力来计算向各刀具把持部施加的力；最大力计算部，其从通过所述力计算部计算出的向各刀具把持部施加的力中计算最大力；转塔旋转动作决定部，其预先设定向刀具把持部施加的力的目标值，针对各旋转相位决定所述转塔的旋转速度以及旋转加速度，使得针对转塔旋转时的各相位的通过所述最大力计算部计算出的所述最大力相对于所述目标值在预定的范围内；以及控制装置，其使所述转塔按照通过所述转塔旋转动作决定部决定的各旋转相位的旋转速度以及旋转加速度的设定值来旋转。

在该方式的刀具更换装置中，计算向各刀具把持部施加的力，按照转塔的各旋转相位决定速度、加速度来进行转塔的旋转动作，因此不局限于低临界下的速度、加速度，而是能够针对各旋转相位设定最佳的速度、加速度，因此能够进一步缩短刀具更换时间。

所述刀具更换装置的第二方式，具备：负载传感器，其在所述转塔旋转时检测向各刀具把持部施加的力的大小；最大力计算部，其从通过所述负载传感器检测出的向各刀具把持部施加的力中计算最大力；转塔旋转动作决定部，其预先设定向刀具把持部施加的力的目标值，针对各旋转相位决定所述转塔的旋转速度以及旋转加速度，使得针对转塔旋转时的各相位的通过所述最大力计算部计算出的所述最大力相对于所述目标值在预定的范围内；以及控制装置，其使所述转塔按照通过所述转塔旋转动作决定部决定的、各旋转相位的旋转速度以及旋转加速度的设定值来旋转。

在该方式的刀具更换装置中，对各刀具把持部设置检测向刀具把持部施加的力的大小的负载传感器，根据负载传感器的检测结果决定转塔的各旋转相位的速度、加速度来进行转塔的旋转动作，因此不局限于低临界下的速度、加速度，而是能够对每个旋转相位设定最佳的速度、加速度，因此能够进一步缩短刀具更换时间。

通过具备以上的结构，本发明能够提供一种机床的刀具更换装置，该刀具更换装置能够充分地缩短刀具更换时间。

附图说明

参照附图对以下的实施例进行说明，从而使本发明的所述以及其他目的以及特征更加明确。

图1是本发明的刀具更换装置的第一实施方式所使用的转塔的结构的概要图。

图2是表示图1的转塔的旋转动作的例子的图。

图3是用于说明决定图1的转塔的旋转速度、旋转加速度的处理的流程的流程图。

图4是表示将针对图1的转塔所决定的旋转速度按照旋转相位的变化与现有技术进行比较而得的图表。

图5是本发明的刀具更换装置的第二实施方式所使用的转塔的结构的概要图。

图6是用于说明决定图5的转塔的旋转速度、旋转加速度的处理的流程的流程图。

具体实施方式

首先，参照图1～图4对本发明的机床的刀具更换装置的第一实施方式进行说明。

图1是本发明的刀具更换装置所使用的转塔的结构的概要图。

转塔1在其周围以放射状地具备多个(图中为12个)刀具把持部3，在这些刀具把持部3中的必要的位置把持刀具2。转塔1按顺时针方向旋转。

当向机床的控制部10指示了刀具更换时，使转塔1按顺时针方向旋转而到达在转塔1的旋转位置的某个位置设定的刀具更换位置(以下，有时将该动作称为“分度”)。当在该分度时转塔1进行旋转动作时，若旋转速度或加速度过大，则向刀具把持部3施加较大力，有可能发生刀具2脱落。

在图1中，符号8是将向刀具2施加的重力5、离心力6以及惯性力7合成为矢量而得的合力。在本实施方式中，通过来自数据输入部14的输入等，预先将安装在各刀具把持部3上的各刀具2的重量以及刀具把持部3中的刀具2的配置数据存储在重量数据存储部12中。根据存储在重量数据存储部12中的刀具2的重量以及刀具把持部3的刀具2的配置数据或转塔1的旋转相位、旋转速度、旋转加速度，在控制部10计算转塔1的每个旋转相位的、向刀具2施加的重力5、离心力6以及惯性力7的合力8，计算向刀具把持部3施加的力。

这样，按照转塔1的每个旋转相位、及每个刀具2计算向各刀具把持部3施加的力，使得向刀具把持部3施加的力成为适当的值地决定转塔1的旋转速度以及旋转加速度。然后，根据对转塔1的每个旋转相位决定的旋转速度以及旋转加速度，来调节转塔1的旋转动作。由此，控制转塔1的旋转速度以及旋转加速度使向刀具把持部3施加的力成为适当的值，能够防止刀具2的脱落，同时可以使转塔1根据最佳的旋转速度以及旋转加速度来旋转。

接着，对决定转塔1的各旋转相位的适当的旋转速度以及旋转加速度的方法的例子进行说明。

首先，对根据存储在重量数据存储部12中的刀具2的重量以及刀具把持部3中的刀具2的配置数据，计算向刀具把持部3施加的力的方法进行描述。在此，将转塔1的旋转轴设成水平方向。

对设置在转塔1的周边部的刀具把持部3，按照1、2、……n的顺序进行编号，并假设分别对刀具把持部3安装刀具2的重量为m₁、m₂、……m_n的刀具。在此，将刀具2的重心设为离转塔1的旋转轴的r的距离。此外，重量为m₁的刀具2位于从转塔1的最上部仅旋转θ的位置，当将转塔1的旋转速度设为ω，将旋转加速度设为α时，向重量为m₁的刀具2施加的重力为m₁g，离心力为m₁r²ω、惯性力为m₁rα。并且，可以求出向刀具2施加的合力为重力m₁g、离心力m₁r²ω以及惯性力m₁rα的向量之和。将作为该合力求出的向量的大小F₁设成向刀具把持部3施加的力的大小。同样，对重量为m₂、m₃……的刀具2也能够计算向刀具把持部3施加的力F₂、F₃……F_n。

接着，对基于这样计算出的向刀具把持部3施加的力F₁、F₂……F_n的、转塔1的旋转动作中的旋转速度和旋转加速度的决定方法进行说明。

在此，每个旋转相位的旋转速度以及旋转加速度是指，如图2的位置A、位置B……位置E等那样，在转塔1的旋转相位不同的位置的每个旋转相位的旋转速度以及旋转加速度。在图2所示的例子中，作为旋转相位不同的位置列举了位置A、位置B……位置E等五种，但这仅仅是一例，对于按照怎样的相位差在几个旋转相位来决定旋转速度以及旋转加速度，可以自由地进行。

图2是表示旋转相位不同的转塔1的位置的图，由于转塔1按顺时针方向旋转，因此按照位置A、位置B……位置E的顺序改变旋转相位的同时进行旋转。例如，为了求出转塔1的旋转相位为位置A时的旋转速度以及旋转加速度，对安装在刀具把持部3上的每个刀具2，根据向刀具2施加的重力、离心力以及惯性力计算合力，计算向刀具把持部3施加的力。对每个刀具2进行该力的计算，调整转塔1的旋转相位为位置A时的旋转速度以及旋转加速度，使得在计算的力中向刀具把持部3施加的最大的力与预先设定的针对刀具把持部3的强度而设定的目标值F的差在一定值以下。

接着，进一步对计算向刀具把持部3施加的力的具体的计算方法进行说明。

预先决定向刀具把持部3施加的力的目标值F、向旋转速度调整后的刀具把持部3施加的力与F的容许误差dF以及调整旋转速度时的变更步长幅度dω。将F设定成针对刀具把持部3的强度取充分安全系数的值，并且将dF、dω的值设成考虑控制部10的能力而决定的值。

决定图2中的速度ω的初始设定值。作为一例，可以将该初始设定值决定成适当的值，例如设定成与进行现有方式的旋转动作时的速度模式相同的值等。然后，从作为初始设定值决定的速度值，根据向刀具把持部3施加的力的计算值来变更该速度值，在实际的旋转动作中使用最佳化的速度值。

首先，从作为初始设定值决定的速度模式计算位置A、位置B……位置E处的加速度α。例如，关于加速度α，在将各位置间的角度设成φ时，将位置间的移动时间t设成φ/ω_i，能够根据下式来求出。

α_i＝(ω_i+1-ω_i)/t

接着，基于位置A的速度ω_A、加速度α_A、以及刀具重量和刀具把持部3中的刀具配置，来计算向各刀具把持部3施加的F₁～F₁₂。然后，将向位置A的各刀具把持部3施加的F₁～F₁₂中的最大值设为F_max。在此，当F_max＞F时，将位置A中的速度ω变更为仅减少dω的值。相反，当F_max＜F时，使速度ω_A仅增加dω。对于位置B～位置E也依次进行该F_max的计算和速度ω的变更。

随着旋转时的速度模式的变更，加速度α_A～α_E的值也被变更。当速度被变更时，根据相位与速度的关系，重新计算位置A～位置E的加速度α_A～α_E的值。然后，根据如此变更后的速度ω以及加速度α，重新对位置A～位置E分别计算F₁～F₁₂，求出F_max，并将F_max与F进行比较来变更速度ω。

在所有的位置A～位置E，重复进行上述处理直到F_max与F的差成为容许误差dF以下为止。然后，当F_max与F的差都在dF以下时，分别将位置A～位置E的速度ω、加速度α设成实际在该旋转相位进行转塔旋转所使用的值。

图3是表示转塔1的每个旋转相位的旋转速度以及旋转加速度的计算方法的流程的流程图。以下，对每个步骤进行说明。

·(步骤SA1)决定m个位置作为决定旋转速度以及旋转加速度的转塔的位置，适当地决定每个相位θ₁～θ_m的旋转速度ω₁～ω_m的初始设定值。

·(步骤SA2)将每个相位θ₁～θ_m中的旋转加速度α₁～α_m的值设为α_i＝(ω_i+1～ω_i)/(dθ/ω_i)，依次算α₁～α_m。但是，通过式α_m＝(ω₁～ω_m)/(dθ/ω_m)来计算相位θ_m的旋转加速度α_m。

·(步骤SA3)设i＝1。

·(步骤SA4)根据旋转速度ω_i以及旋转加速度α_i，来计算相位θ_i的向每个刀具把持部施加的力F_1i～F_ni。具体而言，为了求出F_1i而使用被把持在刀具把持部的第一位置的刀具的重量m₁来求出重力m₁g、离心力m₁r²θ以及惯性力m₁rα，并将这些向量和的大小设成F_1i。此外，对刀具把持部的第二位置、第三位置……第n位置也进行同样的计算。

·(步骤SA5)将在步骤SA4求出的F_1i～F_ni中的最大值设成F_maxi。

·(步骤SA6)将在步骤SA5求出的F_maxi与被设定为向刀具把持部施加的力的目标值的F值进行比较，来判定F_maxi是否比F大。当F_maxi大于F时(是)进入步骤SA7，当F_maxi在F以下时(否)进入步骤SA8。

·(步骤SA7)将变更转塔的旋转速度时的步长值设为dω，将ω_i的值仅减少dω。

·(步骤SA8)将ω_i的值仅增大dω。

·(步骤SA9)判定i的值是否等于m。当等于时(是)进入步骤SA11，当不等于时(否)进入步骤SA10。

·(步骤SA10)在i的值上加上1，返回步骤SA4。

·(步骤SA11)使用在步骤SA7或者SA8修正后的ω₁～ω_m的值，将每个相位θ₁～θ_m的旋转加速度α₁～α_m的值设为α₁＝(ω_i+1～ω_i)/(dθ/ω_i)，依次计算α₁～α_m。但是，相位θ_m中的旋转加速度α_m通过式α_m＝(ω₁～ω_m)/(dθ/ω_m)来计算。

·(步骤SA12)根据ω_i、α_i来计算相位θ_i的向每个刀具把持部施加的力F_1i～F_ni，提取其中的最大值来计算F_max1～F_maxm。

·(步骤SA13)判定F_max1～F_maxm与F的差是否都小于作为与F的容许误差而设定的dF的值。当都小于dF时(是)进入步骤SA14，当存在dF以上的值时(否)，返回步骤SA3重新进行计算。

(步骤SA14)将ω_i、α_i的值设成相位θ_i的速度、加速度的值的决定值，结束该处理。

这样，能够对转塔1的每个旋转相位决定适当的旋转速度以及旋转加速度。当转塔1实际旋转时，通过这样决定的旋转速度和旋转加速度来调整转塔1的旋转动作。

图4是表示在本实施方式决定的旋转速度按照每个旋转相位变化的图表。

在现有技术中，如图4的虚线所示，在除了旋转开始之后和旋转结束之前的相位A、B……E，将更换刀具时的转塔的旋转速度固定为恒定值(旋转速度ω_limit)。该旋转速度ω_limit相当于F_max成为最大的相位的临界旋转速度。

对此，在本实施方式中，将转塔的旋转速度按照转塔的每个旋转相位进行调整，使得向刀具把持部施加的力的最大值F_max成为接近被设定为目标值的F的值。其结果，在本实施方式中如图4的图表所示，在旋转相位B以及E能够以比现有技术的速度更快的速度旋转。

这样，在现有技术中对旋转速度有富余的旋转相位，在本实施方式中能够将旋转速度提高至临界，因此作为整体能够缩短刀具更换时间。

另外，在本实施方式中，计算了对把持刀具的所有的刀具把持部3施加的力，但计算该力时需要时间的情况等，也可以计算仅对除去施加的力明显较小的刀具把持部3之外的几个刀具把持部3施加的力，来计算每个旋转相位的旋转速度以及旋转加速度。

首先，参照图5以及图6对本发明的机床的刀具更换装置的第二实施方式进行说明。

本实施方式与第一实施方式的不同点在于：不是根据安装在各刀具把持部3上的刀具2的重量以及位置、转塔1的旋转速度以及旋转加速度来计算向各刀具把持部3施加的力的大小，而是在各刀具把持部3设置负载传感器20，通过这些负载传感器20来测定向各刀具把持部3施加的力。

图5是本实施方式的刀具更换装置所使用的转塔的结构的概略图。

如图5所示，在各刀具把持部3的底面部安装负载传感器20，使用这些负载传感器20针对转塔1的每个旋转相位来测定向各刀具把持部3施加的力。另外，可以适当地决定负载传感器20的设置位置，而不是局限于各刀具把持部3的底面部。

这样，针对转塔1的每个旋转相位，通过负载传感器20测定向各刀具把持部3施加的力，使向刀具把持部3施加的力成为适当的值地决定转塔1的旋转速度、旋转加速度。然后，根据对转塔1的每个旋转相位决定的旋转速度、旋转加速度，来调节转塔1的旋转动作。由此，控制转塔1的旋转速度、旋转加速度使向刀具把持部3施加的力成为适当的值，能够防止刀具2的脱落，并且能够使转塔1以最佳的旋转速度以及旋转加速度旋转。

图6是表示转塔1的每个旋转相位的旋转速度以及旋转加速度的计算方法的流程的流程图。以下，对每个步骤进行说明。

·(步骤SB1)决定m个位置作为决定旋转速度以及旋转加速度的转塔的位置，适当地决定每个相位θ₁～θ_m的旋转速度ω₁～ω_m的初始设定值。

·(步骤SB2)将每个相位θ₁～θ_m的旋转加速度α₁～α_m的值设为α_i＝(ω_i+1～ω_i)/(dθ/ω_i)，依次算α₁～α_m。但是，通过式α_m＝(ω₁～ω_m)/(dθ/ω_m)来计算相位θ_m的旋转加速度α_m。

·(步骤SB3)设i＝1。

·(步骤SB4)根据负载传感器的检测结果，来检测相位θ_i的向每个刀具把持部施加的力F_1i～F_mi。

·(步骤SB5)将在步骤SA4求出的F_1i～F_mi中的最大值设成F_maxi。

·(步骤SB6)将在步骤SB5求出的F_maxi与作为向刀具把持部施加的力的目标值而设定的F值进行比较，来判定F_maxi是否比F大。当F_maxi大于F时(是)进入步骤SB7，当F_maxi在F以下时(否)进入步骤SB8。

·(步骤SB7)将变更转塔的旋转速度时的步长值设定成dω，将ω_i的值仅减少dω。

·(步骤SB8)将ω_i的值仅增大dω。

·(步骤SB9)判定i的值是否等于m。当等于时(是)进入步骤SB11，当不等于时(否)进入步骤SB10。

·(步骤SB10)在i的值上加上1，返回步骤SB4。

·(步骤SB11)使用在步骤SB7或者SB8修正后的ω₁～ω_m的值，将每个相位θ₁～θ_m的旋转加速度α₁～α_m的值设为α_i＝(ω_i+1～ω_i)/(dθ/ω_i)，依次计算α₁～α_m。但是，通过式α_m＝(ω₁～ω_m)/(dθ/ω_m)来计算相位θ_m的旋转加速度α_m。

·(步骤SB12)根据负载传感器的检测结果，来检测相位θ_i的向每个刀具把持部施加的力F_1i～F_mi，将其中的最大值设为F_maxi。

·(步骤SB13)判定F_max1～F_maxm与F的差是否都小于被设定成与F的容许误差的dF的值。当都小于dF时(是)进入步骤SB14，当存在dF以上的值时(否)，返回步骤SB3重新进行计算。

·(步骤SB14)将ω_i、α_i的值设为相位θ_i的速度、加速度的值的决定值，结束该处理。

Claims (2)

1.一种机床的刀具更换装置，其具备绕相对铅垂方向倾斜的轴旋转来搬送刀具的转塔，该刀具更换装置的特征在于，

所述转塔具有以放射状设置的多个刀具把持部，

所述刀具更换装置具备：

计算单元，其具有安装在所述转塔的所述刀具把持部上的刀具的刀具重量数据以及所述刀具把持部中的所述刀具的刀具配置数据，根据该刀具重量数据以及该刀具配置数据，针对转塔旋转时的各旋转方向的位置使用各刀具的重量以及位置、转塔的旋转速度以及旋转加速度，根据向各刀具施加的离心力、重力、惯性力的合力计算向各刀具把持部施加的力，所述刀具配置数据是从所述刀具的重心到转塔的旋转轴的距离；

最大力计算单元，其从通过该计算单元计算出的向各刀具把持部施加的力中计算最大力；

转塔旋转动作决定单元，其预先设定向刀具把持部施加的力的目标值，针对各旋转方向的位置决定所述转塔的旋转速度以及旋转加速度，使得针对转塔旋转时的各旋转方向的位置的通过所述最大力计算单元计算出的所述最大力相对于所述目标值在预定的范围内；以及

控制装置，其使所述转塔按照通过该转塔旋转动作决定单元决定的、各旋转方向的位置的旋转速度以及旋转加速度的设定值来旋转。

2.一种机床的刀具更换装置，其具备绕相对铅垂方向倾斜的轴旋转来搬送刀具的转塔，该刀具更换装置的特征在于，

所述转塔具有以放射状设置的多个刀具把持部，

所述刀具更换装置具备：

负载传感器，其检测所述转塔旋转时向各刀具把持部施加的力的大小；

最大力计算单元，其从通过该负载传感器检测出的向各刀具把持部施加的力中计算最大力；

转塔旋转动作决定部，其预先设定向刀具把持部施加的力的目标值，针对各旋转方向的位置决定所述转塔的旋转速度以及旋转加速度，使得针对转塔旋转时的各旋转方向的位置的通过所述最大力计算单元计算出的所述最大力相对于所述目标值在预定的范围内；以及

控制装置，其使所述转塔按照通过该转塔旋转动作决定单元决定的、各旋转方向的位置的旋转速度以及旋转加速度的设定值来旋转。