CN108526970A - 机床 - Google Patents

Abstract

一种机床，包括：工件主轴(32)，其保持工件或工具；主轴电机(30)，其使工件主轴(32)旋转；机内机器人，其设置在机床(10)内部，并且是具有一个或多个关节的关节型机器人；以及多个齿轮其使所述一个或多个关节中最靠近底端的根关节(40)与所述主轴电机(30)彼此连接或断开。

Description

机床

相关申请的交叉引用

2017年3月2日提交的第2017-039501号日本专利申请的全文，包括说明书、权利要求书、附图和摘要，以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及切割和加工工件的机床。

背景技术

近年来，对机床的自动化和更高性能的要求日益增加。为了实现自动化，提出了自动更换器装置，例如自动更换工具的自动工具更换器(ATC)，以及自动更换其上安装有工件的面板的自动面板更换器(APC)。另外，外围装置，如工件供应装置(例如装载机和棒式供料器)，也是众所周知的。为了实现更高的性能，还采用了使用传感器的机内测量和智能系统。

此外，为了自动化或改善机床的性能，在一些情况下，提出了关节型机器人的使用。例如，专利文献JP 2010-64158 A中公开了如下技术，其中，提供了在附接于机床的上部外侧的龙门轨道上行走的关节型机器人，由该关节型机器人执行工件等在多个机床之间的运送。

关节型机器人通常具有一个或多个关节。关节型机器人通过使关节旋转或线性移动(平移)来改变其位置和取向。因此，当设置有关节型机器人时，必须设置用于驱动关节的致动器。

在关节型机器人的一个或多个关节中，在最靠近底端的根关节处承受最大的负载(力矩)。因此，要求驱动根关节的致动器具有足够大的功率以抵抗较大的负载。特别是，当使用关节型机器人来处理诸如工件或大型传感器等重物时，必须将用于根关节的致动器的功率设为大功率。

然而，当将用于根关节的致动器的功率设为大功率时，会产生诸如致动器的尺寸和成本增加等问题。特别是，当关节型机器人完全收纳在机床内部时，由于只有有限的放置空间，致动器尺寸的增加、从而导致的关节型机器人尺寸的增加会带来严重的问题。

因此，本发明公开了一种具有尺寸小且功率大的机内机器人的机床。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种机床，该机床包括：保持构件，其保持工件或工具；第一电机，其使所述保持构件旋转或移动；机内机器人，其设置在所述机床的内部，并且是具有一个或多个关节的关节型机器人；和连接机构，其使所述一个或多个关节中最靠近底端的根关节与所述第一电机彼此连接或断开。

根据本发明的另一方面，所述机床还可以包括根关节致动器，其与所述第一电机分开设置并驱动所述根关节。

根据本发明的另一方面，在所述根关节和所述第一电机彼此连接的期间，所述根关节致动器可以被设为自由状态或者可以与根关节断开。

根据本发明的另一方面，所述根关节是会旋转的旋转关节，所述保持机构可以随着所述第一电机的驱动而旋转。

根据本申请的另一方面，所述保持构件的旋转轴与所述根关节的旋转轴可以彼此不重合，所述根关节可以通过多个传动机构与所述第一电机连接或断开。

根据本发明的另一方面，所述保持构件的旋转轴与所述根关节的旋转轴可以彼此重合，在所述根关节和所述保持构件中的其中一个上可以设置有接合元件，在所述根关节与所述保持构件中的另一个上可以设置有被接合元件，该被接合元件在圆周方向上与所述接合元件连接或从所述接合元件脱离。

根据本发明的另一方面，所述保持构件可以是以自转的方式保持工件的工件主轴。

根据本发明所公开的机床，所述根关节能够根据需要使用所述第一电机的动力来使所述保持构件旋转或移动。因此，能够在减小驱动所述根关节的致动器的尺寸的同时为所述根关节设定较大的功率。结果是能够获得具有功率大而尺寸小的机内机器人的机床。

附图说明

将参照以下附图说明本发明的实施例，其中：

图1为机床的透视图；

图2是展示工件主轴和根关节的致动机构的示意图；

图3是展示工件的附接流程的流程图；

图4是靠近另一机床的根关节的区域的透视图；

图5是靠近另一机床的根关节的区域的示意性横截面图。

具体实施方式

现将结合附图，说明机床10的结构。图1是示意性地展示机床10的结构的图。在下面的描述中，将工件主轴32的旋转轴方向称为Z轴，与Z轴正交的工具架18的移动方向称为X轴，且与X轴和Z轴正交的方向称为Y轴。另外，在Z轴上，将从工件主轴32朝向尾座16的方向设定为正方向，在X轴上，将从工件主轴32朝向工具架18的方向设定为正方向，在Y轴上，将从工件主轴32朝向上方的方向设定为正方向。

机床10为车床，该车床通过使由工具架18保持的工具与自转工件接触来加工工件。机床10是称为车削中心的车床，该车削中心为NC控制且保持多个工具。机床10的主体12外周被覆盖物(未图示)所覆盖。由该覆盖物限定的空间为加工室，在加工室中执行工件的加工。覆盖物上设置有至少一个开口和门(二者均未展示)，所述门用于打开或关闭所述开口。操作者通过所述开口接近机床10的主体12、工件等。加工过程中，设在开口上的门是关闭的。这是为了安全和周围环境。

主体12包括工件主轴装置14、工具架18、尾座16和机内机器人20，其中，工件主轴装置14以自转的方式保持工件的一端，工具架18保持所述工具，尾座16支撑工件的另一端。工件主轴装置14包括连接到主轴电机(未在图1中展示)的工件主轴32。工件主轴32作为以旋转的方式保持工件的保持构件发挥作用。工件主轴32随着主轴电机的驱动而绕平行于Z轴的旋转轴Rw自转。在工件主轴32的尖端，设置有可拆卸地保持所述工件的卡盘33或夹头，并且所述工件可以适当地更换。

在工件主轴装置14的附近附接有机内机器人20。机内机器人20用于帮助加工、各种感测操作、辅助工作等。稍后将详细描述机内机器人20的结构和功能。

尾座16与工件主轴装置14相对地放置在Z轴方向，并支撑由工件主轴装置14保持的工件的另一端。尾座16放置在其中心轴与工件旋转轴Rw重合的位置。具有被削尖成圆锥形状的尖端的中心附接到尾座16，并且在加工期间使该中心的尖端接触工件的中心点。尾座16可沿Z轴方向移动，使得尾座16可以朝向工件或远离工件移动。

工具架18保持工具，例如称为刨刀(Bite)的工具。工具架18可沿Z轴方向移动。此外，工具架18安装在沿X轴延伸的导轨上，并且可以沿X轴来回移动。工具架18的尖端处设有转塔19，该转塔19可以保持多个工具。所述转塔19可围绕沿Z轴方向延伸的轴旋转。随着转塔19的旋转，可以适当地改变用于加工工件的工具。随着工具架18沿Z轴方向的移动，保持在转塔19上的工具沿Z轴方向移动。另外，随着工具架18沿X轴方向的移动，保持在转塔19上的工具沿X轴方向移动。此外，随着工具架18沿X轴方向的移动，能够改变通过工具等切削工件的切削量。

控制装置34根据操作者的指令控制机床10的各部分的动作。例如，该控制装置34包括执行各种计算的CPU以及存储各种控制程序和控制参数的存储器。该控制装置34还具有通信功能，且可以与其他装置交换各种数据，例如，NC程序数据等。控制装置34可以包括例如始终计算所述工具和工件的位置的数字控制装置。该控制装置34可以是单个装置，也可以是多个计算装置的组合。

接下来，将详细说明机内机器人20。机内机器人20是设置在机床10的内部的关节型机器人，更具体地说，设置在加工室中。机内机器人20包括多个臂、多个关节以及一末端执行器46。机内机器人20的多个(在附图中示例出的配置中为3个)臂通过关节彼此连接。在每个关节上附接具有电机或类似物的致动器，通过致动器的动作使各关节旋转或线性移动。致动器的动作由控制装置34控制。控制装置34根据设置于各关节处的致动器的动作量来计算后述的末端执行器46的位置。在多个关节中，最靠近底端的根关节40是绕旋转轴Rr自转的旋转关节，该旋转轴Rr与工件主轴32的旋转轴Rw平行。

末端执行器46设置在机内机器人20的尖端处。末端执行器46没有特别限定，只要末端执行器46是作用于目标物的元件即可。因此，末端执行器46例如可以是用于保持目标物的保持机构。保持的形式可以是用一对构件夹住并持有目标物的手状形式、吸住并保持目标物的形式或利用磁力等保持目标的形式。图1示例出了手状形式的末端执行器46。作为另一种形式，末端执行器46可以是按压目标物的按压机构。例如，末端执行器46可以是按压在工件上并抑制工件振动的辊子等。

作为另一种形式，末端执行器46例如可以是检测是否与目标物接触的接触传感器、检测与目标物的距离的距离传感器、检测目标物的振动的振动传感器、检测由目标物施加的压力的压力传感器、检测目标物的温度的温度传感器等。将这些传感器的检测结果与根据关节的动作量计算出的末端执行器46的位置信息相关联地存储，并对所述检测结果进行分析。例如，当末端执行器46是接触传感器时，控制装置34基于检测到与目标物接触的时间和在该时间的位置信息，分析所述目标物的位置、形状和运动。

可选地，作为另一种形式，末端执行器46可以是输出用于帮助加工的流体的装置。更具体地，末端执行器46可以是排出用于吹切屑的空气的装置，或排出用于冷却工具或工件的冷却流体(切削油、切削水等)的装置。此外，末端执行器46可以是放出能量或用于工件形成的材料的装置。因此，末端执行器46例如可以是发射激光或电弧的装置，也可以是排出用于分层和形成的材料的装置。可选地，作为另一种形式，末端执行器46可以是使目标物成像的照相机。在这种情况下，由照相机获得的视频图像可以显示在操作面板或类似物上。

其上作用有末端执行器46的目标物，没有特别限定，只要该目标物是加工室内的物体即可。因此，目标物可以是保持在工件主轴装置14上的工件或保持在工具架18上的工具。此外，目标物也可以不是工具和工件，而是例如在加工室内扩散的切屑、组装到工件上的部件、或者机床10的构成部件(例如，工件主轴装置14的卡盘33)。

合适时可以将末端执行器46设为可更换的。例如，可以在加工室的里面或外面准备多种类型的末端执行器46，并且可以将附接在机内机器人20上的末端执行器46设置为可根据使用情况改变的。

接下来将描述机内机器人20的动作，特别是根关节40的动作。如上所述，机内机器人20可以通过适当地移动多个关节来改变该机器人的取向。在该过程中，较大的力矩施加在机内机器人20的底端侧，即施加在根关节40上。特别地，当机内机器人20的臂伸长为长形形式时，或者在当机内机器人20的尖端设置有重物时，根关节40上的负载变大。这里，当将保持机构设置为末端执行器46时，保持在保持机构上的工件相当于这样的重物。在一些情况下，末端执行器46本身可以是重物，例如在末端执行器46是重量级工具等的情况下。

在任何情况下，当根关节40上的负载变大时，用于驱动根关节40的扭矩也必须增加。然而，当将驱动根关节40的致动器的功率设为大功率时，尺寸和成本也将显著增加。另一方面，旋转驱动工件主轴32的主轴电机具有非常大的功率，但是一般来说，主轴电机仅在工件的加工期间驱动，并且在工件不被加工的期间仅被轻微地驱动。因此，在本发明所公开的机床中，使工件主轴32旋转的主轴电机根据需要与根关节40连接或断开。

现将参照图2来描述该配置。图2是工件主轴32和根关节40的致动机构的示意图。工件主轴32由多个轴承26以可旋转的方式可枢转地支撑。工件主轴32的底端通过联轴器28与大功率的主轴电机30连接，并且工件主轴32随着主轴电机30的旋转而旋转。因此，主轴电机30作为第一电机发挥作用，该第一电机使工件主轴32旋转、进而使工件主轴32所保持的工件旋转。这里，主轴电机30和工件主轴32直接连接，但可选地，也可以根据需要插入减速齿轮。

用于驱动根关节40的根关节致动器连接到根关节40。可以考虑各种结构作为根关节致动器的结构。在附图中示例出的配置中，所述致动器包括传动轴37和通过联轴器38连接到传动轴37的根关节电机36。传动轴37固定在根关节40上，并与根关节40一体旋转。传动轴37也由多个轴承35可枢转地支撑。传动轴37的底端通过联轴器38连接到根关节电机36，并且传动轴37也随着根关节电机36的旋转而旋转。可选地，也可以在根关节电机36和传动轴37之间插入减速齿轮等。

从图2中可清楚地看出，在工件主轴32的外周固定有第一齿轮50，在传动轴37的外周固定有第二齿轮52。在第一齿轮50和第二齿轮52之间设置有与该两齿轮都啮合的连接齿轮54。连接齿轮54能够在与工件主轴32平行的方向上来回移动，并且随着该移动，连接齿轮54与第一齿轮50和第二齿轮52啮合，或者与第一齿轮50和第二齿轮52的脱离啮合。在连接齿轮54与第一齿轮50和第二齿轮52啮合的连接状态下，根关节40通过传动轴37、第二齿轮52、连接齿轮54、第一齿轮50、工件主轴32以及联轴器28与主轴电机30连接。在这种情况下，利用主轴电机30的动作旋转驱动根关节40。当使用主轴电机30驱动根关节40时，根关节电机36可以被设为没有施加扭矩的自由状态，或者可以被同步控制以与主轴电机30同步移动。此外，可以将第一齿轮50和第二齿轮52的齿数设为不同，以施加齿轮减速或齿轮加速。可选地，可以设置两对或更多对齿轮，以允许改变齿轮减速比。这里所描述的连接机构仅仅是示例性的，可以使用其他结构，例如离合器机构等，只要该结构能够根据需要使根关节40和主轴电机30连接或断开即可。

在具有这样的结构的根关节40中，当不需要较大的扭矩时，该根关节与主轴电机30的连接被断开，并且根关节40由根关节电机36驱动。另一方面，当需要较大的扭矩时，根关节40与主轴电机30连接，并且该大功率的主轴电动机30取代根关节电机36、或者与根关节电机36一起驱动所述根关节40。换言之，根据所需的扭矩切换根关节40的动力源。

可以考虑各种情况作为需要较大的扭矩的情况。例如，可以考虑使用机内机器人20使工件附接或分离的情况。具体地，当将能够保持工件的保持机构设置为机内机器人20的末端执行器46时，工件能够通过机内机器人20运送。在运送的工件为重物时，根关节40需要较大的扭矩。在这种情况下，期望将根关节40连接到大功率的主轴电机30上。现将参照图3来描述该过程的细节。

图3是展示使用机内机器人20将工件附接到工件主轴装置14的卡盘33上的过程的流程图。当使用机内机器人20将工件附接到卡盘33时，首先将主轴电机30和根关节40连接起来(S12)。具体地，移动连接齿轮54以与第一齿轮50和第二齿轮52啮合。

接着，驱动机内机器人20的关节，以拾取放置在加工室等的外面的工件，将由末端执行器46保持的工件运送到卡盘33附近的区域(S14)。在该过程中，根关节电机36被设置为自由状态，而根关节40由主轴电机30驱动。利用这样的配置，无需同步开启根关节电机36和主轴电机30，从而使得控制被简化。此外，在运送工件时，即使对根关节40施加较大的负载，但通过利用主轴电机30驱动根关节40，也可以获得较大的扭矩。

当工件被运送到卡盘33附近的区域时(S16中为是)，为了限制根关节40和卡盘33(从而工件主轴32)的旋转，主轴电机30被制动以产生制动扭矩(S18)。通过该过程，使得工件主轴32和卡盘33的旋转停止。

当主轴电机30被制动并且卡盘33的旋转停止时，控制装置34使其他关节移动，以将工件附接到卡盘33上(S20)。当完成工件的附接时(S22中为是)，解除根关节40与主轴电机30的连接(S24)。换言之，使连接齿轮54移动以解除该连接齿轮与第一齿轮50和第二齿轮52的啮合。通过该过程，使得工件主轴32可独立于根关节40自由旋转。

机内机器人20缩回到不妨碍工件加工的位置(S26)。在该阶段，工件的附接已经完成，并且机内机器人20的尖端上不存在重物(工件)。因此，无需较大的扭矩来驱动根关节40。所以，在该过程中，根关节40由具有相对较小功率的根关节电机36驱动。

如上所述可知，在本配置中，根关节40与主轴电机30仅在机内机器人20保持工件期间彼此连接。当机内机器人20保持着工件时，较大的负载被施加到根关节40。通过将大功率的主轴电机30连接到根关节40，能够增加根关节40的输出扭矩。另外，在运送工件期间(S14)，不执行加工等。因此，即使工件主轴32与根关节40协同旋转也没有问题。而且，在工件主轴32停止旋转的工件的附接期间(S20)，根关节40的旋转也停止。换言之，运送工件期间(S14)和附接工件期间(S20)都是工件主轴32与根关节40的协同动作不造成问题的期间。通过仅在协同操作不造成任何问题的期间连接根关节40和主轴电机30，可以适当地移动根关节40而不会妨碍加工操作等。另一方面，在工件主轴32和根关节40不可能协同操作的期间，必须使根关节40和主轴电机30彼此断开。至于不可能进行协同操作的期间，例如正在加工工件的期间就相当于这种期间。

在图3的示例性配置中，为了获得足够的制动扭矩，在根关节40被制动的工件附接期间(S20)，也使根关节40和主轴电机30连接。然而，如果在不连接的情况下能够获得足够的制动扭矩，那么在工件运送完成时，可以解除根关节40和主轴电机30之间的连接。例如，当单独设置用于限制根关节40的旋转的制动机构等时，该制动机构可以被设定为有效，并且在工件运送完成时，根关节40与主轴电机30之间的连接可以被解除。此外，当机内机器人20延伸为长形形式时，施加于根关节40的负载较大，而当机内机器人20被折叠成小尺寸时，施加于根关节40的负载较小。因此，如果在将工件运送到卡盘33附近的区域时机内机器人20被折叠成小尺寸，则可以说施加于根关节40的负载较小。在这种情况下，在工件运送完成时，可以解除根关节40与主轴电机30之间的连接，并且可以通过根关节电机36获得制动扭矩。

此外，图3中说明了在运送工件时和附接工件时使根关节40与主轴电动机30彼此连接的示例情况。可选地，也可以在其他情况下使根关节40和主轴电机30连接，只要该情况是即使根关节和工件主轴32协同操作也没有问题的情况即可。例如，可以考虑这样机床，其中在加工室的外面放置多种类型的末端执行器46，且机内机器人根据需要更换末端执行器46。在这种情况下，当末端执行器更换为设置在加工室外面的末端执行器46时，机内机器人20必须将所述臂延伸为长形形式。在该过程中，较大的负载被施加至根关节40，因此可以采用这样的配置：其中，仅在所述臂被延伸为长形形式的期间使根关节40和主轴电机30彼此连接。

此外，通常在加工工件期间，工件主轴32也以预先设定的转速旋转。因此，根关节40与主轴电机30之间的连接被解除。换言之，在执行使用由保持构件(工件主轴32)保持的构件(工件)的加工的期间，第一电机(即主轴电机30，该第一电机使保持构件移动)和根关节40之间的连接被解除。然而，在机床中也存在具有多个工件主轴32的机床。在这种情况下，在加工由1个工件主轴32保持的工件的期间，对应于其他工件主轴32的主轴电机30可以和根关节40彼此连接。另外，在上述描述中，设置有用于驱动根关节40的专用电机；即设置有根关节电机36，但是可选地，在某些情况下，也可以省略根关节电机36。

而且，在上述描述中，示例了根关节40的旋转轴Rr与工件主轴32的旋转轴Rw彼此不重合且相互平行的情况。可选地，旋转轴Rw和Rr也可以彼此重合。现将参照图4和图5说明该配置。图4和图5是示出Rr和Rw这两个旋转轴彼此重合的配置例的图。在图4和图5的结构中，根关节40是位于工件主轴32的外周的大致环状的构件。根关节40相对于工件主轴32可旋转地附接。

在工件主轴32的位于轴向方向的端面上设置有沿径向方向来回移动的接合构件56。另外，在根关节40上形成有容纳接合构件56的一部分并且与接合构件56接合的接合槽58。当需要较大的扭矩来驱动根关节40时，使设置于工件主轴32上的接合构件56沿径向方向向外侧移动，以使接合构件56与设置于根关节40上的接合槽58接合。利用这种配置，根关节40可以在大功率的驱动电机的驱动下与工件主轴32相连接地旋转。另一方面，当期望独立地移动根关节40和工件主轴32时，使设置在工件主轴32上的接合构件56沿径向方向缩回到内侧，以使接合构件56与设置在根关节40上的接合槽58脱离。利用这种配置，使得根关节40和工件主轴32可以彼此独立地移动。在图中示出的示例性配置中，接合部件56设置在工件主轴32上，接合槽58设置在根关节40上，但可选地，这些构件也可以以相反的方式设置。即，接合槽58也可以设置在工件主轴32的侧面上。

另外，在上述描述中，根关节40与驱动所述工件主轴32的主轴电机30连接。可选地，根关节40也可以与其他电机连接，只要该电机是使用于保持工具或工件的保持构件旋转或移动的电机即可。例如，根关节40可以适当地与用于使转塔19(即保持构件，该转塔19用于保持所述工具)转动的电机连接或断开。在这种情况下，机内机器人20优选设置在附接有转塔19的工具架18上。

此外，在被称为加工中心和具有利用旋转工具切削工件的旋转切削功能的多任务机器的机床中，设置有以旋转的方式保持旋转工具的工具主轴装置、放置工件的工作台等。在这样的机床中，存在一些情况，其中设置有摆动电机和工作台电机等，摆动电机用于使工具主轴装置绕着与工具旋转轴大致正交的轴摆动，工作台电机用于使工作台旋转。在这种情况下，机内机器人20的根关节40可以与这些电机连接或断开。

另外，在上述描述中，仅说明了根关节40与使用于保持工件或工具的保持构件(诸如工件主轴32和工具主轴装置)旋转的电机连接的示例性配置。可选地，根关节40也可以与使所述保持构件线性移动的电机连接。例如，在图1所示的机床10的情况中，内置有使工具架18和尾座16沿Z方向线性移动的Z轴电机。机内机器人20可以位于放置有工具架18和尾座16的底座22上，并且可以将根关节40设为能够沿Z方向线性移动的线性移动关节。根关节40和Z轴电机可根据需要彼此连接或断开。

Claims (9)

1.一种机床，包括：

保持构件，其保持工件或工具；

第一电机，其使所述保持构件旋转或移动；

机内机器人，其设置在机床内部，并且是具有一个或多个关节的关节型机器人；以及

连接机构，其使所述一个或多个关节中最靠近底端的根关节与所述第一电机彼此连接或断开。

2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，进一步包括：

根关节致动器，其与所述第一电机分开设置并驱动所述根关节。

3.根据权利要求2所述的机床，其特征在于，

在所述根关节和所述第一电机彼此连接的期间，所述根关节致动器被设置为自由状态或者与所述根关节断开。

4.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，

所述根关节是能够旋转的旋转关节，且

所述保持构件随着所述第一电机的驱动而旋转。

5.根据权利要求2所述的机床，其特征在于，

所述根关节是能够旋转的旋转关节，且

所述保持构件随着所述第一电机的驱动而旋转。

6.根据权利要求3所述的机床，其特征在于，

所述根关节是能够旋转的旋转关节，且

所述保持构件随着所述第一电机的驱动而旋转。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的机床，其特征在于，

所述保持构件的旋转轴与所述根关节的旋转轴彼此不重合，并且

所述根关节通过多个传动机构与所述第一电机连接或断开。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的机床，其特征在于，

所述保持构件的旋转轴与所述根关节的旋转轴彼此重合，

在所述根关节和所述保持构件中的其中一个上设置有接合元件，且

在所述根关节和所述保持构件中的另一个上设置有被接合元件，该被接合元件沿圆周方向与所述接合元件接合或从所述接合元件脱离。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的机床，其特征在于，

所述保持构件是以自转的方式保持工件的工件主轴。