CN110640550A - 数控加工中心、加工岛及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数控加工中心、加工岛及加工方法，加工中心包括加工主轴、加工区、物料区、机械手及刀库，加工区位于加工主轴下方，物料区位于加工区的前方，刀库位于加工主轴的前方，机械手包括承载体，在承载体正面上设置用于取放物料的取放部，承载体背面上设置用于取放刀头的单刀夹或刀夹组。同一承载体上整合设置用于取放物料的取放部及用于取放加工刀头的单刀夹或刀夹组，实现了一个机械手综合换料和换刀的集成化结构，尤其是配合了设置在加工主轴前的刀库及设置在加工区前的物料区，保证了同一个机械手能够在加工区与物料区之间及加工主轴与刀库之间的双路径同时运行，可以有效的提升数控加工中心的运行效率。

Description

数控加工中心、加工岛及加工方法

技术领域

本发明涉及数控机床加工技术领域，具体涉及一种数控加工中心、加工岛及加工方法。

背景技术

众所周知，数控机床行业普遍将刀库设置成独立的标准功能单元，安装在主轴附近，以实现换刀；通过在机床合适的位置设置独立的机械手或机器人，完成对机床工件的上下料作业。

多主轴定梁式龙门加工中心，在批量小型零部件加工领域得到了广泛的应用，虽然目前的数控机床中对于取放料机械手的存在方式有多种多样，但现有的机械手仅限于取放物料，例如申请号为201510316063.2公开了一种自动上下料装置，主要解决多主轴机床板材类零件的自动上下料；虽然目前的数控机床中需要解决主轴更换刀头以实现加工不同形状、材质的物料，但现有的刀库也均是配备独立的取放刀头机械手，例如申请号201811521214.8公开了一种用于定梁式龙门多主轴机床的刀库装置、机床及换刀方法。在本领域的技术人员看来，数控机床的精度和稳定性是需要第一保障的，多数技术人员的设计思路是如何实现取放料机械手能够一次性运送更多的物料，或者如何实现刀头取放机械手一次性运送更多的刀头，以提升生产效率，由于取放料机械手与刀头取放机械手的取放对象存在形状、材质上的较大差异，两种机械手会是完全不同的结构，例如在物料加工的数控机床中，取放料机械手是配备吸盘的，刀头取放机械手是配备夹爪的。尤其是加工中尽量减少取放料机械手被干涉影响，以防止加工精度受到影响的设计思路一直深入设计人员内心，导致目前的数控加工机床，不论是单主轴还是多主轴，仍然是取放料机械手和刀头取放机械手各自独立有序运行，换料与换刀都是分开来实现的，利用不同的机构或独立的功能单元来分别实现换料和换刀。

但是随着时代变迁、科技发展，从目前加工工艺需求理解，机床即要具备自动换刀功能，又要具备自动换料功能，而通过不同功能的机构、机械手、机器人来实现，移动线路长，运动结构复杂，成本高昂。

另外，在上述背景下，自动化加工岛、柔性制造系统也陆陆续续应运而生。但是现有的基于单主轴或多主轴加工中心组成的自动化加工岛、柔性制造系统涉及到庞大而复杂的刀库、机械手和物料移送系统，占用场地面积大，控制较为离散。而针对目前多品种、短周期的产品市场，大多加工系统柔性不高，切换加工对象效率低。

发明内容

本发明提供一种数控加工中心、加工岛及加工方法，以解决上述问题。

本发明提供的一种数控加工中心，包括加工主轴、加工区、物料区、机械手及刀库，加工区位于加工主轴下方，物料区位于加工区的前方，刀库位于加工主轴的前方，机械手包括承载体，在承载体正面上设置用于取放物料的取放部，承载体背面上设置用于取放刀头的单刀夹或刀夹组，刀夹组包括用于更换刀头时夹取旧刀头的刀夹和夹取新刀头的刀夹，承载体在加工区和物料区之间及加工主轴和刀库之间移动用于换料及换刀。

优选地，承载体在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部安装于取放台端部正面使拾取的物料位于承载体正面，承载体的背面安装刀夹组，刀夹组的两个刀夹沿承载体长度方向并排设置或沿承载体宽度方向并列设置使夹取的刀头位于承载体背面。以合理的结构完全避免了换料和换刀过程中物料与刀头可能产生的干扰。

优选地，承载体在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部安装于取放台端部正面使拾取的物料位于承载体正面，单刀夹或刀夹组中的刀夹设置在承载体背面上且与承载体宽度方向延伸的取放台垂直设置形成L形结构。以最简化的结构实现抗干扰的换料和换刀。

优选地，承载体沿长度方向延伸形成长条承载体，在承载体的长度方向上排列设置两个以上取放部，在承载体上也对应设置两个以上的单刀夹或刀夹组。适用于多主轴加工，长条承载体保证充足的安装空间，提升加工荷载量。

优选地，单刀夹或刀夹组安装在承载体背面上，承载体的正面则在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部设置在承载体正面的取放台上使得取放部在承载体宽度方向上偏离刀夹或刀夹组。进一步保证了取放部与单刀夹或刀夹组之间的抗干扰性，防止相互之间在取放料或取放刀头时发生干扰。

优选地，一个取放部包括两个拾取器，同一取放部的两个拾取器分别设置在承载体宽度方向的两侧用于其中一拾取器拾取加工区的已加工物料后另一拾取器相对于加工区可平移地将待加工物料填补到该加工区，取放部对应的单刀夹或刀夹组位于该取放部的两个拾取器之间。在保证尽可能多的一次性取放物料的同时还能够保证取放部与单刀夹或刀夹组之间的抗干扰性。

优选地，承载体沿一横向旋转轴转动形成旋转承载体。能够实现灵活的上下料方式，具有更宽泛的适配应用场景。

优选地，机械手包括用于驱动承载体相对于设置的物料区、刀库区及加工区移动的机械手驱动机构。具有驱动机构的机械手能够有利于直接适配于数控机床上。

优选地，机械手驱动机构包括可在物料区、刀库区及加工区之间移动的纵向滑台，承载着承载体可在纵向滑台上上下移动的竖向滑台。该驱动机构能够保证至少在YZ轴实现全覆盖，更有利于配合现有加工主轴在XZ轴全覆盖的运动系统。

优选地，竖向滑台上设置了可使承载体沿一旋转轴转动的转动驱动器，承载体设置在转动驱动器上形成旋转承载体。承载体设置在转动驱动器上，有利于灵活操作，减少空间占用，提升效率。

优选地，纵向滑台、竖向滑台均设置两个且分别对应在承载体长度方向的两侧与承载体共同构成龙门式机械手驱动机构。这种龙门式结构能够充分保证承载体的稳定性，最大限度的减少承载体抖动，保证加工精度，也能够提升运行效率和速度。

优选地，加工区内设置有可纵向滑动的移动工作台，加工主轴可在横向及竖向上运动。移动工作台与加工主轴及机械手配合能够有效提升换料、换刀及整体加工效率。

优选地，还包括机台，机台的一端设置龙门架，龙门架上安装有加工主轴，龙门架向前延伸出用于固定安装刀库的刀库架使得刀库位于加工主轴与物料区之间的上方。刀库架与龙门架共用一体，能够节省空间，还能够进一步减小机械手的运动行程，提升效率。

优选地，刀库还设置了用于驱动刀库沿横向设置的刀库轨道移动的对刀驱动机构，或者机械手设置驱动承载体相对刀库横向移动的机械手横移机构。刀库相对于机械手可横移的设计能够加倍提升换刀效率。

优选地，物料区内设置料盒，承载体正面上沿长度方向排布至少两组以上取放部时，料盒中设置两个以上且待加工和已加工物料可排列共用的料槽，刀库内也相应设置两列以上与承载体上单刀夹或刀夹组对应的刀头安装座组，取放部、料槽及刀头安装座组在纵向上保持一一对应。相关部件一一对应的设计有利于扩展多工位加工，从而大幅提升加工效率，并保证加工精度。

优选地，承载体为一承载板，承载板上横向分布取放部，承载板的横向一端安装在转动驱动器上，每组取放部的两个拾取器以转动驱动器横向的翻转轴线为中线直接设置于承载板同面两侧。承载体与取放部形成十字形结构有利于在简化结构的基础上提升荷载量，且能够避免对刀夹组的干扰。

优选地，承载板位于相邻的取放部之间设置开口朝外的避让槽。避让槽的设计能够减轻整个取放部的重量，也能够降低取放部与物料区的干扰。

本发明中提供的一种加工岛，包括上述的数控加工中心，以物料区为中心在纵向上两侧设置两个加工区、两组加工主轴、两个刀库，一个机械手可以在两个加工主轴之间运动。此结构加工岛的设计，实现了一种占用空间小，结构简单紧凑，移动线路短，功能共享，生产效率高，成本经济，稼动快捷的自动化加工中心。

本发明还提供一种应用于加工中心的加工方法，包括如下步骤：

换刀时，承载体背面的刀夹组中其中一刀夹将旧刀头插入到刀库内，另一刀夹将刀库中的新刀头取出，承载体移动至加工主轴下方的换刀点，空闲的刀夹将加工主轴上的旧刀头取下，夹持新刀头的刀夹将新刀头装至加工主轴上；

换料时，承载体正面的取放部拾取加工区的已加工物料放回物料区，承载体正面的取放部拾取物料区的待加工物料放入至加工区。

优选地，加工中心的承载体上设置的一个取放部在宽度方向上两侧设置了两个拾取器，换料时，承载体正面的取放部拾取加工区的已加工物料放回物料区，承载体正面的取放部拾取物料区的待加工物料放入至加工区的步骤包括：加工主轴在加工区加工物料时，取放部的其中一个拾取器空闲另一个拾取器已经由物料区拾取了一个待加工物料并等候在加工区，加工主轴对加工区内物料加工完成后，取放部的空闲拾取器拾取加工区内的已加工物料，取放部相对于加工区移动将待加工物料放入到加工区内，取放部将已加工物料放回至物料区时，加工主轴对加工区内的待加工物料开始加工。

上述技术方案可以看出，由于本发明采用一承载体上整合设置用于取放物料的取放部及用于取放加工刀头的单刀夹或刀夹组，实现了一个机械手综合换料和换刀的集成化结构，而且单刀夹或刀夹组与取放部在承载体上的正反面，能够进一步保证机械手在换料和换刀时不会发生干扰，保证了机械手换料和换刀的稳定性和精准性，尤其是配合了设置在加工主轴前的刀库及设置在加工区前的物料区，使得机械手在物料区与加工区之间运动工作时还同时覆盖了刀库与加工主轴之间的路径，保证了同一个机械手能够在加工区与物料区之间及加工主轴与刀库之间的双路径同时运行，可以有效的提升整个数控机床的运行效率，也能够有利于压缩整个数控机床的空间结构，从根本上实现了占用空间小，结构简单紧凑，移动线路短，功能共享，生产效率高，成本经济，稼动快捷的自动化加工中心。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例1中包括了数控加工中心的加工岛的立体结构示意图；

图2是本发明实施例1中加工岛的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例1中加工岛的俯视结构示意图；

图4是本发明实施例1中机械手的结构示意图；

图5是本发明实施例1中图4的A部结构放大示意图；

图6是另一实施例中承载体的结构示意图；

图7是本发明实施例1中承载体上取放部在料槽内换料的结构示意图；

图8是本发明实施例1中承载体上取放部在加工台上换料的运行示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

在本实施例中以及接下来的其他实施例中，明确方位有利于读者更清楚的理解技术方案，但并不绝对限定当设备重新摆放后的方向定义。以图1为参考，X轴方向为横向，即承载体延伸的方向为代表，Y轴方向为纵向，即取放部由物料区至加工区被驱动的方向为代表，Z轴方向为竖向，即加工主轴的上下方向为代表。

本发明实施例提供一种数控加工中心，如图1至图8所示，包括加工主轴1、加工区、物料区、机械手5及刀库6。加工区位于加工主轴下方，物料区位于加工区的前方，刀库位于加工主轴的前方，刀库位于加工主轴的前方包括前上方或前下方，并不一定要求是正前方。

加工主轴1包括了主轴电机11及加工刀头12，加工刀头12可更换以便于加工不同类型的工件物料。

有些场合下加工区内只有一个加工台，该加工台则为加工区，有些场合下，加工台是可纵向移动的，加工台设置在移动工作台上与移动工作台一同运动，则移动工作台活动的区域作为加工区。加工区位于加工主轴1下方，加工区是一个人为划定区域，与物料区形成区分，物料在该加工区的区域内被加工主轴加工，本实施例中加工区内设置了移动工作台20，移动工作台上设置加工台2，物料实际上是在移动工作台上的加工台上进行加工，加工台可根据物料型号进行调整，因此加工台是在移动工作台以可拆卸方式安装的，移动工作台20能够在机台的纵向移动，加工区内设置用于移动工作台在纵向上移动的纵向滑轨，移动工作台由一工作台驱动器驱动沿纵向滑轨纵向移动，一方面能够缩短机械手的行程，另一方面能够使加工区变得灵活，移动工作台前移避开加工主轴的位置进行换料，减少干扰，换料更快速。

为了便于理解，需要进一步说明的是，本实施例是以雕铣雕刻的加工主轴为例，但是对于其他加工机中可以是扫光机、抛光机，物料以电子产品的玻璃屏为例，当然在其他实施例中加工主轴可以是其他主轴，物料也并不局限于屏幕材料。作为需要密闭环境加工的加工中心来说，还包括机台9，机台可以采用大理石机台或金属机台，机台上可以设置防护罩使加工环境封闭，保障安全。机台一端(即纵向上的一侧)设置龙门架，龙门架采用定梁式龙门架91，定梁式龙门架91上设置横向轨道及用于驱动加工主轴在横向轨道上移动的横向驱动器92，加工主轴1是可以相对于加工区在竖向和横向上位移，机台9上位于加工主轴1下方处设置可在机台上纵向移动的移动工作台20。本实施例中刀库架作为龙门架的一部分，刀库架与龙门架共用一体，能够节省空间，刀库架使刀库位于加工区与物料区之间，还能够进一步减小机械手的运动行程，提升效率。

对于数控机床而言，需要加工不同物料，或者需要对同一物料进行不同的加工，则更换刀头是需要面对的设计，本实施例中龙门架91向前延伸出用于固定安装刀库6的刀库架93使得刀库位于加工主轴与物料区之间的上方，刀库6内设置了与加工主轴1相对应的刀头安装座61，为了更高效的换刀，刀库内的刀头安装座是两个成组以对应一个加工主轴，即一个加工主轴对应一列刀头安装座组，由于一个加工主轴对应一个刀夹组的两个刀夹62，因此一个刀夹组的两个刀夹也对应了一个刀头安装座组。

本实施例中以刀夹组包括两个刀夹为示例作出结构和原理的讲解，而在承载体上设置单刀夹的结构和原理亦可以参照本实施例理解。事实上将刀夹组中的两个刀夹更换成单刀夹只是在工作效率上会减半，而结构和原理均不会做出实质改变，例如单刀夹与承载体上取放部垂直设置成L形结构，刀夹组则是两个刀夹都与取放部垂直设置成L形结构，而且单刀夹的结构与刀夹组中的刀夹结构可以是一致的，只是在数量上比刀夹组少一个刀夹而已，刀夹组中的两个刀夹以人为定义而作为一个整体，在更换刀头时互相配合，实现一个更换动作中既能够取下旧刀头又能够同步的把新刀头随后更换上，效率加倍。

机械手一方面用于为加工中心提供取放料功能，加工中心包括料槽区内的料盒3及用于将物料4在料盒3与加工区(移动工作台20)之间取放的机械手5。

本实施例中机械手是特殊设计的存在，机械手5包括承载体51，在承载体正面上设置用于取放物料的取放部510，承载体背面上设置用于取放刀头的刀夹组，刀夹组包括用于更换刀头时夹取旧刀头的刀夹62和夹取新刀头的刀夹63，承载体在加工区和物料区之间及加工主轴和刀库之间移动用于换料及换刀。这种机械手上集成了刀夹组和取放部，一个承载体的正面和背面分别安装不同功能的部件，能够有效的避免两个不同功能的部件之间发生工作干扰。此处所谓承载体正面是人为定义，在图1中显示承载体的朝下面是正面，承载体的朝上面是背面，如果承载体为旋转式承载体，则在承载体转动时正背面会随之转动，但并不改变正背面的定义。

本实施例中，承载体51在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台501，宽度方向是指图1中所示的承载体在纵向上延伸即为宽度方向延伸，取放部安装于取放台端部正面使拾取的物料位于承载体正面，承载体的背面安装刀夹组，刀夹组的两个刀夹沿承载体长度方向并排设置使夹取的刀头位于承载体背面，换刀时可以使机械手上的刀夹组在换刀点不动，加工主轴在横向上移动实现横向换刀方式。在其他实施例中，刀夹组的两个刀夹可沿承载体宽度方向并列设置，即纵向设置两个刀夹，换刀时以机械手的纵向驱动作为换刀驱动即可，即加工主轴不动，机械手前后移动实现纵向换刀方式。本实施例中实际上取放台就是取放部的组成，当然取放台也可以认为是承载体的一部分，取放台的设置能够保证取放部在拾取了物料后能够偏离承载体中心位置，也即偏离刀夹组所在位置，有效避免干扰发生。以本实施例中图示，刀夹设置在承载体背面上且与承载体宽度方向延伸的取放台垂直设置形成L形结构。以最简化的结构实现抗干扰的换料和换刀。

为了增加机械手的荷载量，承载体51沿长度方向延伸形成长条承载体，在承载体的长度方向上排列设置4个取放部，在承载体51上也对应设置4个的刀夹组(8个刀夹)。

本实施例中为了使机械手能够更加适应物料排列式的料槽，还设置了用于驱动承载体51以长度方向为轴翻转的转动驱动器52及驱动所述转动驱动器连同承载体可在竖向和纵向上移动的机械手驱动机构53。转动驱动器的设置使得承载体沿一横向旋转轴转动形成旋转承载体，能够实现灵活的上下料方式，具有更宽泛的适配应用场景。

在承载体51上设置取放部510，取放部510用于实现对物料的取放，取放部包括两个用于取放物料的拾取器511、512，该两个拾取器实际上作为一个取放部的两个模块，取放部可以有具体的结构特征，也可以只是包含了两个拾取器及承载或安装结构，发挥取放作用的还是拾取器，一个拾取器负责对应取放一片物料，拾取器可以采用吸盘，一个拾取器可以采用一个大吸盘，也可以包括几个小吸盘，例如在图1中则使用4个小吸盘呈矩形分布作为一个拾取器。可见，一个取放部包括两个拾取器，同一取放部的两个拾取器分别设置在承载体宽度方向的两侧用于其中一拾取器拾取加工区的已加工物料后另一拾取器相对于加工区可平移地将待加工物料填补到该加工区，取放部对应的刀夹组位于该取放部的两个拾取器之间。在保证尽可能多的一次性取放物料的同时还能够保证取放部与刀夹组之间的抗干扰性。

本实施例中的取放部510颠覆以往的常规设计，取放部510的两个拾取器511、512沿垂直于承载体51长度方向分别设置在承载体51两侧，相当于一个取放部与承载体十字相交，构成一个十字架结构，图1中是一个承载体中包括了4个取放部沿承载体长度方向(横向)扩展排列的结构，例如承载体51旋转至取放部510的两个拾取器511、512均朝下，两个拾取器则在纵向上一前一后的位于承载体的前后两侧，如此，则两个拾取器在承载体的同一面设置，能够使其中一拾取器511拾取加工区(加工台2)的已加工物料4后另一拾取器512相对于加工区可平移地将待加工物料填补到该加工区，而无需翻转即实现物料在加工区的更换，此处拾取器相对于加工区可平移地将物料放入加工区是包括了拾取器抬起和放下在空中平移之意；作为一个特别的适配，料盒3具有用于排列盛放物料的料槽，所谓用于排列盛放物料，即物料被按序排列的放置，料槽与取放物料机械手上的取放部数量一致且对应设置，例如，取放部只有一个，则料槽也只设置一个，且料槽设置在取放部的行进路线上形成对应设置，从而使取放部有最佳捷径向料槽存取物料，图1中的料盒3具有4个料槽，这四个料槽横向上并排设置，可以是各个料槽独立组装在一起，也可以是一个料盒被分割成四个料槽，图1中还示出了4个料槽对应的4个取放部。加工中心是用于加工物料的设备，因此设置了移动工作台20和加工台2，物料4在加工台2上被加工，加工台2设置在加工区内与料槽对应，同样也是在取放部510行进路线上的对应，如此，在物料的始点和终点是两点一线的最佳捷径，有利于缩短取放部的取放物料的行进路径。在其他实施例的加工中心中，可以不适用料盒，而是以物料传输带配合作为物料区，当然物料区设置料盒能够节省更多的后期工序。

可以理解的是，两侧的两个拾取器511、512，在同一面设置，可以是同一平面内的同一面，如图2中所示的是同一个平面，当然两个拾取器也可以是同一面的不同平面，所谓不同平面，是指两个面存在一定的高度差，但方向相同，这样做的目的是为了应对当加工台上有高出加工件的定位夹具等辅助装置时，一前一后的两个拾取器及其之上的料件，在切换过程中不致于与夹具等辅助装置产生干涉碰撞。

在图6中示出了承载体51为一承载板，承载板上横向分布取放部510，承载板的横向一端安装在转动驱动器上，每组取放部的两个拾取器以转动驱动器横向的翻转轴线为中线直接设置于承载板同面两侧。本实施例中作为一种改进，如图3所示，承载板位于相邻的取放部之间设置开口朝外的避让槽515。避让槽的设计能够减轻整个取放部的重量，也能够降低取放部与物料区的干扰。

为了提升加工效率，同时本发明实施例中的承载体是沿横向延伸形成一定长度，也为其上扩展安装取放部提供了条件，承载体同一面上沿长度方向排布至少两组以上取放部，料盒中的料槽也相应具有两个以上。承载体的同一面特指相对于翻转而言的同一面，即承载体上的拾取器都朝向同一面。以图1中的加工中心为示例，同一个承载体上的取放部设置了四个，则对应了八个拾取器，料盒中的料槽也对应设置了四个。料盒是料槽的载体，料槽也可以单独成为一个料盒，或者几个料槽拼装成料盒，对于几个料槽拼装而成料盒，易于统一安装和拆卸维修。料盒内的料槽可以是立式料槽，即料槽具有使物料平放且沿竖向排列的隔槽，也可以是卧式料槽，即料槽具有使物料竖立且沿纵向排列的隔槽。物料平放、上下排列，料槽则为立式料槽，料槽的高度决定了物料的容量。物料竖立、水平排列，料槽则为卧式料槽，料槽的长度决定了物料容量。

由于在取放料过程中，料槽可能在横向上会存在一点位置偏移，若采用人工调试则需要太多人力及时间成本，本实施例中在料盒底部设置一用于在横向上调整料槽位置以使料槽纵向与取放部对准的料盒调整驱动装置，料盒调整驱动装置包括料盒横向轨道及驱动料盒在料盒横向轨道上移动的料盒驱动器(图中未示出)。如图1，机台9上则设置了用于料盒安装其上的料盒安装台901。对于上述的料盒调整驱动装置也可以设置在料盒安装台901上。

本实施例中机械手驱动机构用于驱动承载体相对于设置的物料区、刀库区及加工区移动。机械手驱动机构53包括纵向轨道531、纵向承载台532、驱动纵向承载台532在纵向轨道531上移动的纵向驱动器、设置在纵向承载台532上的竖向轨道533、竖向承载台534及驱动竖向承载台534在竖向轨道533上移动的竖向驱动器535，转动驱动器52安装在竖向承载台534上，可见，机械手驱动机构包括了可在物料区、刀库区及加工区之间移动的纵向滑台(即纵向承载台)，承载着承载体可在纵向滑台上上下移动的竖向滑台(即竖向承载台)。该驱动机构能够保证至少在YZ轴实现全覆盖，更有利于配合现有加工主轴在XZ轴全覆盖的运动系统。以上对于直线行程的驱动方式均可以采用驱动电机配合丝杠螺杆组件来实现，能够非常精确的控制受控部件的运行距离及运行速度。转动驱动器可采用驱动电机，对于承载体的翻转角度、翻转速度都有较精准的控制，当然在承载板上安放更多的取放部和拾取器，以便扩展多主轴，转动驱动器还可以增设增力的减速机，以便输出更大扭矩，带动更多取放部。

本实施例中纵向滑台、竖向滑台均设置两个且分别对应在承载体长度方向的两侧与承载体共同构成龙门式机械手驱动机构。这种龙门式结构能够充分保证承载体的稳定性，最大限度的减少承载体抖动，保证加工精度，也能够提升运行效率和速度。

本实施例中加工主轴1、取放部510、料槽在数量上保持一致且在纵向上一一对应设置，形成了纵向上各部件整齐划一的配合且具有最短的行程距离，加工效率最高，而在其他实施例中不排除一个加工主轴对应两个加工台或多个加工台的情形，或一个加工台对应两个主轴或多个主轴，以实现同一料件采用不同的加工主轴进行加工，完成特殊工艺。

可见，本实施例中的加工中心具有特殊结构的机械手，并配合有序排放物料的料槽，使取放部在料槽与加工区之间穿梭搬运物料，其能够保证加工区内取放部相对于加工台在纵向上移动一点距离即实现了物料“一取一放”的更换过程，加工主轴的等待时间极短，若换成双面结构的取放部，则物料拾取后，需要退出加工区，在宽敞的空间里转动后，再返回加工区放下物料，使加工主轴的等待时间大大延长。显然，本实施例中加工中心采用的机械手能够极大的提高加工效率。另外，对于机械手由料槽取料或向料槽放料而言，本实施例中的机械手结构也极为高效，无论是立式料槽还是卧式料槽，假设取放部的其中一个拾取器取走待加工物料时朝上，则另一个取放器取回已加工物料时，该拾取器朝下将已加工物料放入料槽的空槽区即可，然后翻转使拾取器朝上继续拾取待加工物料，而在料槽区取放料的过程中加工主轴的加工状态不受影响，从而合理的分配了机械手调动时间，即允许料槽区的机械手多一些运转时间，而减少加工区的加工主轴的停机等待时间。相比于目前的加工设备从未考虑取放料时间和加工等待时间的分配问题，本实施例从合理分配各阶段时间的角度出发做出了极大贡献。

本实施例中刀库可以作为一个单独的模块，即提供一种前置式刀库装置，这种前置式刀库装置有利于快速换刀，这种前置式刀库装置应用于上述的加工中心，前置式刀库装置包括了位于加工主轴前且位于加工区与物料区之间上方的刀库，带有取放刀头的单刀夹或刀夹组的机械手由刀库内的刀头安装座上取下刀头运送至加工主轴处进行更换，这种前置式刀库装置在换刀路径上能够得到最短的更换行程。刀库本身可以横向移动，机械手可以纵向移动和竖向移动，当然刀库也可以设置为竖向移动，以配合机械手只纵向移动的情况或机械手在竖向上轻微移动的情况。另外，刀库内也相应设置了与取放部、料槽在纵向上保持一一对应的刀头安装座组，刀头安装座组中的刀头安装座与刀夹组中的刀夹对应，当然在单刀夹场合中，刀头安装座组依然能够适配，刀头安装座组是由刀头安装座组成，例如在刀夹组场合中，刀头安装座组则也是两个刀头安装座形成一组，由于单刀夹场合中，一个单刀夹可以随意在某个刀头安装座上取放刀头，所以只要适用刀夹组场合的刀头安装座组则必然适用单刀夹场合。具体而言，本实施例中的刀库采用矩阵刀库能够具有最佳适配，矩阵刀库具有多个刀头安装座，每个加工主轴可以分别对应2个以上的刀头安装座，至少可保证一个刀头安装座承载新的刀头，另一个刀头安装座能够承载由主轴换下来的旧刀头，新刀头是指即将要换到主轴上的刀头，旧刀头是指已经由主轴上换下来的刀头，为了便于区分而定义的名称，多个刀头安装座呈矩阵式排列。所谓矩阵刀库当然包括刀库中仅存在一横排刀头安装座的行矩阵形式。由于需要从主轴上取下旧刀头放回刀库内，还需要从刀库内取出新刀头装刀主轴上，因此，每个主轴至少需要对应两个刀头安装座，刀头安装座具有朝下的插口，刀头可通过上下插拔方式安装于刀头安装座上，能够提升刀头的取放效率。

根据矩阵刀库刀头安装座的特别布局方式，刀夹组则需要进行适应性的设计，例如，矩阵刀库中多个刀头安装座排列方式为：刀头安装座沿左右方向排列，且每两个刀头安装座对应一个主轴；本实施例中4个主轴即对应8个刀头安装座，且8个刀头安装座沿左右方向排成一排。每两个刀头安装座呈左右方向排布视为一个组合并与前方的一个主轴对应，刀夹组中8个刀夹，每两个刀夹呈左右排布视为一个组合与前方一个主轴对应。当需要换刀时，由于主轴能够在机床左右方向上移动，使得一个主轴能够分别和其对应的两个刀夹对准实现换刀。由于同一组合的两个刀头安装座的间距与对应的同一个组合的两个刀夹的间距是相等的，因此，刀夹与刀头安装座在纵向上始终是一一对准的。为了进一步保证主轴快速定位至换刀位置，提升换刀效率，对应同一主轴的两个刀夹的间距和两个刀头安装座的间距相等且为相邻主轴间距的二分之一。此时，在机床的前后方向(纵向)上，8个刀头安装座和8个刀夹分别纵向对齐，4个主轴可以同时与相应的其中4个机头安装座和4个刀夹纵向对齐，4个主轴只需在左右方向(横向)上移动一个刀位距离即可重新与另外的4个机头安装座和4个刀夹纵向对齐，所谓刀位距离是指刀库内两个相邻刀头安装座之间的距离。

为了精准的对刀，实现快速换刀，刀库6还设置了用于驱动刀库沿横向设置的刀库轨道移动的对刀驱动机构，在刀库架上设置横向轨道和横向驱动器即可实现。在其他实施例中也可以将机械手设置驱动承载体相对刀库横向移动的机械手横移机构。刀库相对于机械手可横移的设计能够加倍提升换刀效率。

本实施例中机械手承载体整合集成换刀换料功能部件的同时，还将刀库设置在加工主轴与物料区之间的区域内，使得一个机械手即能够完成换刀路径和换料路径的全覆盖，空间利用率高，结构简单紧凑，移动线路短，功能共享，生产效率高，成本低，稼动快捷。尤其是图1中实际所示出的是一个加工岛，即包括上述的数控加工中心，以物料区为中心在纵向上两侧设置两个加工区、两组加工主轴、两个刀库，一个机械手可以在两个加工主轴之间运动。物料区并不要求一定在机台的正中心，可以是靠近中心的位置。如此，一个机械手可以在机台两侧的加工主轴之间运动，也就是说一个机械手能够同时对两个加工中心的换刀路径和换料路径进行全覆盖，而且两个加工中心还能够共用一个物料区，真正实现了占用空间小，结构简单紧凑，移动线路短，功能共享，生产效率高，成本经济，稼动快捷的自动化加工中心。

实施例2：

本实施例相对于上述实施例1而言，减少了转动驱动器，即承载体是不可转动的，机械手只负责在物料区取料和放料，物料区设置为传输带，物料在传输带上传输至物料区或由物料区传输到后续工序中，甚至物料区设置为人工放置物料也能够实现。

可以理解的是，如果取放部只采用一个拾取器也能够实现换料，只是换料过程会复杂，一次只能拾取一片物料，将加工区的物料拾取回物料区后，加工主轴需要停机等待而已。

实施例3：

本实施例提供一种应用于实施例1中加工中心的加工方法，以刀夹组场合具体介绍如下。

开始准备加工，假设加工主轴上没有刀头，移动工作台上没有物料，机械手上没有夹持物料和刀头，刀库内安装有所需的不同规格刀头，料槽内满载待加工的物料，加工中心的控制系统处于初始化待命状态。加工主轴、刀库、机械手、料槽由控制系统程序控制。

加工主轴装刀，机械手位于刀库下方，一前一后的拾取器悬空朝下，与工作台平行，刀夹朝上，机械手使承载体向上移动，机械手的纵向驱动可配合，刀夹组其中的一个刀夹从刀库内取得所需第一个刀头，加工主轴到达换刀点，机械手将刀夹所取的刀头装入加工主轴，完成加工主轴第一次装刀。

加工区装料，机械手带动取放部移至料槽上方，转动驱动器驱动承载体旋转至设定角度，机械手带动取放部的其中一拾取器从料槽内取出物料，转动驱动器再次驱动承载体转动使得拾取器朝下并与加工台平行，移动工作台移至设定位置，机械手带动取放部将物料装入移动工作台，夹具对物料进行定位，完成装料。

以上加工主轴装刀与加工区装料，机械手可以带动承载体同时段分别完成，装刀与装料时序，可以通过程序设定调整。

加工过程中换刀，针对需要多个不同刀头加工的物料，可对主轴上的刀头进行更换，来实现加工方式切换，换刀指令前，当前主轴上的刀头加工进行时，机械手移到刀库的取刀点，刀库横向滑台移动，配合机械手，使得刀夹组其中一个刀夹从上方的矩阵刀具库内抓取一个目标刀头，待换刀指令时，加工主轴暂停加工，当前主轴所使用的刀头对物料加工完成，加工主轴移到换刀点，然后机械手也移至该换刀点，机械手上刀夹组其中另一个空闲刀夹在加工主轴的配合下从主轴上取下旧刀头，加工主轴以抛物线方式移动(俗称蛙跳)使得主轴装入机械手刀夹组上的新刀头，完成对加工主轴上刀头更换，机械手离开换刀点，在刀库横移运动的配合下，将换下的旧刀头装入矩阵刀库内，机械手移到下一个目标刀头位置备刀，或移至料槽上方拾取目标物料备料。

完成换刀，后续加工所需的换刀，同理操作。

加工物料更换，第一次或上一次装入的物料加工进行时，机械手其中一组拾取器利用合适的时间点，到料槽内取得第二片或第N片待加工物料备料，另一组拾取器则空闲，在后续过程中，由于机械手上刀夹组在承载体背面，换刀不受换料影响。控制系统发出换料指令，上一个物料加工完成，机械手上的取放部中一组拾取器已经拾取了待加工物料，另一组拾取器空闲，机械手带动取放部进入到加工区，工作台移至机械手的取放部下方，空闲的拾取器拾取工作台上已加工的物料，机械手略微升起，工作台移动至指定位置承接第二片或第N片待加工物料，夹具对装入物料进行定位，机械手离开加工区，完成换料，加工主轴开始加工，与此同时，机械手带动取放部将已完成物料装入料槽内的完成料件区，机械手另一组拾取器继续从料槽内取得下一件待加工料物，机械手移至等待区或到刀库内备刀，如此循环取换料，直到料槽内的物料全部加工完。

可以理解的是，初始过程中，机械手上的多组拾取器，一前一后任一组拾取器可以取得一个待加工物料，一前一后两组拾取器也可以分别取得两个待加工物料，其中一个待加物料可以做为第一片待加工物料装入工作台，另一个待加工物料可以做为第二片待加工物料在第一个待加工物料完成后进行更换，即一次分别取得两个待加工物料。

初始过程中，机械手取放部上不论取得一个物料还是两个物料，刀夹组也可以去刀库内取得一个刀头或一组刀头备用，可以先取刀头再取物料，或先取物料再取刀头，相关程序，可以依据工艺要求对控制程序进行调整即可。

从以上方案可以清楚得知，换刀时，承载体背面的刀夹组中其中一刀夹将旧刀头插入到刀库内，另一刀夹将刀库中的新刀头取出，承载体移动至加工主轴下方的换刀点，空闲的刀夹将加工主轴上的旧刀头取下，夹持新刀头的刀夹将新刀头装至加工主轴上；

换料时，承载体正面的取放部拾取加工区的已加工物料放回物料区，承载体正面的取放部拾取物料区的待加工物料放入至加工区。

加工主轴在加工区加工物料时，取放部的其中一个拾取器空闲另一个拾取器已经由物料区拾取了一个待加工物料并等候在加工区，加工主轴对加工区内物料加工完成后，取放部的空闲拾取器拾取加工区内的已加工物料，取放部相对于加工区移动将待加工物料放入到加工区内，取放部将已加工物料放回至物料区时，加工主轴对加工区内的待加工物料开始加工。

本实施例中通过在机械手的承载体两面设置不同功能的取放器，其中朝下设置的拾取器用于物料的取放；朝上设置的刀夹组用于刀头的取放，与之对应，在工作台前方，取放部下方设置共享料槽，主轴前方，刀夹组上方或工作台、料槽上方设置刀库，机械手的承载体在其间穿俊换料与换刀。如此紧凑的结构布局，减少了空间占用，提高了场地的空间稼动率；机械手承载体旋转平行面设置不同的取换器，共享了机械手运动功能，提高了机械手的时间稼动率；刀库与料槽的一上一下设置，缩短了换料与换刀运动路线，提高了换料与换刀效率。

以上对本发明所提供的一种数控加工中心、加工岛及加工方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想和方法，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (20)

1.数控加工中心，其特征在于，包括加工主轴、加工区、物料区、机械手及刀库，加工区位于加工主轴下方，物料区位于加工区的前方，刀库位于加工主轴的前方，机械手包括承载体，在承载体正面上设置用于取放物料的取放部，承载体背面上设置用于取放刀头的单刀夹或刀夹组，刀夹组包括用于更换刀头时夹取旧刀头的刀夹和夹取新刀头的刀夹，承载体在加工区和物料区之间及加工主轴和刀库之间移动用于换料及换刀。

2.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，承载体在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部安装于取放台端部正面使拾取的物料位于承载体正面，承载体的背面安装刀夹组，刀夹组的两个刀夹沿承载体长度方向并排设置或沿承载体宽度方向并列设置使夹取的刀头位于承载体背面。

3.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，承载体在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部安装于取放台端部正面使拾取的物料位于承载体正面，单刀夹或刀夹组中的刀夹设置在承载体背面上且与承载体宽度方向延伸的取放台垂直设置形成L形结构。

4.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，承载体沿长度方向延伸形成长条承载体，在承载体的长度方向上排列设置两个以上取放部，在承载体上也对应设置两个以上的单刀夹或刀夹组。

5.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，单刀夹或刀夹组安装在承载体背面上，承载体的正面则在宽度方向上延伸出用于安装取放部的取放台，取放部设置在承载体正面的取放台上使得取放部在承载体宽度方向上偏离刀夹或刀夹组。

6.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，一个取放部包括两个拾取器，同一取放部的两个拾取器分别设置在承载体宽度方向的两侧用于其中一拾取器拾取加工区的已加工物料后另一拾取器相对于加工区可平移地将待加工物料填补到该加工区，取放部对应的单刀夹或刀夹组位于该取放部的两个拾取器之间。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的数控加工中心，其特征在于，承载体沿一横向旋转轴转动形成旋转承载体。

8.如权利要求1至6中任意一项所述的数控加工中心，其特征在于，机械手包括用于驱动承载体相对于设置的物料区、刀库区及加工区移动的机械手驱动机构。

9.如权利要求8所述的数控加工中心，其特征在于，机械手驱动机构包括可在物料区、刀库区及加工区之间移动的纵向滑台，承载着承载体可在纵向滑台上上下移动的竖向滑台。

10.如权利要求9所述的数控加工中心，其特征在于，竖向滑台上设置了可使承载体沿一旋转轴转动的转动驱动器，承载体设置在转动驱动器上形成旋转承载体。

11.如权利要求8所述的数控加工中心，其特征在于，纵向滑台、竖向滑台均设置两个且分别对应在承载体长度方向的两侧与承载体共同构成龙门式机械手驱动机构。

12.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，加工区内设置有可纵向滑动的移动工作台，加工主轴可在横向及竖向上运动。

13.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，还包括机台，机台的一端设置龙门架，龙门架上安装有加工主轴，龙门架向前延伸出用于安装刀库的刀库架使得刀库位于加工主轴与物料区之间的上方。

14.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，刀库还设置了用于驱动刀库沿横向设置的刀库轨道移动的对刀驱动机构，或者机械手设置驱动承载体相对刀库横向移动的机械手横移机构。

15.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，物料区内设置料盒，承载体正面上沿长度方向排布至少两组以上取放部时，料盒中设置两个以上且待加工和已加工物料可排列共用的料槽，刀库内也相应设置两列以上与承载体上单刀夹或刀夹组对应的刀头安装座组，取放部、料槽及刀头安装座组在纵向上保持一一对应。

16.如权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于，承载体为一承载板，承载板上横向分布取放部，承载板的横向一端安装在转动驱动器上，每组取放部的两个拾取器以转动驱动器横向的翻转轴线为中线直接设置于承载板同面两侧。

17.如权利要求16所述的数控加工中心，其特征在于，承载板位于相邻的取放部之间设置开口朝外的避让槽。

18.加工岛，其特征在于，包括上述权利要求1至17中任意一项所述的数控加工中心，以物料区为中心在纵向上两侧设置两个加工区、两组加工主轴、两个刀库，一个机械手可以在两个加工主轴之间运动。

19.一种应用于加工中心的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

换刀时，承载体背面的刀夹组中其中一刀夹将旧刀头插入到刀库内，另一刀夹将刀库中的新刀头取出，承载体移动至加工主轴下方的换刀点，空闲的刀夹将加工主轴上的旧刀头取下，夹持新刀头的刀夹将新刀头装至加工主轴上；

换料时，承载体正面的取放部拾取加工区的已加工物料放回物料区，承载体正面的取放部拾取物料区的待加工物料放入至加工区。

20.如权利要求19所述的一种应用于加工中心的加工方法，加工中心的承载体上设置的一个取放部在宽度方向上两侧设置了两个拾取器，其特征在于，换料时，承载体正面的取放部拾取加工区的已加工物料放回物料区，承载体正面的取放部拾取物料区的待加工物料放入至加工区的步骤包括：加工主轴在加工区加工物料时，取放部的其中一个拾取器空闲另一个拾取器已经由物料区拾取了一个待加工物料并等候在加工区，加工主轴对加工区内物料加工完成后，取放部的空闲拾取器拾取加工区内的已加工物料，取放部相对于加工区移动将待加工物料放入到加工区内，取放部将已加工物料放回至物料区时，加工主轴对加工区内的待加工物料开始加工。

Images