DE102018104378B4

DE102018104378B4 - Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102018104378B4
Application number: DE102018104378.3A
Authority: DE
Inventors: Shoichi MORIMURA
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: DE102018104378A1; US20180250809A1; US11027417B2; CN108526970A; CN108526970B; JP2018144131A; JP6737726B2

Abstract

Werkzeugmaschine (10), umfassend:ein Rückhalteelement (32), das ein Werkstück oder ein Werkzeug festhält;einen ersten Motor (30), der das Rückhalteelement (32) dreht oder bewegt;einen maschineninternen Roboter (20), der innerhalb der Werkzeugmaschine (10) vorgesehen ist und der ein Gelenkroboter mit einem oder mehreren Gelenken ist; undeinen Verbindungsmechanismus, der ein Basisgelenk (40), das zwischen dem einen oder den mehreren Gelenken am nächsten zu einem Basisende angeordnet ist, und den ersten Motor (30) miteinander verbindet oder voneinander trennt.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTER ANMELDUNG
Die Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-039501 , eingereicht am 2. März 2017, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, ist hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Werkzeugmaschine, die ein Werkstück schneidet und bearbeitet.
STAND DER TECHNIK
In jüngster Zeit steigen die Anforderungen an die Automatisierung und höhere Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen. Um eine Automatisierung zu realisieren, werden automatische Wechslervorrichtungen vorgeschlagen, wie ein automatischer Werkzeugwechsler (ATC), der automatisch Werkzeuge wechselt, und ein automatischer Palettenwechsler (APC), der automatisch eine Palette wechselt, auf der ein Werkstück montiert ist. Außerdem sind periphere Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Werkstückzuführvorrichtung, wie etwa ein Lader und eine Stangenzuführvorrichtung, weithin bekannt. Um höhere Leistung zu erzielen, werden auch maschineninterne Messungen und intelligente Systeme mit Sensoren eingesetzt.
Um die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen zu automatisieren oder zu verbessern, wird in einigen Fällen die Verwendung eines Gelenkroboters vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbart JP 2010-64158 A eine Technik, bei der ein Gelenkroboter, der auf einer Portalschiene fährt, die außerhalb und auf einem oberen Teil der Werkzeugmaschine befestigt ist, vorgesehen ist und wobei der Transport des Werkstücks oder dergleichen unter einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen vom Gelenkroboter ausgeführt wird.
Der Gelenkroboter weist normalerweise ein oder mehrere Gelenke auf. Der Gelenkroboter ändert seine Position und Orientierung, indem er die Gelenke dreht oder linear bewegt. Wenn ein Gelenkroboter bereitgestellt wird, muss daher ein Aktuator zum Betätigen der Gelenke bereitgestellt werden.
Von dem einen oder den mehreren Gelenken des Gelenkroboters baut sich bei einem Basisgelenk, das am nächsten zu einem Basisende positioniert ist, die größte Last (Moment) auf. Daher ist es erwünscht, dass der Aktuator, der das Basisgelenk betätigt, eine ausreichend große Kraft aufweist, um der großen Last gewachsen zu sein. Insbesondere wenn der Gelenkroboter verwendet wird, um ein schweres Objekt, wie zum Beispiel ein Werkstück oder einen großen Sensor, zu handhaben, muss die Leistung des Aktuators für das Basisgelenk groß eingestellt werden.
Wenn jedoch die Kraft des Aktuators für das Basisgelenk groß eingestellt wird, werden Probleme erzeugt, wie beispielsweise eine Zunahme der Größe und der Kosten des Aktuators. Insbesondere wenn der Gelenkroboter vollständig innerhalb der Werkzeugmaschine aufgenommen werden soll, da hier der Platz nur begrenzt zur Verfügung steht, stellt die Vergrößerung des Aktuators und folglich des Gelenkroboters ein ernsthaftes Problem dar.
Die vorliegende Offenbarung offenbart somit eine Werkzeugmaschine mit einem maschineninternen Roboter, der eine kleine Größe und auch eine große Leistung aufweist.
DE 10 2017 119 474 A1 betrifft einen Roboter für eine Werkzeugmaschine, der mit einer großen Leistung und einem großen Drehmoment arbeiten kann, wenn es erforderlich ist, während kein Motor mit großer Größe am Roboter befestigt ist und während er einen dünnen Arm aufweist, sowie eine Werkzeugmaschine mit dem Roboter werden geschaffen. Ein Roboter in der Maschine einer Werkzeugmaschine umfasst eine Eingangswelle, eine Übertragungswelle, ein Kegelzahnrad und einen Endeffektor. Die Eingangswelle ist mit einem Werkzeug der Werkzeugmaschine verbunden und eine Antriebskraft des Werkzeugs wird auf den Endeffektor übertragen. Der Endeffektor ist eine Hand oder dergleichen und ein Werkstück wird mit der Hand unter Verwendung der Antriebskraft des Werkzeugs ergriffen oder rotiert. Mehrere der Eingangswellen sind vorgesehen und eine geeignete Eingangswelle wird mit dem Werkzeug verbunden, wie geeignet.
DE 10 2017 109 360 A1 betrifft eine Werkzeugmaschine, die ein Werkstück durch ein Werkzeug bearbeitet, umfassend eine Werkstück-Spindelvorrichtung, die das Werkstüc in einer drehbaren Weise mit einer vorgegebenen Drehachse Rw des Werkstücks als eine Mitte hält, einen oder mehrere maschineninterne Roboter und einen Verbindungsmechanismus, der den einen oder die mehreren Roboter an der Werkzeugmaschine befestigt, so dass sich der eine oder die mehreren Roboter unabhängig von dem Werkstück bewegen, wobei die Drehachse Rw des Werkstücks als eine Mitte dient.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Werkzeugmaschine bereitgestellt, umfassend: ein Rückhalteelement, das ein Werkstück oder ein Werkzeug hält; einen ersten Motor, der das Rückhalteelement dreht oder bewegt; einen maschineninternen Roboter, der innerhalb der Werkzeugmaschine vorgesehen ist und der ein Gelenkroboter mit einem oder mehreren Gelenken ist; und einen Verbindungsmechanismus, der ein Basisgelenk, das zwischen dem einen oder den mehreren Gelenken am nächsten zu einem Basisende angeordnet ist, und den ersten Motor miteinander verbindet oder trennt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Werkzeugmaschine ferner einen Basisgelenkaktuator umfassen, der getrennt vom ersten Motor vorgesehen ist und der das Basisgelenk betätigt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann während eines Zeitraums, in dem das Basisgelenk und der erste Motor miteinander verbunden sind, der Basisgelenkaktuator in einen Leerlaufzustand versetzt werden oder vom Basisgelenk getrennt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist das Basisgelenk eine Drehverbindung, die sich dreht, und das Rückhalteelement kann sich mit einer Betätigung des ersten Motors drehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung können eine Rotationsachse des Rückhalteelements und eine Rotationsachse des Basisgelenks nicht miteinander zusammenfallen, und das Basisgelenk kann mit dem ersten Motor über eine Vielzahl von Übertragungsmechanismen verbunden oder von diesem getrennt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung können eine Rotationsachse des Rückhalteelements und eine Rotationsachse des Basisgelenks miteinander übereinstimmen, ein Eingriffselement kann an dem Basisgelenk oder dem Rückhalteelement vorgesehen sein und ein ergriffenes Element, das in einer Umfangsrichtung mit dem Eingriffselement in Eingriff kommt oder aus ihm ausrückt, kann an dem anderen von Basisgelenk und Rückhalteelement vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Rückhalteelement eine Werkstückspindel sein, die ein Werkstück in einer selbstdrehenden Weise festhält.
Gemäß einer in der vorliegenden Offenbarung offenbarten Werkzeugmaschine kann das Basisgelenk eine Antriebskraft des ersten Motors zum Drehen oder Bewegen des Rückhalteelements nach Bedarf verwenden. Aus diesem Grund ist es möglich, eine große Kraft für das
Basisgelenk einzustellen, während die Größe des Aktuators, der das Basisgelenk betätigt, ver) ringert wird. Als ein Ergebnis kann eine Werkzeugmaschine mit einem maschineninternen Roboter mit einer großen Leistung und auch einer kleinen Größe erzielt werden.
Figurenliste
(Eine) Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung wird mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:

1 ein perspektivisches Diagramm einer Werkzeugmaschine ist;
2 ein schematisches Diagramm ist, welches den Betätigungsmechanismus einer Werkstückspindel und eines Basisgelenks zeigt;
3 ein Flussdiagramm ist, welches einen Befestigungsablauf eines Werkstücks zeigt;
4 ein perspektivisches Diagramm eines Bereichs nahe eines Basisgelenks einer weiteren Werkzeugmaschine ist; und
5 ein schematisches Querschnittdiagramm eines Bereichs nahe eines Basisgelenks einer weiteren Werkzeugmaschine ist.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Aufbau einer Werkzeugmaschine 10 wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Struktur der Werkzeugmaschine 10 zeigt. In der folgenden Beschreibung wird eine Rotationsachsenrichtung einer Werkstückspindel 32 als eine Z-Achse bezeichnet, eine Bewegungsrichtung einer Werkzeugaufnahme 18 orthogonal zu Z-Achse wird als eine X-Achse bezeichnet und eine Richtung orthogonal zur X-Achse und zur Z-Achse wird als eine Y-Achse bezeichnet. Zusätzlich wird in der Z-Achse eine Richtung von der Werkstückspindel 32 zu einem Reitstock 16 als eine positive Richtung eingestellt, in der X-Achse wird eine Richtung von der Werkstückspindel 32 zur Werkzeugaufnahme 18 als eine positive Richtung eingestellt und in der Y-Achse wird eine Richtung von der Werkstückspindel 32 in Richtung nach oben als eine positive Richtung festgelegt.
Die Werkzeugmaschine 10 ist eine Drehmaschine, die ein Werkstück bearbeitet, indem sie ein Werkzeug, das von der Werkzeugaufnahme 18 gehalten wird, in Kontakt mit einem sich um sich selbst drehenden Werkstück bringt. Die Werkzeugmaschine 10 ist eine Drehmaschine, die als Drehbearbeitungszentrum bezeichnet wird, NC-gesteuert ist und eine Vielzahl von Werkzeugen hält. Ein Umfang eines Körpers 12 der Werkzeugmaschine 10 ist durch eine Abdeckung (nicht gezeigt) abgedeckt. Ein durch die Abdeckung definierter Raum ist eine Bearbeitungskammer, in der die Bearbeitung des Werkstücks ausgeführt wird. Auf der Abdeckung sind mindestens eine Öffnung und eine Tür zum Öffnen oder Schließen der Öffnung (die beide nicht gezeigt sind) vorgesehen. Ein Arbeiter gelangt durch die Öffnung zum Körper 12 der Werkzeugmaschine 10, zum Werkstück oder dergleichen. Während der Bearbeitung ist die an der Öffnung vorgesehene Tür geschlossen. Dies ist der Sicherheit und der Umwelt geschuldet.
Der Körper 12 umfasst eine Werkstückspindelvorrichtung 14, die ein Ende des Werkstücks selbstdrehend hält, die Werkzeugaufnahme 18, die das Werkzeug hält, den Reitstock 16, der das andere Ende des Werkstücks trägt, und einen maschineninternen Roboter 20. Die Werkstückspindelvorrichtung 14 umfasst die Werkstückspindel 32, die mit einem Spindelmotor (der in 1 nicht gezeigt ist) verbunden ist. Die Werkstückspindel 32 fungiert als ein Rückhalteelement, welches das Werkstück in einer drehbaren Weise hält. Die Werkstückspindel 32 dreht sich selbst um eine Rotationsachse Rw, die parallel zur Z-Achse ist, durch die Betätigung des Spindelmotors. An einer Spitze der Werkstückspindel 32 ist ein Spannfutter 33 oder eine Spannzange, welches/welche das Werkstück abnehmbar hält, vorgesehen und somit kann das Werkstück geeignet ausgetauscht werden.
In der Nähe der Werkstückspindelvorrichtung 14 ist der maschineninterne Roboter 20 angebracht. Der maschineninterne Roboter 20 wird verwendet, um die Bearbeitung, verschiedene Abtastvorgänge, Hilfsarbeiten oder dergleichen zu unterstützen. Eine Struktur und eine Funktion des maschineninternen Roboters 20 werden später im Detail beschrieben.
Der Reitstock 16 ist der Werkstückspindelvorrichtung 14 in der Z-Achsenrichtung gegenüberliegend angeordnet und stützt das andere Ende des Werkstücks, das von der Werkstückspindelvorrichtung 14 gehalten wird. Der Reitstock 16 ist an einer Position angeordnet, in der seine Mittelachse mit der Werkstückdrehachse Rw zusammenfällt. Ein Zentrum mit einer Spitze, die in einer konischen Form angespitzt ist, ist am Reitstock 16 angebracht, und während der Bearbeitung wird die Spitze des Zentrums dazu gebracht, einen zentralen Punkt des Werkstücks zu berühren. Der Reitstock 16 ist in der Z-Achsenrichtung bewegbar, so dass sich der Reitstock 16 zum Werkstück hin oder sich von diesem weg bewegen kann.
Die Werkzeugaufnahme 18 hält ein Werkzeug, wie zum Beispiel ein spanendes Werkzeug. Die Werkzeugaufnahme 18 ist in der Z-Achsenrichtung bewegbar. Zusätzlich ist die Werkzeugaufnahme 18 an einer Führungsschiene angebracht, die sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, und kann sich entlang der X-Achsenrichtung vor und zurück bewegen. An einer Spitze der Werkzeugaufnahme 18 ist ein Revolverkopf 19 vorgesehen, der eine Vielzahl von Werkzeugen halten kann. Der Revolver 19 ist um eine Achse drehbar, die sich in der Z-Achsenrichtung erstreckt. Mit der Drehung des Revolverkopfs 19 kann ein für die Bearbeitung des Werkstücks zu verwendendes Werkzeug geeignet geändert werden. Mit einer Bewegung der Werkzeugaufnahme 18 in der Z-Achsenrichtung wird ein vom Revolver 19 gehaltenes Werkzeug in der Z-Achsenrichtung bewegt. Zusätzlich wird bei einer Bewegung der Werkzeugaufnahme 18 in der X-Achsenrichtung das Werkzeug, das vom Revolver 19 gehalten wird, in der X-Achsenrichtung bewegt. Ferner kann mit der Bewegung der Werkzeugaufnahme 18 in der X-Achsenrichtung ein Betrag des Schneidens des Werkstücks durch das Werkzeug oder dergleichen geändert werden.
Eine Steuervorrichtung 34 steuert die Betätigung verschiedener Teile der Werkzeugmaschine 10 gemäß einem Befehl von einem Arbeiter. Die Steuervorrichtung 34 umfasst beispielsweise eine CPU, die verschiedene Berechnungen ausführt, und einen Speicher, der verschiedene Steuerprogramme und Steuerparameter speichert. Die Steuervorrichtung 34 hat auch eine Kommunikationsfunktion und kann verschiedene Daten, beispielsweise die NC-Programmdaten oder dergleichen, mit den anderen Vorrichtungen austauschen. Die Steuervorrichtung 34 kann beispielsweise eine numerische Steuervorrichtung umfassen, die jederzeit die Positionen des Werkzeugs und des Werkstücks berechnet. Die Steuervorrichtung 34 kann eine einzelne Vorrichtung oder eine Kombination einer Vielzahl von Berechnungsvorrichtungen sein.
Als Nächstes wird der maschineninterne Roboter 20 im Detail beschrieben. Der maschineninterne Roboter 20 ist ein Gelenkroboter, der innerhalb der Werkzeugmaschine 10 vorgesehen ist; genauer in der Bearbeitungskammer. Der maschineninterne Roboter 20 umfasst eine Vielzahl von Armen, eine Vielzahl von Gelenken und einen Endeffektor 46. Die Vielzahl (in der in den Zeichnungen beispielhaft dargestellten Konfiguration: 3) der Arme des maschineninternen Roboters 20 sind miteinander über die Gelenke verbunden. An jedem Gelenk ist ein Aktuator mit einem Motor oder dergleichen angebracht und jedes Gelenk dreht oder bewegt sich linear durch Betätigung des Aktuators. Die Betätigung des Aktuators wird durch die Steuerungsvorrichtung 34 gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung 34 berechnet eine Position des Endeffektors 46, der später zu beschreiben ist, aus einem Betätigungsbetrag des Aktuators, der an jeder Verbindung vorgesehen ist. Von der Vielzahl von Gelenken ist ein Basisgelenk 40, das am nächsten zu dem Basisende positioniert ist, ein Drehgelenk, das sich selbst um eine Rotationsachse Rr dreht, die parallel zur Rotationsachse Rw der Werkstückspindel 32 ist.
Der Endeffektor 46 ist an der Spitze des maschineninternen Roboters 20 vorgesehen. Der Endeffektor 46 ist nicht besonders beschränkt, solange der Endeffektor 46 ein Element ist, das auf ein Zielobjekt einwirkt. Daher kann der Endeffektor 46 beispielsweise ein Haltemechanismus sein, der ein Zielobjekt hält. Die Form der Rückhaltung kann eine Handform sein, bei der das Zielobjekt mit einem Paar von Elementen gequetscht und gehalten wird, eine Form, in der das Zielobjekt angesaugt und festgehalten wird, oder eine Form, in der das Zielobjekt unter Verwendung von Magnetkraft oder dergleichen gehalten wird. 1 veranschaulicht den Endeffektor 46 der Handform. In einer anderen Form kann der Endeffektor 46 ein Druckmechanismus sein, der auf das Zielobjekt drückt. Zum Beispiel kann der Endeffektor 46 eine Rolle oder dergleichen sein, die gegen das Werkstück gedrückt wird und Vibrationen des Werkstücks unterdrückt.
Als eine andere Form kann der Endeffektor 46 beispielsweise ein Kontaktsensor sein, der das Vorhandensein oder Fehlen eines Kontakts mit dem Zielobjekt detektiert; ein Abstandssensor, der eine Entfernung zum Zielobjekt erfasst; ein Vibrationssensor, der eine Vibration des Zielobjekts erfasst; ein Drucksensor, der einen vom Zielobjekt ausgeübten Druck erfasst; ein Temperatursensor, der eine Temperatur des Zielobjekts erfasst; oder dergleichen. Die Detektionsergebnisse dieser Sensoren werden in Verbindung mit Positionsinformationen des Endeffektors 46 gespeichert, die aus dem Ausmaß der Betätigung der Gelenke berechnet und analysiert werden. Wenn zum Beispiel der Endeffektor 46 der Kontaktsensor ist, analysiert die Steuervorrichtung 34 eine Position, eine Form und eine Bewegung des Zielobjekts auf der Grundlage eines Zeitpunkts, zu dem der Kontakt mit dem Zielobjekt erfasst wird, und der Positionsinformation zu diesem Zeitpunkt.
Alternativ als eine andere Form kann der Endeffektor 46 eine Vorrichtung sein, die Fluid zur Unterstützung der Bearbeitung ausgibt. Insbesondere kann der Endeffektor 46 eine Vorrichtung sein, die Luft zum Wegblasen von Spänen ausstößt oder Kühlfluid (Schneidöl, Schneidwasser oder dergleichen) zum Kühlen des Werkzeugs oder des Werkstücks ausstößt.
Ferner kann der Endeffektor 46 eine Vorrichtung sein, die Energie oder ein Material zur Werkstückbildung abgibt. Daher kann der Endeffektor 46 beispielsweise eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl oder einen Lichtbogen abgibt, oder eine Vorrichtung sein, die ein Material zur Schichtbildung und Bildung ausstößt. Alternativ als eine andere Form kann der Endeffektor 46 eine Kamera sein, die das Zielobjekt abbildet. In diesem Fall kann ein von der Kamera erhaltenes Videobild auf einem Bedienfeld oder dergleichen angezeigt werden.
Das Zielobjekt, auf das der Endeffektor 46 wirkt, ist nicht besonders beschränkt, solange das Zielobjekt ein Objekt in der Bearbeitungskammer ist. Daher kann das Zielobjekt das auf der Werkstückspindelvorrichtung 14 gehaltene Werkstück oder das auf der Werkzeugaufnahme 18 gehaltene Werkzeug sein. Ferner kann das Zielobjekt ein anderes als das Werkzeug und das Werkstück sein, beispielsweise die in der Bearbeitungskammer verteilten Späne, ein Bauteil, der auf dem Werkstück montiert ist, oder ein Bestandteil der Werkzeugmaschine 10 (zum Beispiel das Spannfutter 33 der Werkstückspindelvorrichtung 14).
Der Endeffektor 46 kann nach Bedarf austauschbar eingestellt sein. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Arten von Endeffektoren 46 innerhalb oder außerhalb der Bearbeitungskammer vorbereitet werden und der Endeffektor 46, der am maschineninternen Roboter 20 anzubringen ist, kann gemäß der Verwendung veränderbar eingestellt werden.
Als Nächstes wird die Betätigung des maschineninternen Roboters 20, insbesondere die Betätigung des Basisgelenks 40, beschrieben. Wie bereits beschrieben, kann der maschineninterne Roboter 20 seine Ausrichtung ändern, indem er die Vielzahl von Gelenken geeignet bewegt. In diesem Prozess wird ein großes Moment auf eine Basisendseite des maschineninternen Roboters 20 aufgebracht; das heißt, auf der Basisgelenk 40. Insbesondere wenn der Arm des maschineninternen Roboters 20 in eine langgestreckte Form verlängert ist oder wenn ein schweres Objekt an der Spitze des maschineninternen Roboters 20 vorgesehen ist, wird die Belastung des Basisgelenks 40 hoch. Wenn hier ein Rückhaltemechanismus als der Endeffektor 46 vorgesehen ist, entspricht das am Rückhaltemechanismus gehaltene Werkstück einem solchen schweren Gegenstand. In einigen Fällen kann der Endeffektor 46 selbst das schwere Objekt sein, wie beispielsweise in dem Fall, dass der Endeffektor 46 ein schweres Werkzeug oder dergleichen ist.
In jedem Fall muss, wenn die Last am Basisgelenk 40 groß wird, ein Drehmoment zum Betätigen des Basisgelenks 40 ebenfalls erhöht werden. Wenn jedoch die Leistung des Aktuators, der das Basisgelenk 40 betätigt, groß eingestellt wird, würden Größe und Kosten ebenfalls signifikant erhöht werden. Andererseits hat der Spindelmotor, der die Werkstückspindel 32 rotatorisch betätigt, eine sehr große Kraft, aber im allgemeinen wird der Spindelmotor nur während der Bearbeitung des Werkstücks betätigt und wird während der Periode, in der das Werkstück nicht bearbeitet wird, nur geringfügig betätigt. Somit ist in der Werkzeugmaschine, die in der vorliegenden Offenbarung offenbart ist, der Spindelmotor, der die Werkstückspindel 32 dreht, mit dem Basisgelenk 40 je nach Bedarf verbunden oder von diesem getrennt.
Diese Konfiguration wird nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 zeigt eine schematische Darstellung von Betätigungsmechanismen der Werkstückspindel 32 und des Basismechanismus 40. Die Werkstückspindel 32 ist drehbar durch eine Vielzahl von Lagern 26 auf drehbare Weise gelagert. Ein Basisende der Werkstückspindel 32 ist mit einem Spindelmotor 30 mit großer Leistung großen Ende über eine Kupplung 28 verbunden, und mit der Drehung des Spindelmotors 30 wird die Werkstückspindel 32 gedreht. Daher arbeitet der Spindelmotor 30 als ein erster Motor, der die Werkstückspindel 32 und folglich das von der Werkstückspindel 32 gehaltene Werkstück dreht. Hier sind der Spindelmotor 30 und die Werkstückspindel 32 direkt verbunden, aber alternativ dazu kann ein Untersetzungsgetriebe nach Bedarf eingefügt werden.
Ein Basisgelenkaktuator zum Betätigen des Basisgelenks 40 ist mit dem Basisgelenk 40 verbunden. Verschiedene Strukturen können als die Struktur des Basisgelenkaktuators betrachtet werden. In der in der Zeichnung beispielhaft dargestellten Konfiguration umfasst der Aktuator eine Übertragungswelle 37 und einen Basisgelenksmotor 36, der über eine Kupplung 38 mit der Übertragungswelle 37 verbunden ist. Die Übertragungswelle 37 ist am Basisgelenk 40 befestigt und rotiert integral mit dem Basisgelenk 40. Die Übertragungswelle 37 ist auch drehbar durch eine Vielzahl von Lagern 35 getragen. Ein Basisende der Übertragungswelle 37 ist mit dem Basisgelenkmotor 36 über die Kupplung 38 und mit der Drehung des Basisgelenkmotors 36 dreht sich die Übertragungswelle 37 ebenfalls. Alternativ kann ein Untersetzungsgetriebe oder dergleichen zwischen dem Basisgelenkmotor 36 und der Übertragungswelle 37 angeordnet sein.
Wie aus 2 deutlich gezeigt, ist an einem äußeren Umfang der Werkstückspindel 32 ein erstes Zahnrad 50 befestigt, und an einem äußeren Umfang der Übertragungswelle 37 ist ein zweites Zahnrad 52 befestigt. Zwischen dem ersten Zahnrad 50 und dem zweiten Zahnrad 52 ist ein Verbindungszahnrad 54 vorgesehen, das mit beiden Zahnrädern kämmt. Das Verbindungszahnrad 54 kann in einer Richtung parallel zur Werkstückspindel 32 vor und zurück bewegt werden, und mit der Bewegung kämmt das Verbindungszahnrad 54 mit dem ersten und dem zweiten Zahnrad 50 und 52 oder das Kämmen mit dem ersten und dem zweiten Zahnrad 50 und 52 ist freigegeben. In einem Verbindungszustand, in dem das Verbindungszahnrad 54 mit dem ersten und dem zweiten Zahnrad 50 und 52 kämmt, ist das Basisgelenk 40 mit dem Spindelmotor 30 über die Übertragungswelle 37, das zweite Zahnrad 52, das Verbindungszahnrad 54, das erste Zahnrad 50, die Werkstückspindel 32 und die Kupplung 28 verbunden. In diesem Fall wird das Basisgelenk 40 unter Verwendung des Spindelmotors 30 drehend betätigt. Wenn das Basisgelenk 40 unter Verwendung des Spindelmotors 30 betätigt wird, kann der Basisgelenkmotor 36 in einen Freilauf versetzt werden, in dem kein Drehmoment ausgeübt wird, oder er kann synchron gesteuert werden, um sich synchron mit dem Spindelmotor 30 zu bewegen. Ferner kann die Anzahl der Zähne des ersten Zahnrads 50 und des zweiten Zahnrads 52 unterschiedlich eingestellt sein, um Zahnraduntersetzung oder Zahnradbeschleunigung anzuwenden. Alternativ können zwei oder mehr Paare der Zahnräder vorgesehen sein, um eine Änderung des Untersetzungsverhältnisses zu ermöglichen. Der hierin beschriebene Verbindungsmechanismus ist lediglich beispielhaft, und andere Strukturen, wie zum Beispiel ein Kupplungsmechanismus oder dergleichen, können verwendet werden, solange die Struktur das Basisgelenk 40 und den Spindelmotor 30 nach Bedarf verbinden oder trennen kann.
Wenn im Basisgelenk 40 mit einer derartigen Struktur kein großes Drehmoment erforderlich ist, wird die Verbindung mit dem Spindelmotor 30 gelöst und das Basisgelenk 40 wird durch den Basisgelenkmotor 36 betätigt. Wenn andererseits ein großes Drehmoment benötigt wird, wird das Basisgelenk 40 mit dem Spindelmotor 30 verbunden und wird mit dem Spindelmotor 30 mit großer Leistung anstelle von oder zusätzlich zum Basisgelenkmotor 36 betätigt. Mit anderen Worten, eine Antriebskraftquelle des Basisgelenks 40 wird entsprechend dem erforderlichen Drehmoment geschaltet.
Verschiedene Situationen können als Situation angesehen werden, die ein großes Drehmoment erfordert. Zum Beispiel können Fälle betrachtet werden, in denen das Werkstück unter Verwendung des maschineninternen Roboters 20 angebracht oder abgenommen wird. Insbesondere wenn der Rückhaltemechanismus, der das Werkstück halten kann, als der Endeffektor 46 des maschineninternen Roboters 20 vorgesehen ist, kann das Werkstück durch den maschineninternen Roboter 20 transportiert werden. Beim Transportieren des Werkstücks, das ein schweres Objekt ist, ist ein großes Drehmoment für das Basisgelenk 40 erforderlich. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Basisgelenk 40 mit dem Spindelmotor 30 mit großer Leistung zu verbinden. Einzelheiten dieses Vorganges werden nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Prozesses zum Anbringen des Werkstücks am Spannfutter 33 der Werkstückspindelvorrichtung 14 unter Verwendung des maschineninternen Roboters 20 zeigt. Wenn das Werkstück am Spannfutter 33 unter Verwendung des maschineninternen Roboters 20 angebracht werden soll, werden zuerst der Spindelmotor 30 und das Basisgelenk 40 verbunden (S12). Insbesondere wird das Verbindungszahnrad 54 bewegt, um mit dem ersten Zahnrad 50 und dem zweiten Zahnrad 52 zu kämmen.
Als Nächstes werden die Gelenke des maschineninternen Roboters 20 betätigt, um das außerhalb der Bearbeitungskammer oder dergleichen angeordnete Werkstück aufzunehmen, und das vom Endeffektor 46 gehaltene Werkstück wird zu einem Bereich in der Nähe des Spannfutters 33 transportiert (S14). Bei diesem Vorgang wird der Basisgelenkmotor 36 freigegeben und das Basisgelenk 40 wird mit dem Spindelmotor 30 betätigt. Bei einer solchen Konfiguration ist es nicht notwendig, den Basisgelenkmotor 36 und den Spindelmotor 30 synchron zu betätigen, was zu einer Vereinfachung der Steuerung führt. Ferner wird, wenn das Werkstück transportiert wird, eine große Last auf das Basisgelenk 40 aufgebracht, aber durch Betätigen des Basisgelenks 40 mit dem Spindelmotor 30 kann ein großes Drehmoment erhalten werden.
Wenn das Werkstück zu dem Bereich in der Nähe des Spannfutters 33 transportiert wird (JA in S16), wird der Spindelmotor 30 gebremst, um die Drehung des Basisgelenks 40 und des Spannfutters 33 (und folglich der Werkstückspindel 32) zu beschränken, um ein Bremsmoment zu erzeugen (S18). Mit diesem Vorgang wird die Drehung der Werkstückspindel 32 und des Spannfutters 33 gestoppt.
Wenn der Spindelmotor 30 gebremst wird und die Drehung des Spannfutters 33 gestoppt wird, bewegt die Steuerungsvorrichtung 34 andere Gelenke, um das Werkstück am Spannfutter 33 zu befestigen (S20). Wenn die Anbringung des Werkstücks abgeschlossen ist (JA in S22), wird die Verbindung zwischen dem Basisgelenk 40 und dem Spindelmotor 30 gelöst (S24). Mit anderen Worten gesagt, wird das Verbindungszahnrad 54 bewegt, um die Verzahnung mit den ersten und zweiten Zahnrädern 50 und 52 freizugeben. Mit diesem Vorgang kann sich die Werkstückspindel 32 unabhängig vom Basisgelenk 40 frei drehen.
Der maschineninterne Roboter 20 wird in eine Position zurückgezogen, um die Bearbeitung des Werkstücks nicht zu behindern (S26). In diesem Stadium ist die Anbringung des Werkstücks bereits abgeschlossen und es ist kein schweres Objekt (Werkstück) mehr an der Spitze des maschineninternen Roboters 20 vorhanden. Somit ist kein großes Drehmoment zum Betätigen des Basisgelenks 40 erforderlich. Bei diesem Vorgang wird das Basisgelenk 40 durch den Basisgelenkmotor 36 mit einer relativ geringen Kraft betätigt.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, sind in der vorliegenden Konfiguration das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 nur während der Zeitspanne miteinander verbunden, in der der maschineninterne Roboter 20 das Werkstück hält. Wenn der maschineninterne Roboter 20 das Werkstück hält, wird eine große Last auf das Basisgelenk 40 aufgebracht. Durch Verbinden des Spindelmotors 30 mit großer Leistung mit dem Basisgelenk 40 kann das Ausgangsdrehmoment des Basisgelenks 40 erhöht werden. Zusätzlich wird während des Transports des Werkstücks (S 14) keine Bearbeitung oder dergleichen ausgeführt. Somit besteht kein Problem, selbst wenn sich die Werkstückspindel 32 im Zusammenwirken mit dem Basisgelenk 40 dreht. Darüber hinaus wird während der Zeit der Befestigung des Werkstücks (S20), in der die Drehung der Werkstückspindel 32 gestoppt ist, die Drehung des Basisgelenks 40 ebenfalls gestoppt. Mit anderen Worten, der Zeitraum, in dem das Werkstück transportiert wird (S14), und der Zeitraum, in dem das Werkstück angebracht wird (S20), sind beides Perioden, in denen die zusammenwirkende Bewegung der Werkstückspindel 32 und des Basisgelenks 40 kein Problem darstellt. Durch Verbinden des Basisgelenks 40 und des Spindelmotors 30 nur während der Zeitspanne, in welcher der Zusammenarbeitsvorgang kein Problem darstellt, kann das Basisgelenk 40 in geeigneter Weise bewegt werden, ohne den Bearbeitungsvorgang oder dergleichen zu behindern. Andererseits müssen während eines Zeitraums, in dem der zusammenwirkende Betrieb der Werkstückspindel 32 und des Basisgelenks 40 nicht möglich ist, das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 voneinander getrennt werden. Als Zeitraum, in dem der zusammenwirkende Betrieb nicht möglich ist, gilt beispielsweise ein Zeitraum, in dem das Werkstück bearbeitet wird.
In der beispielhaften Konfiguration von 3 sind das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 auch während der Werkstückbefestigungsperiode (S20) verbunden, in der das Basisgelenk 40 abgebremst wird, um ein ausreichendes Bremsmoment zu erhalten. Wenn jedoch ein ausreichendes Bremsmoment ohne die Verbindung erhalten werden kann, kann die Verbindung zwischen dem Basisgelenk 40 und dem Spindelmotor 30 zum Zeitpunkt der Beendigung des Werkstücktransports gelöst werden. Wenn beispielsweise ein Bremsmechanismus oder dergleichen zum Beschränken der Drehung des Basisgelenks 40 separat vorgesehen ist, kann der Bremsmechanismus wirksam eingestellt werden, und die Verbindung zwischen dem Basisgelenk 40 und dem Spindelmotor 30 kann zum Zeitpunkt der Beendigung des Werkstücktransportes gelöst werden. Ferner ist die Last, die auf das Basisgelenk 40 aufgebracht wird, groß, wenn der maschineninterne Roboter 20 in einer langgestreckten Weise ausgefahren wird, sie ist jedoch klein, wenn der maschineninterne Roboter 20 zu einer kleinen Größe gefaltet ist. Wenn der maschineninterne Roboter 20 in einer kleinen Größe gefaltet ist, wenn das Werkstück zum Bereich in der Nähe des Spannfutters 33 transportiert wird, kann somit gesagt werden, dass die auf das Basisgelenk 40 aufgebrachte Last klein ist. In diesem Fall kann die Verbindung zwischen dem Basisgelenk 40 und dem Spindelmotor 30 zum Zeitpunkt der Beendigung des Werkstücktransports gelöst werden und das Bremsmoment kann durch den Basisgelenkmotor 36 erhalten werden.
In der 3 wird ferner ein beispielhafter Fall beschrieben, in dem das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 miteinander verbunden sind, wenn das Werkstück transportiert wird und wenn das Werkstück angebracht wird. Alternativ können das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 in anderen Situationen verbunden sein, solange die Situation eine ist, in der es kein Problem gibt, selbst wenn das Basisgelenk und die Werkstückspindel 32 zusammenwirkend arbeiten. Zum Beispiel kann eine Werkzeugmaschine in Betracht gezogen werden, in der eine Vielzahl von Arten von Endeffektoren 46 außerhalb der Bearbeitungskammer angeordnet sind und der maschineninterne Roboter 20 den Endeffektor 46 nach Bedarf austauscht. In diesem Fall muss der maschineninterne Roboter 20 den Arm in einer langgestreckten Weise ausfahren, wenn der Endeffektor in den außerhalb der Bearbeitungskammer vorgesehenen Endeffektor 46 gewechselt wird. Bei diesem Vorgang wird eine große Last auf das Basisgelenk 40 aufgebracht und somit kann eine Konfiguration verwendet werden, bei der das Basisgelenk 40 und der Spindelmotor 30 nur während einer Periode miteinander verbunden sind, wenn der Arm in einer langestreckten Weise ausgefahren ist.
Ferner wird normalerweise während der Zeit, in der das Werkstück bearbeitet wird, die Werkstückspindel 32 auch mit einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit gedreht. Somit wird die Verbindung zwischen dem Basisgelenk 40 und dem Spindelmotor 30 gelöst. Mit anderen Worten, während des Zeitraums, in dem die Bearbeitung unter Verwendung eines von dem Rückhalteelement (Werkstückspindel 32) gehaltenen Elements (Werkstück) ausgeführt wird, ist die Verbindung zwischen dem ersten Motor (Spindelmotor 30), der das Rückhalteelement bewegt, und dem Basisgelenk 40 freigegeben. Es gibt jedoch unter Werkzeugmaschinen auch eine Werkzeugmaschine, die eine Vielzahl von Werkstückspindeln 32 aufweist. In diesem Fall können die Spindelmotoren 30, die den anderen Werkstückspindeln 32 entsprechen, während einer Periode, in der das von einer Werkstückspindel 32 gehaltene Werkstück bearbeitet wird, und das Basisgelenk 40 miteinander verbunden sein. Zusätzlich ist in den obigen Beschreibungen ein spezieller Motor zum Betätigen des Basisgelenks 40, das heißt, der Basisgelenksmotor 36, vorgesehen, aber alternativ kann der Basisgelenksmotor 36 in einigen Fällen weggelassen werden.
Darüber hinaus ist in den obigen Beschreibungen ein Fall dargestellt, in dem die Rotationsachse Rr des Basisgelenks 40 und die Rotationsachse Rw der Werkstückspindel 32 nicht miteinander übereinstimmen und parallel zueinander liegen. Alternativ können die Rotationsachsen Rw und Rr miteinander übereinstimmen. Diese Konfiguration wird nun unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben. 4 und 5 sind Diagramme, die eine beispielhafte Konfiguration zeigen, bei der die zwei Rotationsachsen Rr und Rw miteinander übereinstimmen. In der Struktur von 4 und 5 ist das Basisgelenk 40 ein ungefähres ringförmiges Element, das an einem äußeren Umfang der Werkstückspindel 32 angeordnet ist. Das Basisgelenk 40 ist drehbar in Bezug auf die Werkstückspindel 32 angebracht.
An einer Endfläche der Werkstückspindel 32 in der axialen Richtung ist ein Eingriffselement 56 vorgesehen, das sich in der radialen Richtung vor und zurück bewegt. Zusätzlich ist am Basisgelenk 40 eine Eingriffsnut 58 ausgebildet, in der ein Teil des Eingriffselements 56 gelagert ist und an der das Eingriffselement 56 angreift. Wenn ein großes Drehmoment zum Betätigen des Basisgelenks 40 benötigt wird, wird das an der Werkstückspindel 32 vorgesehene Eingriffselement 56 auf einer Außenseite in der radialen Richtung bewegt, so dass das Eingriffselement 56 in die Eingriffsnut 58 eingreift, die an dem Basisgelenk 40 vorgesehen ist. Mit solch einer Konfiguration kann sich das Basisgelenk 40 in Verbindung mit der Werkstückspindel 32 durch die Betätigung eines Betätigungsmotors mit großer Kraft drehen. Wenn andererseits erwünscht ist, das Basisgelenk 40 und die Werkstückspindel 32 unabhängig zu bewegen, wird das Eingriffselement 56, das an der Werkstückspindel 32 vorgesehen ist, in eine Innenseite in der radialen Richtung zurückgezogen, so dass das Eingriffselement 56 außer Eingriff mit der Eingriffsnut 58 steht, die am Basisgelenk 40 vorgesehen ist. Mit einer derartigen Konfiguration können sich das Basisgelenk 40 und die Werkstückspindel 32 unabhängig voneinander bewegen. In der beispielhaften Konfiguration, die in den Zeichnungen gezeigt ist, ist das Eingriffselement 56 an der Werkstückspindel 32 vorgesehen und die Eingriffsnut 58 ist am Basisgelenk 40 vorgesehen, aber alternativ können diese Elemente in umgekehrter Weise bereitgestellt sein. Das heißt, die Eingriffsnut 58 kann auf der Seite der Werkstückspindel 32 vorgesehen sein.
Darüber hinaus ist in den obigen Beschreibungen das Basisgelenk 40 mit dem Spindelmotor 30 verbunden, der die Werkstückspindel 32 betätigt. Alternativ kann das Basisgelenk 40 mit anderen Motoren verbunden sein, solange der Motor ein Motor ist, der das Rückhalteelement dreht oder bewegt, welches das Werkzeug oder das Werkstück hält. Zum Beispiel kann das Basisgelenk 40 in geeigneter Weise mit einem Motor verbunden oder davon getrennt werden, um den Revolver 19 (Rückhalteelement) zu drehen, der das Werkzeug hält. In diesem Fall ist der maschineninterne Roboter 20 vorzugsweise an der Werkzeugaufnahme 18 vorgesehen, an welcher der Revolver 19 befestigt ist.
Ferner sind bei Werkzeugmaschinen, die als Bearbeitungszentrum bezeichnet werden, und bei einer Multitasking-Maschine mit einer Rotationsschneidfunktion, die ein Werkstück mit einem Rotationswerkzeug schneidet, eine Werkzeugspindelvorrichtung, die das Rotationswerkzeug drehbar festhält, ein Tisch, auf dem das Werkstück angeordnet wird, und dergleichen vorgesehen. Bei solchen Werkzeugmaschinen gibt es einige Fälle, in denen ein Schwenkmotor zum Schwenken der Werkzeugspindelvorrichtung um eine Achse annähernd orthogonal zur Werkzeugdrehachse, ein Tischmotor zum Drehen des Tisches und dergleichen vorgesehen sind. In diesem Fall kann das Basisgelenk 40 des maschineninternen Roboters 20 mit diesen Motoren verbunden oder von diesen getrennt werden.
Zusätzlich ist in den obigen Beschreibungen nur eine beispielhafte Konfiguration beschrieben, bei der das Basisgelenk 40 mit einem Motor verbunden ist, der das Rückhalteelement (wie die Werkstückspindel 32 und die Werkzeugspindelvorrichtung), welches das Werkstück oder das Werkzeug hält, dreht. Alternativ kann das Basisgelenk 40 mit einem Motor verbunden sein, der das Rückhalteelement linear bewegt. Bei der in 1 gezeigten Werkzeugmaschine 10 ist beispielsweise ein Z-Achsen-Motor eingebaut, der die Werkzeugaufnahme 18 und den Reitstock 16 in Z-Richtung linear bewegt. Der maschineninterne Roboter 20 kann auf einer Basis 22 angeordnet sein, auf der die Werkzeugaufnahme 18 und der Reitstock 16 platziert sind, und das Basisgelenk 40 kann als eine linear bewegliche Verbindung eingestellt sein, die sich linear in der Z-Richtung bewegt. Das Basisgelenk 40 und der Z-Achsen-Motor können nach Bedarf miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.

Claims

Werkzeugmaschine (10), umfassend: ein Rückhalteelement (32), das ein Werkstück oder ein Werkzeug festhält; einen ersten Motor (30), der das Rückhalteelement (32) dreht oder bewegt; einen maschineninternen Roboter (20), der innerhalb der Werkzeugmaschine (10) vorgesehen ist und der ein Gelenkroboter mit einem oder mehreren Gelenken ist; und einen Verbindungsmechanismus, der ein Basisgelenk (40), das zwischen dem einen oder den mehreren Gelenken am nächsten zu einem Basisende angeordnet ist, und den ersten Motor (30) miteinander verbindet oder voneinander trennt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Basisgelenkaktuator, der getrennt vom ersten Motor (30) vorgesehen ist und der das Basisgelenk (40) betätigt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, wobei während eines Zeitraums, in dem das Basisgelenk (40) und der erste Motor (30) miteinander verbunden sind, der Basisgelenkaktuator in einen Freilauf versetzt oder vom Basisgelenk (40) getrennt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Basisgelenk (40) ein Drehgelenk ist, das rotiert, und das Rückhalteelement (32) mit der Betätigung des ersten Motors (30) rotiert.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, wobei eine Rotationsachse des Rückhalteelements (32) und eine Rotationsachse des Basisgelenks (40) nicht miteinander übereinstimmen, und das Basisgelenk (40) über eine Vielzahl von Übertragungsmechanismen mit dem ersten Motor (30) verbunden oder von diesem getrennt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, wobei eine Rotationsachse des Rückhalteelements (32) und eine Rotationsachse des Basisgelenks (40) zusammenfallen, ein Eingriffselement (56) an einem von Basisgelenk (40) und Rückhalteelement (32) vorgesehen ist, und ein eingerücktes Element, das in einer Umfangsrichtung in das Eingriffselement (56) eingreift oder von diesem ausrückt, an dem anderen von Basisgelenk (40) und Rückhalteelement (32) vorgesehen ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückhalteelement (32) eine Werkstückspindel ist, die ein Werkstück in einer selbstdrehenden Weise hält.