KR20170127361A

KR20170127361A - 공작기계

Info

Publication number: KR20170127361A
Application number: KR1020170056826A
Authority: KR
Inventors: 쇼이치 모리무라
Original assignee: 오쿠마 가부시키가이샤
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2017-11-21
Also published as: US20170326701A1; KR102477934B1; TW201742722A; CN107363543B; TWI722180B; JP2017202547A; JP6735148B2; CN107363543A; DE102017110029A1; US10603752B2

Abstract

회전공구(100)에 의해 공작물(110)을 절삭하는 공작기계(10)는 회전공구(100)를 규정의 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 자전 가능하게 홀딩하는 공구 주축장치(16)과, 1 이상의 기계 내 로봇(20)과, 당해 기계 내 로봇(20)이 상기 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 상기 공구 주축장치(16)의 주위를 회전공구(100)와는 독립적으로 이동하도록, 기계 내 로봇(20)을 상기 공구 주축장치(16)에 장착하는 연결기구(40)를 구비한다.

Description

공작기계{MACHINE TOOL}

본 명세서에서는 공작물을 절삭가공, 또는, 에너지 또는 재료를 방사해서 공작물을 조형하는 공작기계를 개시한다.

최근, 공작기계의 자동화나 고성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다. 자동화를 실현시키기 위해서, 공구를 자동적으로 교환하기 위한 자동 공구 교환장치(ATC)나, 공작물이 탑재된 팰릿을 자동적으로 교환하는 자동 팰릿 교환장치(APC) 등과 같은 자동교환장치가 제안되고 있다. 또, 로더나 바 피더 등과 같은 공작물 공급장치 등의 주변 장치도 널리 알려져 있다. 또, 고성능화를 실현시키기 위해서, 센서를 사용한 기계 내(in-machine) 계측이나 지능화 등이 수행되고 있다.

또, 공작기계의 자동화나 고성능화를 도모하기 위해서 일부에서는 로봇을 이용하는 것이 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 공작기계의 외부에 설치된 로봇을 사용해서 공작기계로의 공작물의 착탈을 실시하는 기술이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2에는 공작기계의 상부에 장착된 갠트리 레일 위로 주행하는 다관절 로봇을 설치하고, 당해 다관절 로봇으로 복수의 공작기계 사이의 공작물의 반송 등을 실시하는 기술이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 3, 4에는 파지기의 개폐 동작에 의해 공작물의 반송을 실시하는 공작물의 반송구가 개시되어 있다. 이 반송구는 암 형상이고, 본체 기능상자에 장착되어 있다. 또, 당해 본체 기능상자는 주축을 지지하는 주축 헤드의 우측부에 설치되어 있다. 반송구는 주축의 장축과 거의 직교하는 축 주위에 선회 가능하게 되어 있다. 그리고 반송구는 선회함으로써, 그 암이 거의 수평이 되는 상태와, 거의 수직이 되는 상태로 변화될 수 있게 되어 있다.

일본 공개특허공보 2010-36285호 일본 공개특허공보 2010-64158호 일본 공개특허공보 H05-301141호 일본 공개특허공보 H05-301142호

그렇지만, 종래의 기술에서는 다양한 위치·자세로 공작물이나 공구 등에 액세스할 수 있는 로봇은 얻을 수 없었다. 즉, 통상, 공작기계의 본체부는 안전성이나 환경성 등에 대한 대응으로부터 커버로 덮어진다. 따라서 특허문헌 1, 2와 같이, 공작기계의 본체부 이외의 부분에 설치된 로봇을 사용해서 가공실의 내부에 액세스하려고 하면, 가공실의 도어를 열 필요가 있다. 이를 위해 특허문헌 1, 2의 로봇에서는 공작물을 가공하고 있지 않을 때에, 공작물의 착탈 등을 실시할 수다. 그러나, 가공 중, 즉, 가공실의 도어를 닫은 상태에서는 로봇이 공작물이나 공구에 액세스할 수 없다. 그 결과, 특허문헌 1, 2의 기술에서는 로봇의 용도가 한정되고 있었다.

특허문헌 3, 4과 같이 반송구 등의 로봇을 주축 헤드에 고정하는 기술도 있다. 이러한 기술에 의하면, 가공실의 도어를 닫은 상태에서도 로봇이 공작물이나 공구에 액세스할 수 있다. 그러나 이 경우, 주축 헤드에 대한 로봇의 위치가 고정되기 때문에, 주축 헤드를 사이에 두고 로봇의 반대측에 액세스하기 위해서는 로봇을 대형으로 할 필요가 있다. 예를 들면, 로봇이 복수의 암을 관절을 통해서 접속한 다관절형 로봇인 경우, 각 암의 길이를 길게 할 필요가 있다. 그러나 암을 길게 하면 그만큼, 다른 부재에 대한 간섭이 발생하기 쉽고, 또, 관절을 움직이기 위해서 필요한 토크도 커진다.

그래서, 본 명세서에서는 다양한 위치·자세로 공작물이나 공구 등에 액세스할 수 있는 보다 소형의 로봇을 구비한 공작기계를 개시한다.

본 명세서에서 개시하는 공작기계는 공구에 의해 공작물을 절삭하는 공작기계로써, 상기 공구를 규정된 공구 회전축을 중심으로 해서 자전 가능하게 홀딩하는 공구 주축장치와, 1 이상의 로봇과, 상기 1 이상의 로봇이 상기 공구 회전축을 중심으로 해서 상기 공구 주축장치의 주위를 상기 공구와는 독립적으로 이동하도록, 상기 1 이상의 로봇을 상기 공구 주축장치에 장착하는 연결기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 로봇은 상기 공구에 의한 상기 공작물의 가공 실행 중에, 상기 공구 및 상기 공작물의 적어도 한쪽에 액세스 가능할 수도 있다.

또, 상기 로봇은 상기 공구에 의한 상기 공작물의 가공의 보조, 상기 가공 중에서의 상기 공구 또는 상기 공작물에 관한 센싱, 및, 부가적인 가공의 적어도 하나를 수행할 수도 있다.

또, 상기 로봇은 대상물에 작용하는 1 이상의 엔드 이펙터와, 상기 1 이상의 엔드 이펙터를 지지하는 1 이상의 암과, 상기 1 이상의 암의 단부에 설치되는 1 이상의 관절을 구비한 암(arm) 타입 로봇일 수도 있다.

또, 상기 공구 주축장치는 상기 공구 회전축에 직교하는 축을 중심으로 해서 요동 가능할 수도 있다.

또, 상기 로봇이 상기 공구 또는 공작물을 파지 가능한 파지부를 구비할 수도 있다.

또, 상기 공작기계가 상기 공작물을 선삭하는 선반 기능을 구비한 복합가공기이고, 상기 공작물을 자전 가능하게 홀딩하는 공작물 주축장치와, 상기 자전하는 공작물을 선삭하는 선삭 공구를 홀딩하는 절삭 공구대를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 로봇은 상기 선삭 공구에 의한 선삭 가공 중에, 상기 공작물 및 선삭 공구의 적어도 한쪽에 액세스 가능할 수 있다.

본 명세서에서 개시하는 공작기계는 규정된 방사축 방향으로, 에너지 또는 재료를 방사하고, 공작물을 조형하는 공작기계로써, 상기 에너지 또는 재료를 상기 방사축 방향으로 방사하는 방사 헤드와, 1 이상의 로봇과, 상기 1 이상의 로봇이 상기 방사축을 중심으로 해서 상기 방사 헤드의 주위를 이동하도록, 상기 1 이상의 로봇을 상기 방사 헤드에 장착하는 연결기구를 구비한다.

본 명세서에서 개시하는 공작기계에 의하면, 로봇이 공구 주축장치, 또는, 방사 헤드에 회전 가능하게 장착되어 있다. 그 때문에 로봇을 소형화해도 로봇의 위치 및 자세를 크게 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 로봇이 다양한 위치·자세로 공작물이나 공구 등에 액세스할 수 있다.

도 1은 공작기계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 기계 내 로봇 주변의 사시도이다.
도 3은 기계 내 로봇 주변의 사시도이다.
도 4는 기계 내 로봇 주변의 사시도이다.
도 5는 기계 내 로봇 주변의 사시도이다.
도 6은 다른 기계 내 로봇의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 7은 다른 기계 내 로봇의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 공구 주축장치에 고착된 기계 내 로봇을 나타내는 도면이다.
도 9는 공구 주축장치에 고착된 기계 내 로봇을 나타내는 도면이다.

이하, 공작기계(10)의 구성에 대해서 도면을 참조해서 설명한다. 도 1은 본 공작기계(10)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 이하의 설명에서는 공작물 주축(32)의 회전축 방향을 Z축, Z축에 직교하는 연직방향을 X축, Z축 및 X축에 직교하는 방향을 Y축이라 부른다. 또, Z축에 있어서는 공작물 주축(32)으로부터 절삭 공구대(18)에 근접하는 방향을 플러스 방향, X축에 있어서는 공작물 주축(32)으로부터 공구 주축(38)에 근접하는 방향을 플러스 방향, Y축에 있어서는, 공구 주축(38)로부터 미들 베이스(28)에 근접하는 방향을 플러스 방향으로 한다.

이 공작기계(10)는 공작물(110)을 회전시키면서 선삭 공구(102)를 대고 공작물(110)을 절삭하는 선삭 기능과, 회전공구(100)로 공작물(110)을 절삭하는 전삭 기능을 가지는 복합가공기이다. 공작기계(10)의 본체부(12)의 주위는 커버(미도시)로 덮어져 있다. 이 커버로 구획되는 공간이 공작물(110)의 가공이 이루어지는 가공실이 된다. 커버에는 적어도 하나의 개구부와, 당해 개구부를 개폐하는 도어(모두 미도시)가 설치되어 있다. 오퍼레이터는 이 개구부를 통해서 공작기계(10)의 본체부(12)나 공작물(110) 등에 액세스한다. 가공 중, 개구부에 설치된 도어는 폐쇄된다. 이것은 안전성이나 환경성 등을 담보하기 위해서이다.

본체부(12)는 공작물(110)을 자전 가능하게 홀딩하는 공작물 주축장치(14)와, 회전공구(100)를 자전 가능하게 홀딩하는 공구 주축장치(16)와, 선삭 공구(102)를 홀딩하는 절삭 공구대(18)를 구비하고 있다. 공작물 주축장치(14)는 베이스(22)에 설치된 주축 베이스(30)와, 당해 주축 베이스(30)에 장착된 공작물 주축(32)을 구비하고 있다. 공작물 주축(32)은 공작물(110)을 착탈이 자유롭게 홀딩하는 척(33)이나 콜릿을 구비하고 있으며, 홀딩하는 공작물(110)을 적당하게, 교환할 수 있다. 또, 공작물 주축(32)은 수평방향(도 1에서의 Z축 방향)으로 연장되는 공작물 회전축(Rw)을 중심으로 해서 자전한다.

공구 주축장치(16)는 전삭용의 공구(회전공구(100)), 예를 들면, 프레이즈나 엔드밀이라 불리는 공구를 자전 가능하게 홀딩하는 것으로, 그 내부에 드라이브 모터 등을 내장한 주축 헤드(36)와, 당해 주축 헤드(36)에 장착된 공구 주축(38)을 구비하고 있다. 공구 주축(38)은 회전공구(100)를 착탈이 자유롭게 홀딩하는 클램퍼를 구비하고 있으며, 필요에 따라서 홀딩하는 회전공구(100)를 교환할 수 있다. 또, 공구 주축(38)은 수직방향(도 1에서의 X축 방향)으로 연장되는 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 자전한다.

또, 주축 헤드(36)에는 연결기구(40)를 통해서 기계 내 로봇(20)이 장착되어 있다. 이 기계 내 로봇(20)은 가공의 보조나, 각종 센싱, 보조적 작업 등에 사용할 수 있다. 이 기계 내 로봇(20)의 구성이나 기능에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.

또, 주축 헤드(36)는 당해 주축 헤드(36)를 통과하는 동시에 Y축 방향으로 연장되는 요동축(St)(도 2 참조) 주위에 요동 가능하게 되어 있다. 그리고 주축 헤드(36)가 요동축(St) 주위에 요동함으로써, 회전공구(100)나, 기계 내 로봇(20)의 자세가 변화한다.

주축 헤드(36)는 미들 베이스(28)에 장착되어 있다. 이 미들 베이스(28)는 X축 가이드 레일(미도시)을 통해서 칼럼(26)에 장착되어 있고, 칼럼(26)에 대해서 승강이 자유롭게(X방향으로 이동 가능) 되어 있다. 또, 칼럼(26)은 Y축 가이드 레일을 통해서 새들(24)에 장착되어 있고, 새들(24)에 대해서 Y축 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 또, 새들(24)은 Z축 가이드레일을 통해서 베이스(22)에 장착되어 있고, 베이스(22)에 대해서 Z축 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 그리고 이 새들(24), 칼럼(26), 미들 베이스(28)를 적당하게 이동시킴으로써, 공구 주축장치(16) 나아가서는, 공구 주축장치(16)에 장착된 회전공구(100)나 기계 내 로봇(20)이 소망하는 위치로 직선 이동한다.

절삭 공구대(18)는 선삭 공구(102), 예를 들면, 바이트라 불리는 공구를 홀딩한다. 이 절삭 공구대(18)는 X축 가이드 레일을 통해서 아래 새들(19)에 장착되고, 아래 새들(19)에 대해서 승강이 자유롭게(X방향으로 이동 가능) 되어 있다. 아래 새들(19)은 Z축 가이드 레일을 통해서, 베이스(22)에 장착되어 있고, Z축 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 결과적으로 선삭 공구(102)는 X축 방향, Z축 방향으로 이동 가능하게 되어 있다.

제어장치(34)는 오퍼레이터로부터의 지시에 따라서, 공작기계(10)의 각부 구동을 제어한다. 이 제어장치(34)는 예를 들면, 각종 연산을 실시하는 CPU와, 각종 제어프로그램이나 제어 파라미터를 기억하는 메모리로 구성된다. 또, 제어장치(34)는 통신기능을 가지고 있고, 다른 장치와의 사이에서 각종 데이터, 예를 들면, NC프로그램 데이터 등을 주고 받을 수 있다. 이 제어장치(34)는 예를 들면, 공구(100, 102)나 공작물(110)의 위치를 수시 연산하는 수치 제어장치를 포함할 수도 있다. 또, 제어장치(34)는 단일 장치일 수도 있고, 복수의 연산장치를 조합시켜서 구성될 수도 있다.

다음에, 공구 주축장치(16)에 장착된 기계 내 로봇(20)에 대해서 도 2∼도 5를 참조해서 설명한다. 도 2∼도 5는 기계 내 로봇(20) 주변의 사시도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 기계 내 로봇(20)은 복수의 암(42a∼42c)과, 복수의 관절(44a∼44c)을 가지는 다관절 로봇이다. 이 기계 내 로봇(20)은 앞서 서술한 바와 같이, 연결기구(40)를 통해서 주축 헤드(36)에 장착되어 있다. 주축 헤드(36)는 거의 원통형상을 하고 있고, 그 중심축은 공구 회전축(Rt)과 일치하고 있다. 이 주축 헤드(36)는 앞서 서술한 바와 같이, 새들(24), 칼럼(26), 미들 베이스(28)의 이동에 동반해서 직선 이동할 수 있다. 또, 주축 헤드(36)는 미들 베이스(28)에 회전 가능하게 장착되어 있고, Y축(수평) 방향으로 연장되는 요동축(St)을 중심으로 해서 요동 가능하게 되어 있다.

연결기구(40)는 베어링(미도시)을 통해서 주축 헤드(36)에 장착되어 있고, 주축 헤드(36)에 대해서 회전 가능하게 되어 있다. 이 연결기구(40)의 회전축은 공구 회전축(Rt)과 일치하고 있다. 연결기구(40)에는 모터 등의 액추에이터가 장착되어 있고, 이 액추에이터의 구동은 제어장치(34)에 의해 제어된다.

기계 내 로봇(20)은 제1∼제3 암(42a)∼42c(이하, 제1∼제3을 구별하지 않는 경우에는 수 표시의 알파벳을 생략하고 「암」이라고만 말한다. 다른 부재에 있어서도 동일하다)와, 이것들의 단부에 설치된 제1∼제3 관절(44a∼44c)과, 엔드 이펙터(46)를 구비하고 있다. 제1 암(42a)의 기단은 제1 관절(44a)을 통해서 연결기구(40)에, 제2 암(42b)의 기단은 제2 관절(44b)을 통해서 제1 암(42a)의 선단에, 제3 암(42c)의 기단은 제3 관절(44c)을 통해서 제2 암(42b)의 선단에 각각 접속되어 있다. 제1∼제3 관절(44a∼44c)은 모두 Y축 방향(공구 회전축(Rt)에 직교하는 방향)의 요동축을 가지고 있고, 각 암(42)은 당해 요동축을 중심으로 해서 요동한다. 제1∼제3 관절(44a∼44c)에는 모터 등의 액추에이터가 장착되어 있고, 이 액추에이터의 구동은 제어장치(34)에 의해 제어된다. 제어장치(34)는 연결기구(40) 및 각 관절(44a∼44c)에 설치된 액추에이터의 구동량으로부터 후술하는 엔드 이펙터(46)의 위치를 산출한다.

제3 암(42c)의 선단에는 대상물에 작용하는 엔드 이펙터(46)가 설치되어 있다. 엔드 이펙터(46)는 약간의 효과를 발휘하는 것이라면 특별하게 한정되지 않는다. 따라서 엔드 이펙터(46)는 예를 들면, 대상물이나 대상물의 주변환경에 관한 정보를 센싱하는 센서로 할 수 있다. 이 경우, 엔드 이펙터(46)는 예를 들면, 대상물로의 접촉의 유무를 검지하는 접촉 센서나, 대상물까지의 거리를 검지하는 거리 센서, 대상물의 진동을 검지하는 진동 센서, 대상물로부터 부가되는 압력을 검지하는 압력 센서, 대상물의 온도를 검지하는 센서 등으로 할 수 있다. 이것들 센서에서의 검지 결과는 연결기구(40) 및 관절(44a∼44c)의 구동량으로부터 산출되는 엔드 이펙터(46)의 위치정보와 관련되어 기억되고, 해석된다. 예를 들면, 엔드 이펙터(46)가 접촉 센서인 경우, 제어장치(34)는 대상물로의 접촉을 검지한 타이밍과, 그 때의 위치정보에 의거해서 대상물의 위치나 형상, 움직임을 해석한다.

또, 다른 형태로서, 엔드 이펙터(46)는 대상물을 홀딩하는 홀딩기구로 할 수도 있다. 홀딩의 형식은 한 쌍의 부재로 대상물을 파지하는 핸드 형식일 수도 있고, 대상물을 흡인 홀딩하는 형식일 수도 있고, 자력 등을 이용해서 홀딩하는 형식 등 일 수도 있다.

또, 다른 형태로서, 엔드 이펙터(46)는 가공을 보조하기 위한 유체를 출력하는 장치일 수도 있다. 구체적으로는 엔드 이펙터(46)는 절삭분을 불어 날려버리기 위한 에어나, 공구(100, 102) 또는 공작물(110)을 냉각시키기 위한 냉각용 유체(절삭유나 절삭수 등)을 방출하는 장치일 수도 있다. 또, 엔드 이펙터(46)는 공작물 조형을 위한 에너지 또는 재료를 방출하는 장치일 수도 있다. 따라서 엔드 이펙터(46)는 예를 들면, 레이저나 아크를 방출하는 장치일 수도 있고, 적층 조형을 위해서 재료를 방출하는 장치일 수도 있다. 또 다른 형태로서, 엔드 이펙터(46)는 대상물을 촬영하는 카메라일 수도 있다. 이 경우, 카메라에서 얻은 영상을 조작 패널 등에 표시할 수도 있다.

또, 엔드 이펙터(46)가 작용시키는 대상물은 가공실 내에 있는 것이라면, 특별하게 한정되지 않는다. 따라서 대상물은 공구 주축(38)에 홀딩되는 회전공구(100)일 수도 있고, 공작물 주축장치(14)에 홀딩되고 있는 공작물(110)일 수도 있다. 또, 대상물은 절삭 공구대(18)에 홀딩되고 있는 선삭 공구(102)일 수도 있다. 또, 대상물은 공구(100, 102) 및 공작물(110) 이외의 것, 예를 들면, 가공실 내로 비산한 절삭분이나, 공작물(110)에 조립되는 부품, 공작기계(10)의 구성부품(공작물 주축(32)의 척(33)이나, 공구 주축(38)의 콜릿 등)일 수도 있다.

또, 지금까지의 설명에서는 엔드 이펙터(46)의 개수를 하나로 하고 있지만, 엔드 이펙터(46)의 개수는 하나로 한정되지 않고, 복수일 수도 있다. 또, 엔드 이펙터(46)는 적어도 기계 내 로봇(20)에 설치될 수도 있으며, 그 설치 위치는 다관절 암의 선단에 한정되지 않고, 다관절 암의 도중에 설치될 수도 있다.

다음에, 전술한 바와 같은 기계 내 로봇(20)의 움직임에 대해서 설명한다. 주축 헤드(36)는 가공의 상황에 따라서, 적당하게, 이동 및 요동한다. 이 주축 헤드(36)에 장착된 기계 내 로봇(20)은 필요에 따라서, 가공의 보조나, 센싱, 보조적 작업 등을 실시한다. 이때, 기계 내 로봇(20)은 필요에 따라서, 각 관절(44)을 움직여서 엔드 이펙터(46)의 위치 및 자세를 변화시킨다. 특히, 도시예에서는 엔드 이펙터(46)가 대상물에 액세스할 때의 위치나 방향에 따라서 기계 내 로봇(20)을, 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 회전시킬 수 있다. 별도의 표현을 하자면, 기계 내 로봇(20)은 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 주축 헤드(36)의 주위를 이동할 수 있다. 또, 이하의 설명에 있어서, 「액세스하다」란 기계 내 로봇(20)이 기계 내 로봇(20)의 동작 목적을 달성할 수 있는 위치까지 대상물에 접근하는 것을 의미한다. 따라서 기계 내 로봇(20)의 엔드 이펙터(46)가 접촉해서 온도를 검지하는 온도센서인 경우, 「액세스하다」란 당해 엔드 이펙터(46)가 대상물에 접촉하는 위치까지 접근하는 것이다. 또, 엔드 이펙터(46)가 비접촉으로 온도를 검지하는 온도센서인 경우, 「액세스하다」란 당해 엔드 이펙터(46)가 대상물의 온도가 검지되는 위치까지 대상물에 접근하는 것이다.

엔드 이펙터(46)를 회전공구(100) 근방에 위치하는 대상물(예를 들면 공작물(110))에, Z축 방향 플러스측으로부터 액세스시키고 싶은 경우, 도 2에 나타내는 바와 같이 제2 암(42b)이 주축 헤드(36)보다도 Z축 방향 플러스측에 위치하도록, 연결기구(40)를 회전시킨다. 한편, 엔드 이펙터(46)를 회전공구(100) 근방에 위치하는 대상물에, Y축 방향 플러스측으로부터 액세스시키고 싶은 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이 제2 암(42b)이 주축 헤드(36)보다도 Y축 방향 플러스측에 위치하도록, 연결기구를 회전시킨다. 또, 엔드 이펙터(46)을 사용하지 않는 경우에는, 도 4, 도 5에 나타내는 바와 같이 제1∼제3관절(44a∼44c)을 구동하고, 엔드 이펙터(46)를 공작물(110)이나 공구(100, 102)와 간섭하지 않는 위치로 이동시킨다.

이러한 기계 내 로봇(20)은 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예를 들면, 기계 내 로봇(20)은 공작물(110)을 가공하고 있는 동안, 당해 가공을 보조할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면 기계 내 로봇(20)은 가공 중, 공작물(110) 및 공구(100, 102)의 적어도 한쪽을 지지한다. 이에 따라 저강성의 공작물(110)/공구(100, 102)의 진동 등을 억제할 수 있다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 가공 중, 공작물 주축장치(14)를 대신해서, 공작물(110)을 홀딩할 수도 있다. 이에 따라 가공 중, 공작물(110)의 자세를 자유롭게 변화시킬 수 있고, 복잡한 형상의 가공이 가능하게 된다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 가공 중, 공작물(110)이나 공구(100, 102)에 진동을 부여하게 할 수도 있다. 이에 따라 진동을 부여하면서 절삭을 실시하는 특수한 가공이 가능하게 된다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 가공 중, 냉각용 유체(절삭유, 절삭수)나, 절삭분 제거를 위한 에어를 방출할 수도 있다. 그 위치나 자세를 자유롭게 변경할 수 있는 기계 내 로봇(20)에 의해 냉각용 유체 또는 에어를 방출하면, 공작물(110) 및 공구(100, 102)의 절삭성이나 온도를 더욱 자유롭게 컨트롤 할 수 있다.

또, 기계 내 로봇(20)은 예를 들면, 공작물(110)을 가공하고 있는 동안, 또는, 가공의 전후에 있어서, 각종 센싱을 실시할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들면 기계 내 로봇(20)에 의해 절삭상태(가공면 정도나 절삭분의 상태)를 감시할 수도 있다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 가공 중에 공작물(110)이나, 공구(100, 102)의 상태, 예를 들면, 온도나 진동, 변형 등을 센싱하고, 제어장치(34)로 출력할 수도 있다. 이 경우, 제어장치(34)는 기계 내 로봇(20)에 의해 검지된 정보에 의거해서 필요하다면, 각종 가공조건(이송속도나 회전속도 등)을 변경하는 것이 바람직하다. 또, 기계 내 로봇(20)은 가공의 개시 전, 또는, 종료 후에, 공작물(110)의 형상을 계측하는 구성으로 할 수도 있다. 가공 개시 전에 공작물(110)의 형상을 계측함으로써, 공작물(110)의 오장착을 확실하게 방지할 수 있다. 또, 가공 개시 후에 공작물(110)의 형상을 계측함으로써, 가공결과의 양부를 판정할 수 있다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 예를 들면 가공의 개시 전, 또는, 종료 후에, 공구(100, 102)의 상태(마모량이나 돌출량 등)을 계측할 수도 있다.

또, 기계 내 로봇(20)은 예를 들면, 가공에 직접 관계 없는 작업을 수행할 수도 있다. 구체적으로는, 기계 내 로봇(20)은 가공 중, 또는 가공의 완료 후에, 가공실 내로 비산한 절삭분을 회수하는 청소 작업을 수행할 수도 있다. 또, 다른 형태로서, 기계 내 로봇(20)은 가공을 하고 않는 기간 동안에, 공구의 점검(마모의 유무나 돌출량의 확인 등)이나, 공작기계(10)의 가동부 점검을 수행할 수도 있다.

또, 기계 내 로봇(20)은 종래, 기계 외 로봇이 수행하고 있던 작업을, 가공 중 또는 가공의 완료 후에, 수행할 수도 있다. 예를 들면, 기계 내 로봇(20)은 공작물(110)에 대해서 부가적인 가공(버르 제거가공이나 금형의 연마가공과 같은 제거가공, 표면개질, 부가가공 등)을 수행할 수도 있다. 또, 기계 내 로봇(20)은 공작물(110)이나 공구(100, 102)의 반송이나, 교환, 준비 등을 수행할 수도 있다. 또, 기계 내 로봇(20)은 각종 부품의 검사나 조립 등을 수행할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 기계 내 로봇(20)은 다양한 용도로 사용할 수 있다. 기계 내 로봇(20)에 설치하는 엔드 이펙터(46)의 종류는 기계 내 로봇(20)에 요구되는 용도에 따라 선정할 수 있다. 그런데 이러한 기계 내 로봇(20)을 사용하는 경우, 기계 내 로봇(20)은 적어도, 가공에 사용되는 공작물(110) 및 회전공구(100)에 액세스할 수 있는 것이 바람직하고, 가공실 내의 대부분에 액세스할 수 있으면, 더 바람직하다. 또, 공작기계가 전삭 기능과 선삭 기능을 구비한 복합가공기인 경우, 기계 내 로봇(20)은 선삭 공구(102)에도 액세스할 수 있는 것이 바람직하다. 기계 내 로봇(20)의 액세스 범위를 넓히기 위해서, 기계 내 로봇(20) 그 자체의 가동 범위(즉, 연결기구(40)에 대한 엔드 이펙터(46)의 가동 범위)를 넓히려고 했을 경우, 기계 내 로봇(20)의 가동기구가 커지게 된다. 그 결과, 기계 내 로봇(20)의 대형화를 초래하고, 다른 부재와의 간섭 등의 문제를 초래한다. 또, 기계 내 로봇(20)이 대형화됨으로써, 이것을 구동하기 위한 모터 등의 액추에이터도 대형화되고, 기계 내 로봇(20) 전체로서의 대중량화, 비용상승 등의 문제도 초래한다.

상술한 바와 같이, 기계 내 로봇(20)을 공구 주축장치(16)에 장착하고 있다. 공구 주축장치(16)는 주지하는 바와 같이, 공작물(110)을 가공하기 위한 회전공구(100)를 홀딩하고 있다. 그리고 통상, 회전공구(100)에 의한 공작물(110)의 가공을 실현시키기 위해서, 공구 주축장치(16)는 회전공구(100)가 적당하게, 공작물(110)에 액세스할 수 있도록, 공작물 주축장치(14)에 대해서 상대적으로 이동할 수 있다. 따라서 이 공구 주축장치(16)에 기계 내 로봇(20)을 장착하면, 기계 내 로봇(20) 그 자체의 가동 범위가 작아도, 기계 내 로봇(20)을 회전공구(100) 및 공작물(110)의 근방에 위치시킬 수 있다. 그 결과, 가동 범위가 작은 비교적 소형의 기계 내 로봇(20)으로도 가공 중의 회전공구(100) 및 공작물(110)에 확실하게 액세스시킬 수 있다. 또, 기계 내 로봇(20)을 공구 주축장치(16)에 장착하는 것으로, 기계 내 로봇(20) 그 자체의 가동 범위가 작아도, 기계 내 로봇(20)의 공작물(110)에 대한 가동 범위를 크게 할 수 있다.

또, 공구 주축장치(16)는 X, Y, Z축 방향으로의 직선 이동과, Y축 방향의 축주위의 요동이 가능하게 되어 있다. 이렇게, 가공실 내에서 이동 가능한 공구 주축장치(16)에 기계 내 로봇(20)을 장착함으로써 기계 내 로봇(20)을 공작물(110)이나 공구(100, 102)뿐만 아니라, 가공실 내가 넓은 범위로 액세스시킬 수 있다. 그 결과, 기계 내 로봇(20)에 의해 가공실의 청소나, 공작물(110)의 반출입 등, 여러가지 작업을 실시할 수 있다. 또, 가공실의 단부 등, 가공의 방해되지 않는 위치에, 기계 내 로봇(20)의 점검이나 청소를 위한 장치를 설치해 두면, 필요에 따라서 공구 주축장치(16)와 함께 기계 내 로봇(20)을 이동시키고, 당해 기계 내 로봇(20)의 점검이나 청소를 수행할 수도 있다.

또, 기계 내 로봇(20)이 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서, 주축 헤드(36)의 주위를 이동할 수 있도록, 기계 내 로봇(20)을 주축 헤드(36)에 장착하고 있다. 그 때문에 기계 내 로봇(20)의 가동 범위를 작게 해도, 기계 내 로봇(20)의 액세스 방향이나 위치를 크게 변경할 수 있다. 이것에 대해서 도 8, 도 9를 참조해서 설명한다. 도 8, 도 9는 다관절형의 기계 내 로봇(20)을, 주축 헤드(36)의 Z축 방향 플러스측의 측면에 고착했을 경우, 즉, 기계 내 로봇(20)이 공구 회전축(Rt) 주위로 회전 이동할 수 없는 경우를 나타내는 도면이다. 주축 헤드(36)의 Z축 방향 플러스측의 측면에 고착된 기계 내 로봇(20)에 의해, Z축 방향 마이너스측으로부터 회전공구(100)에 액세스하는 경우를 가정한다. 이 경우, 도 8에 나타내는 바와 같이 기계 내 로봇(20)은 주축 헤드(36)의 전방을 횡단해서 주축 헤드(36)보다도 Z방향 마이너스측 위치까지 연장될 필요가 있다. 그 때문에 이 기계 내 로봇(20)은 도 1∼도 7에 나타내는 기계 내 로봇(20)에 비해서, 각 암(42)의 길이, 나아가서는, 기계 내 로봇(20) 전체 사이즈가 대폭 업되고 있다.

이 기계 내 로봇(20)으로 Z축 방향 플러스측으로부터 회전공구(100)에 액세스하는 경우를 가정한다. 이 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이 기계 내 로봇(20)의 제1, 제2 암(42a, 42b)을 접을 필요가 있지만, 제1, 제2 암(42a, 42b)이 비교적 길다. 그 때문에 이것들 제1, 제2 암(42a, 42b)을 접어도, Z방향 플러스측으로의 돌출량이 커진다. 이렇게 기계 내 로봇(20)의 돌출량이 크게 되면, 그 만큼, 다른 부재에 대한 간섭이 발생하기 쉬워진다. 또, 크게 돌출한 기계 내 로봇(20)과, 다른 부재와의 간섭을 피하기 위해서, 공구 주축장치(16)의 가동 범위를 대폭 제한해야 할 필요도 발생한다. 또, 대형이며, 중량이 있는 암(42)을 구동하기 위한 토크가 증가하기 때문에, 각 관절(44)에 설치하는 모터 등의 액추에이터를 대형으로 할 필요가 있다.

한편, 도 1∼도 7에 나타내는 기계 내 로봇(20)은 반복해서 설명한 바와 같이, 공구 회전축(Rt) 주위로 회전할 수 있다. 그 때문에 도 2∼도 5에 나타내는 바와 같이 비교적 소형의 기계 내 로봇(20)이더라도, 그 액세스의 방향이나 엔드 이펙터(46)의 위치를 자유롭게 변경할 수 있고, 기계 내 로봇(20)의 돌출량을 작게 억제할 수 있다. 결과적으로, 기계 내 로봇(20)과 다른 부재와의 간섭을 효과적으로 방지하고, 추가로 공구 주축장치(16)의 가동 범위도 넓힐 수 있다. 또, 암(42)을 소형화 시킬 수 있기 때문에, 각 암(42)을 구동하기 위한 토크도 저감시킬 수 있고, 각 관절(44)에 설치하는 모터 등의 액추에이터 소형화도 가능하게 된다.

또, 지금까지 설명한 기계 내 로봇(20)의 구성은 일례이다. 기계 내 로봇(20)은 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 공구 주축장치(16)의 주위를 이동할 수 있는 상태에서, 공구 주축장치(16)에 장착되어 있는 것이라면, 기타 구성은 한정되지 않는다. 따라서 기계 내 로봇(20)의 관절(44)이나 암(42)의 수, 요동의 방향 등은 적당하게 변경될 수도 있다.

예를 들면, 기계 내 로봇(20)로 공작물(110) 반송을 실시하는 경우에는 도 6, 도 7에 나타내는 바와 같이 제1 암(42a)와, 핸드 형식의 엔드 이펙터(46)와, 제1 관절(44a)을 구비한 구성일 수도 있다. 공작물(110)을 반송하는 경우, 기계 내 로봇(20)은, 공구 주축(38)이나 회전공구(100)에 대해서, 다양한 자세를 취할 필요가 없기 때문에, 기계 내 로봇(20)의 관절(44)의 수를 적게 하는 것이 가능하게 된다. 특히, 주축 헤드(36)가 요동 가능한 경우에는 주축 헤드(36) 그 자체의 자유도가 높아지기 때문에 기계 내 로봇(20)의 관절(44)의 수가 적더라도 엔드 이펙터(46)의 자유도를 높게 할 수 있다. 또, 선삭에 있어서는 가공 도중에 공작물(110)을 반전시키고 싶은 경우도 많다. 이러한 선삭 기능을 구비한 복합가공기의 경우에 있어서, 핸드 형식의 엔드 이펙터(46)를 갖는 기계 내 로봇(20)을 설치하면, 기계 내 로봇(20)의 공전 이동을 이용해서 공작물(110)의 반전을 용이하게 실시할 수 있다.

또, 기계 내 로봇(20)은 1 이상의 암, 1 이상의 관절을 구비한 암(arm) 타입 로봇인 것이 바람직하지만, 다른 형식의 로봇에서도 좋다. 따라서 기계 내 로봇(20)은, 예를 들면, 2축 또는 3축의 직교하는 슬라이드 축에 의해 구성되는 직교 로봇이나, 퍼럴렐 메커니즘을 사용한 패럴렐 링크 로봇 등일 수도 있다. 또, 기계 내 로봇(20)의 이동(공전)의 중심축은 공구 회전축(Rt)과 엄밀하게 일치하고 있을 필요는 없고, 약간의 차이가 있어도 된다. 또, 연결기구(40)는 기계 내 로봇(20)이 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 공구 주축장치(16)의 주위를 이동할 수 있도록, 기계 내 로봇(20)을 공구 주축장치(16)에 장착하는 것이라면, 다른 구성일 수도 있다. 예를 들면, 연결기구(40)는 베어링으로 바꾸고, 주축 헤드(36)의 주위에 배치된 거의 환상 또는 거의 직사각형상의 레일을 구비한 구성일 수도 있다. 이 경우, 기계 내 로봇(20)은 레일을 따라서 이동 가능하게 구성된다. 또, 연결기구(40)는 기계 내 로봇(20)과 분리될 수도 있고, 기계 내 로봇(20)과 일체화되어 있을 수도 있다. 기계 내 로봇(20)의 주요한 부분이 공구 회전축(Rt)을 중심으로 해서 공구 주축장치(16)의 주위를 이동할 수 있는 구성일 수도 있다.

또, 지금까지의 설명에서는 회전공구(100)를 홀딩하는 공구 주축장치(16)를 가지는 복합가공기를 예로 들어서 설명했지만, 본 명세서에서 개시한 기술은 다른 공작기계에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 개시한 기계 내 로봇은 절삭 공구대나 공작물 주축장치를 가지지 않는, 머시닝 센터나 밀링머신에 탑재될 수도 있다. 또, 다른 형태로서 본 명세서에서 개시한 기계 내 로봇은 규정된 방사축 방향으로 에너지 또는 재료를 방사하고, 공작물을 조형하는 공작기계에 설치될 수도 있다. 에너지를 방사하는 공작기계로서는 예를 들면, 워터제트 가공기, 레이저 가공기, 방전 가공기 등을 들 수 있다. 재료를 방사하는 공작기계로서는 3D 프린터로 대표되는 적층 조형기를 들 수 있다. 이러한 공작기계는 에너지 또는 재료를 규정된 방사축 방향에 방사하는 방사 헤드가 설치되어 있다. 이 경우, 연결기구는 방사축을 중심으로 해서 기계 내 로봇이 방사 헤드의 주위를 이동할 수 있도록 기계 내 로봇을 방사 헤드에 장착한다. 또, 공구 주축장치나 방사 헤드에 장착되는 기계 내 로봇은 하나에 한정되지 않고, 복수일 수도 있다.

10: 공작기계
16: 공구 주축장치
18: 절삭 공구대
20: 기계 내 로봇
22: 베이스
28: 미들 베이스
30: 주축 베이스
32: 공작물 주축
36: 주축 헤드
38: 공구 주축
40: 연결기구
42a∼42c: 제1 암∼제3 암
44a∼44c: 제1 관절∼제3 관절
46: 엔드 이펙터
100: 회전공구
110: 공작물

Claims

공구에 의해 공작물을 절삭하는 공작기계로써,
상기 공구를 규정된 공구 회전축을 중심으로 해서 자전 가능하게 홀딩하는 공구 주축장치와,
1 이상의 로봇과,
상기 1 이상의 로봇이 상기 공구 회전축을 중심으로 해서 상기 공구 주축장치의 주위를 상기 공구와는 독립적으로 이동하도록, 상기 1 이상의 로봇을 상기 공구 주축장치에 장착하는 연결기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항에 있어서,
상기 로봇은 상기 공구에 의한 상기 공작물의 가공 실행 중에, 상기 공구 및 상기 공작물의 적어도 한쪽에 액세스 가능한 것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항에 있어서,
상기 로봇은 상기 공구에 의한 상기 공작물의 가공의 보조, 상기 가공 중에 있어서의 상기 공구 또는 상기 공작물에 관한 센싱, 및, 부가적인 가공의 적어도 하나를 실시하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
제2 항에 있어서,
상기 로봇은 상기 공구에 의한 상기 공작물의 가공의 보조, 상기 가공 중에 있어서의 상기 공구 또는 상기 공작물에 관한 센싱, 및, 부가적인 가공의 적어도 하나를 실시하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로봇은,
대상물에 작용하는 1 이상의 엔드 이펙터와,
상기 1 이상의 엔드 이펙터를 지지하는 1 이상의 암과,
상기 1 이상의 암의 단부에 설치되는 1 이상의 관절을 구비한 암(arm) 타입 로봇인　것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구 주축장치는 상기 공구 회전축에 직교하는 축을 중심으로 해서 요동 가능한 것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로봇이 상기 공구 또는 공작물을 파지 가능한 파지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공작기계가 상기 공작물을 선삭하는 선반 기능을 구비한 복합가공기이고,
상기 공작물을 자전 가능하게 홀딩하는 공작물 주축장치와,
상기 자전하는 공작물을 선삭하는 선삭 공구를 홀딩하는 절삭 공구대를 가지는 것을 특징으로 하는 공작기계.
제8 항에 있어서,
상기 로봇은 상기 선삭 공구에 의한 선삭 가공 중에, 상기 공작물 및 선삭 공구의 적어도 한쪽에 액세스 가능한 것을 특징으로 하는 공작기계.
규정된 방사축 방향으로, 에너지 또는 재료를 방사해서 공작물을 조형하는 공작기계로써,
상기 에너지 또는 재료를 상기 방사축 방향으로 방사하는 방사 헤드와,
1 이상의 로봇과,
상기 1 이상의 로봇이 상기 방사축을 중심으로 해서 상기 방사 헤드의 주위를 이동하도록, 상기 1 이상의 로봇을 상기 방사 헤드에 장착하는 연결기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계.