CN107443145B - 机床 - Google Patents

Abstract

一种机床，包括工件主轴设备(110)、工具柱（18）以及关节式机器人，所述工件主轴设备使工件（110）旋转，所述工具柱（18）可以沿作为工件（110）的径向的第一轴向（X轴方向）以及作为工件（110）的轴向的第二轴向（Z轴方向）移动工具，所述关节式机器人包括多个臂（42a〜42c）、多个接头（44a〜44c）以及末端效应器（46a，46b）。所述多个接头（44a‑44c）以绕平行于与第一轴线和第二轴线正交的第三轴（Y轴）的轴可旋转的方式连接多个臂（42a‑42c），并且末端效应器（46a，46b）在与所述工具（100）的运动平面平行的平面中移动。

Description

机床

相关申请的交叉引用

2016年6月1日提交的日本专利申请号2016-110230公开的全部内容，包括说明书、权利要求书、附图和摘要，通过引用全部并入本文中。

技术领域

本申请涉及机床，其具有使工件旋转的工件主轴设备，和使工具移动的工具柱的。

背景技术

近来，自动化和高性能机床的需求正在增加。为了实现自动化，提出了自动更换装置，例如自动更换工具的自动换刀装置（ATC），以及自动改变安装有工件的调色板的自动调色板（APC）。此外，***装置（比如工件供应装置，如装载机和棒式给料机）也是广为人知的。为了实现更高的性能，还采用了机内测量和使用传感器的智能***。

此外，为了使机床自动化或提高机床的性能，在某些情况下，提出使用机器人。例如，JP 2010-36285A公开了一种技术，其中使用设置在机床外部的机器人来执行工件与机床的附接和拆卸。JP 2010-64158A公开了一种技术，其中提供在附接于机床的上部上的龙门轨道上行进的关节式机器人，并且通过关节式机器人执行多个机床中的工件等的输送。JP H5-301141A和JPH5-301142A公开了一种工件的输送工具，该输送工具通过把手单元的开/关操作来输送工件。输送工具形状为臂形，并且附接至主体功能箱。主体功能箱也设置在支撑主轴的主轴头的右侧。输送工具可绕与主轴的长轴大致正交的轴枢转。输送工具可以通过枢转运动在臂处于大致水平的状态与臂处于大致竖直的状态之间改变。

然而，在JP 2010-36285A和JP 2010-64158A的技术中，机器人设置在加工室的外部。因此，当希望通过机器人接近加工室中的工件和工具时，必须增加机器人的尺寸。然而，这不仅导致大型机器人成本和尺寸的增加，而且还导致与其它构件的干扰以及由于接头数量的增加而引起的控制的复杂性。 在JP H5-301141A和JPH5-301142A的技术中，机器人设置在工具主轴附近。然而，JP H5-301141A和JP H5-301142A的机器人只能围绕一条轴旋转，并且只能沿着预定义的路线输送工件。换句话说，使用JP H5-301141A和JP H5-301142A的机器人，不能接近被加工的工具或工件，并且机器人的用途明显受限。

本申请的优点在于提供一种机器人，其具有能够接近工具和工件，同时避免尺寸增加的机器人。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供一种机床，包括：工件主轴设备，所述工件主轴设备使工件旋转；工具柱，其可以沿着作为工件的径向的第一轴向和作为工件的轴向的第二轴向移动工具；以及关节式机器人，其包括多个臂、多个接头和末端效应器，其中所述多个接头以可绕平行于与所述第一轴和第二轴正交的第三轴的轴旋转的方式连接所述臂，并且末端效应器在与工具的运动平面平行的平面中移动。

所述末端效应器可以在与工具的运动平面相同的平面内移动。

所述机器人可以附接在工具柱上，并且可以与工具柱沿第一轴向和第二轴向移动。所述机床还可以包括与工件主轴相对放置的尾座，并且机器人可以附接在尾座上。

机器人的末端效应器可以执行如下支持中的至少一种：通过工具加工工件，在加工期间与工具或工件相关的感测以及附加加工。所述第一轴向可以相对于水平方向倾斜。

根据本申请的各个方面的机床，由于末端效应器具有在与工具的运动平面平行的平面中移动的构造，所以末端效应器可以轻易地接近工具的***，同时使机器人的总体尺寸保持较小。

附图说明

通过参考以下附图，描述本申请的实施例，其中：

图1为机床的透视图；

图2为机内机器人的***的透视图；以及

图3为机内机器人的***的透视图。

具体实施方式

现在将参照附图描述机床10的结构。图1为展示机床10的结构的图。在下面的描述中，将工件主轴32的旋转轴向称为Z轴，与Z轴正交的工具柱18的运动方向称为X轴，并且与X轴和Z轴正交的方向称为Y轴。在Z轴上，从工件主轴32朝尾座16的方向称为正方向。在X轴上，从工件主轴32朝工具柱18的方向称为正方向，在Y轴上，从工件主轴32向上的方向称为正方向。此外，在下面的描述中，末端效应器46的描述“接近”是指机内机器人20的末端效应器46向目标移近，至可以是完成末端效应器46的目的的位置。因此，当机内机器人20的末端效应器46是接触目标并检测其温度的温度传感器时，描述“接近”是指末端效应器46向目标移近，至末端效应器46接触目标的位置。当末端效应器46为在不接触的情况下检测温度的温度传感器时，描述“接近”是指端部效应器46向目标移近，至可以检测目标的温度的位置。

机床10是通过使保持在工具柱18上的工具100与自动旋转的工件110接触而对工件110进行加工的车床。机床10为称为车削中心的车床，其由NC控制并保持多个工具100。机床10的主体12的***由盖（未示出）覆盖。由盖限定的空间为工件110进行加工的加工室。在盖上形成有至少一个开口以及打开和闭合该开口的门（图中未示出该开口和门）。操作者通过开口接近机床10的主体12、工件110等。在加工过程中，设在开口上的门闭合。这是为了安全和周围的环境的缘故。

主体12包括工件主轴设备14，工具柱18和尾座16，工件主轴设备14以允许自转的方式保持工件110的一端，工具柱18保持工具100，尾座16支撑工件110的另一端。工件主轴设备14包括主轴基座30和工件主轴32，工具基座30具有内置驱动电机等，工件主轴32附接至主轴基座30。工件主轴32包括以可拆卸的方式保持工件110的卡盘33和夹头，并且可以任意地更换待保持的工件110。工件主轴32和卡盘33还以沿水平方向（图1中的Z轴方向）延伸的工件旋转轴Rw作为中心而自转。

尾座16沿Z轴方向与工件主轴设备14相对放置，并且支撑由工件主轴设备14保持的工件110的另一端。尾座16放置在尾座16的中心轴与工件旋转轴Rw重合的位置。尾座16上附接有具有形状为锥形的尖端的中心，并且在加工期间，中心的尖端与工件110的中心点接触。尾座16可沿Z轴移动使得尾座16可以朝向和远离工件110移动。

工具柱18保持工具100，例如，称为“刨刀”(bite)的工具。工具柱18可沿Z轴方向，即，工件110的轴向移动。另外，工具柱18放置在沿X轴方向，即工件110的径向，延伸的导轨上，并且还可以沿X轴方向移动。从图1中可以看出，X轴方向相对于水平方向倾斜。在工具柱18的尖端上设置有可保持多个工具100的转动架36。转动架36可以以沿Z轴方向延伸的轴作为中心旋转。通过转动架36的旋转，可以适当地改变用于加工工件110的工具100。通过沿Z轴方向移动工具柱18，保持在转动架36上的工具100沿Z轴方向移动。通过沿X轴方向移动工具柱18，保持在转动架36上的工具100沿X轴方向移动。通过沿X轴方向移动工具柱18，可以改变工具100等对工件110的切削量。因此，附接在工具柱18上的工具100可以在XZ平面中移动。

机内机器人20（图1中未示出）附接在工具柱18上。如图2所示，机内机器人20附接在工具架18的上表面上。机内机器人20用于机械加工、各种感测过程、支持工作等的支持。下文将详细描述机内机器人20的结构和功能。

控制设备34响应来自操作者的命令，控制机床10的各个部件的驱动。控制设备34例如由执行各种计算的CPU和存储各种控制程序和控制参数的存储器形成。控制设备34还具有通信功能，并且可以与其它设备交换各种数据，例如，NC程序数据。控制设备34可以包括例如数控设备，在必要时该数控设备计算工具100和工件110的位置。控制设备34可以为单个设备或多个计算设备的组合。

接下来，将参照图2和图3描述附接至工具柱18的机内机器人20。图2和图3为机内机器人20的***的透视图。如图2所示，机内机器人20为关节式机器人和臂式机器人，具有多个臂42a-42d和多个接头44a-44d。机内机器人20通过连接机构40附接在工具柱18的上表面上。

机内机器人20包括第一至第三臂42a-42c（在下文中，当不区分“第一”至“第三”时，省略附图标记的字母，并且将臂简称为“臂”；同样的约定适用于其它构成元件），分别设置在臂的末端的第一至第三接头44a-44c以及末端效应器46a和46b。第一臂42a的基端经由第一接头44a连接至连接机构40，第二臂42b的基端经由第二接头44b连接至第一臂42a的尖端，第三臂42c的基端经由第三接头44c连接至第二臂42b的尖端。第一至第三接头44a-44c中的每一个具有平行于Y轴方向的摆动轴，并且每个臂42绕作为中心的摆动轴摆动。执行机构，比如电动机，附接至第一至第三接头44a-44c中的每一个，并且执行机构的驱动由控制设备34控制。控制设备34基于设置在接头44a-44c上的执行机构的驱动量计算稍后将描述的末端效应器46a和46b的位置。

作用在目标上的末端效应器46a和46b设置在第三臂42c的尖端上。在本构造中，第一末端效应器46a和第二末端效应器46b设置在杆48的各末端上，杆48附接在第三臂42c的尖端上。对第一和第二末端效应器46a和46b没有特别限制，只要末端效应器46a和46b实现一些效果即可。在本构造中，采用保持目标的保持设备作为第一末端效应器46a，并且采用感测与目标或目标的***环境有关的信息的传感器作为第二末端效应器46b。在保持设备中保持的形式可以是用成对构件夹持目标的手型，即，吸住和保持目标的类型，或者使用磁力等保持目标的类型。图2和图3展示第一末端效应器46a为手型的示例构造。

传感器可以是，例如，检测存在/不存在与目标的接触的接触传感器、检测至目标的距离的距离传感器、检测目标的振动的振动传感器、检测目标施加的压力的压力传感器、检测目标的温度的传感器等。这些传感器的检测结果与基于接头44a-44c的驱动量计算的第二末端效应器46b的位置信息相关联地存储和分析。例如，当第二末端效应器46b为接触传感器时，控制设备34基于与目标的接触的检测时机和在此时机获取的位置信息来分析目标的位置、形状和运动。

然而，在此描述的末端效应器46仅仅是示例性的，并且可以具有其它形式，只要末端效应器46作用在目标上即可。例如，末端效应器46可以是按压目标的按压机构。具体地，例如，末端效应器46可以是抵住工件110按压且抑制工件110的振动的辊等。

作为可替换构造，末端效应器46可以是排出流体以支撑加工的设备。具体地，末端效应器46可以是排出用于吹扫切屑的空气或排出用于冷却工具100或工件110的冷却流体（切削油、切削水等）的设备。可替换地，末端效应器46 可以是排出能量或用于形成工件的材料的设备。因此，例如，末端效应器46可以是排出激光或电弧的设备，或者排出用于分层和成形的材料的设备。此外，作为可替换构造，末端效应器46可以为捕获目标图像的照相机。在这种情况下，通过照相机获得的图像可以显示在操作面板等上。

在任一情况下，在本构造中，工具100的运动平面和末端效应器46的运动平面重合。结果，末端效应器46可以可靠地接近工具100附近的区域。由于加工的工件110存在于工具100附近，因此可以说本文所述的末端效应器46不仅可以轻易地接近工具100 ，而且还可以轻易地接近加工的工件110。

在本构造中，机内机器人20具有带多个接头的结构，该多个接头可以绕与Y轴平行的轴旋转，这是与所谓的“标量型机器人”类似的结构（水平关节式机器人）。当采用这种构造时，由于末端效应器46在工具100的运动平面中移动，所以即使机内机器人20的可移动范围相对较窄，并且因此臂42的长度相对较短，末端效应器46也可以轻易地定位在工具100和工件110附近。结果，使得在防止机内机器人20的尺寸增加的同时末端效应器46可靠地接近工具100和工件110变为可能。

机器人的结构不限于具有绕与Y轴平行的轴的接头的结构，也可以是具有绕其它轴，例如X轴或Z轴（结构类似到竖直的关节式机器人）的接头的结构。在这种构造中，可以增加可以由末端效应器接近的范围的自由度的数量和末端效应器的取向。因此，当需要使用末端效应器例如加工室的盖等接近各种位置时，类似于竖直的关节式机器人的结构也是有用的。然而，本构造的机内机器人20仅考虑主要接近工具100周围的构件，例如工具100、工件110、工件主轴设备14和尾座16。在这样的构造中，如果采用与竖直的关节式机器人类似的结构，则机器人到工具柱18的上侧的突出量将增加，导致机床尺寸的增加。另一方面，如本构造的机内机器人20那样，当末端效应器46的运动平面限制为与工具的运动平面平行的平面时，可以减少机器人到工具柱18的上侧的突出量。结果，可以确保足够的可操作性，同时防止机床的尺寸增加。

从上述说明可以看出，在本构造中，机内机器人20附接在工具柱18上，使得机内机器人20能够随工具柱18移动。通过这样的构造，机内机器人20随着工具柱18的运动，即切削点的运动，而移动；因此末端效应器46可以随时接近切削点附近的区域。如果采用机内机器人20不与工具柱18一起移动的结构，为了使机内机器人20接近切削点，机内机器人20的可移动范围必须大于或等于工具柱18的可移动范围。特别地，当工具柱18的可移动范围在Z轴方向上较宽以便处理长度较长的工件110时，为了覆盖工具柱18的可移动范围，机内机器人20必须变大。相反，当采用机内机器人20随着工具柱18移动的结构，如本构造所示，则在抑制机内机器人20的尺寸增加的同时使末端效应器46随时接近切削点附近的区域是可能的。

在本构造中，机内机器人20附接在工具柱18的上表面上，而不是附接在工具柱18的前表面（与工件110相对的表面）或侧表面上。通过这样的构造，因此，工具柱18与机内机器人20之间的干涉往往较少发生。

接下来，将描述如上所述的机内机器人20的运动。当加工工件110时，保持在工具柱18上的工具100与工件110接触，而工件110由工件主轴设备14带动而自转。附接在工具柱18上的机内机器人20根据需要执行加工、感测过程，支持工作等的支持。在该过程中，机内机器人20根据需要移动接头44，以改变末端效应器46。

机内机器人20可以用于各种目的。例如，机内机器人20可以在工件110加工期间帮助加工。具体地，例如，机内机器人20在加工期间支持工件110和工具100中的至少一个。在加工期间，由于工件110绕Z轴旋转，当在加工期间工件110由末端效应器46支持时，可期望采用不阻挡工件110的旋转的辊或具有这种辊的手作为末端效应器46。在任一情况下，通过用末端效应器46支持工件110或工具100，抑制工件110或刚度低的工具100的振动和偏斜变为可能。此外，通过抑制工件110的振动，可以处理复杂的工件形状。此外，作为可替换构造，机内机器人20可以在加工期间对工件110和工具100施加振动。通过这样的构造，可以在施加振动的同时能够进行特殊加工过程，在特殊加工过程中切削工件。作为另一可替换构造，机内机器人20可以在加工期间排放冷却流体（切削油，切削水）或用于去除切屑的空气。通过可以自由地改变其位置和取向的机内机器人20排出冷却流体或空气，更自由地控制工件110和工具100的切削特性和温度变为可能。

可替换地，机内机器人20可以执行各种感测过程，例如在工件110加工期间，或在加工之前或之后执行。图2和图3展示作为传感器的第二末端效应器46b执行的感测过程。具体地，例如，机内机器人20可以监视切削状态（加工表面的精度和切屑的状态）。作为可替换构造，机内机器人20可以在加工期间感测工件110和工具100的状态，例如温度、振动、变形等，并将感测结果输出至控制设备34。在这种情况下，控制设备34基于机内机器人20检测出的信息，根据需要期望地改变各种加工条件（进给速度、转速等）。可替换地，机内机器人20可以具有在加工开始之前或加工完成之后测量工件110的形状的结构。通过在加工开始之前测量工件110的形状，可靠地防止工件110的附接误差是可能的。通过在加工完成后测量工件110的形状，判断加工结果的质量是可能的。作为可替换的构造，例如，机内机器人20可以在加工开始之前或加工完成之后测量工具100的状态（磨损量等）。作为可替换的构造，机内机器人20可以在不执行加工的一段时间内检查工具（检查是否存在/不存在磨损）或检查机床10的可移动部件（工件主轴设备14，尾座16等）。

此外，机内机器人20可以在加工期间或加工完成之后执行现有技术中由机外机器人执行的工作。例如，机内机器人20可以在工件110上执行另外的加工（比如去除加工，比如修剪和模具抛光、表面改型、添加加工等）。此外，机内机器人20可以运输、更换或设置工件110和工具100。此外，机内机器人20可以检查或组装各种部件。

以上描述的机内机器人20的结构仅仅是示例性的。机内机器人20的结构可以适当地改变，只要机内机器人20具有可以绕Y轴旋转的多个接头，并且末端效应器46可以沿与工具100的运动平面平行的平面移动。因此，可以适当地改变机内机器人20的接头44和臂42的数量，摆动方向等。

此外，在本构造中，末端效应器46的运动平面和工具100的运动平面重合。运动平面不需要彼此重合，只要运动平面相互平行即可。因此，可以采用这样的结构，其中末端效应器46在位于稍微高于工具100的运动平面或稍微低于工具100的运动平面的平面内移动。在本构造中，对于机内机器人20的接头44，只示出了可以绕与Y轴平行的轴旋转的接头，但可替换地，类似典型的标量型机器人，也可以在第三臂的尖端或第一臂的根部提供可以沿与Y轴平行的轴向线性移动的接头。在这种情况下，机内机器人20具有总共四个自由度，包括平面的三个自由度的定位且沿着臂的轴向的上下运动具有一个自由度。

此外，在本构造中，机内机器人20附接在保持工具100的工具柱18上，但可替换地，在不处理长度较长的工件的小型车床的情况下， 机内机器人20可以附接在其它位置上。例如，机内机器人20可以附接在机床的不可移动部件上或尾座16上。在这种情况下，通过采用这样的机内机器人20的结构：末端效应器46 可以在与工具100的运动平面平行的平面中移动，使得末端效应器46轻易地接近切削点附近的区域成为可能。

可替换地，虽然本文例示的机床10为车床，更具体地，为车削中心，但是机内机器人20可以用于其它类型的机床。例如，机内机器人20可以配备在这样的多任务机器上：具有用于旋转和切削工件的起泡转动功能，以及通过使旋转工具旋转来切削工件的旋转切削功能。可替换地，作为另一种形式，机内机器人20可以装备在通过使工件旋转来进行研磨的圆柱形磨床上。

此外，在本构造中，在机内机器人20上设有两个末端效应器46，但是可以适当地改变末端效应器46的数量。因此，例如，机内机器人20可以具有单个末端效应器46或三个或更多个末端效应器。

Claims (7)

1.一种机床，其包括：

工件主轴设备，其使工件旋转；

工具柱，其可以沿着作为工件的径向的第一轴向和作为工件的轴向的第二轴向移动工具；以及

关节式机器人，其包括多个臂、多个接头和末端效应器，其中

所述多个接头以绕平行于第三轴的轴可旋转的方式连接所述臂，所述第三轴与所述第一轴和第二轴正交，并且

末端效应器在与工具的运动平面平行的平面中移动；以及

所述机器人附接在所述工具柱上，并且与所述工具柱沿所述第一轴向和所述第二轴向移动。

2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，

所述末端效应器在与工具的运动平面相同的平面中移动。

3.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，所述机床还包括

尾座，所述尾座与工件主轴相对放置。

4.根据权利要求2所述的机床，其特征在于，所述机床还包括

尾座，所述尾座与工件主轴相对放置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的机床，其特征在于，

所述机器人的末端效应器执行以下支持中至少一个：通过所述工具加工所述工件，在加工期间与工具或工件相关的感测以及另外的加工。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的机床，其特征在于，

所述第一轴向相对于水平方向倾斜。

7.根据权利要求5所述的机床，其中

所述第一轴向相对于水平方向倾斜。

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