CN112338616A - 机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机床。所述机床包括机器人，该机器人是紧凑的并且能够将不同的末端执行器容易地用于各自的目的。内部机器人包括多个接头和多个连杆，该多个接头由基部接头和平行接头组成。远端分为两个或更多个分支，每个分支具有工具更换器。末端执行器可拆卸地附接到每个工具更换器。基部接头的转动引起第一工具跟随位置与第二工具跟随位置之间的改变，从而通过使用附接到处于第一工具跟随位置的工具更换器的末端执行器并使用附接到处于第二工具跟随位置的另一个工具更换器的末端执行器，可将不同的末端执行器用于各自的目的。

Description

机床

相关申请的相互引用

本申请主张于2019年8月6日提交的第2019-144867号日本专利申请的优先权，该日本专利申请的包括说明书、权利要求、附图及摘要在内的全部内容通过引用而并入本申请。

技术领域

本发明涉及机床，尤其涉及包括内部机器人的机床。

背景技术

存在对机床的进一步自动化的需求。一种解决方案是在机床内部使用机器人。使用机器人能够执行各种任务；例如工具或工件的附接或拆卸；例如机床内部空间、工具和工件的清洁；防止切屑粘附；以及防止工件颤振。

JPS59-66589U中记载了一种机器人的结构，其公开一种机械手，该机械手包括：第一臂，其成直角设置于可轴向移动定位且可枢转定位的枢轴的末端；第二臂，其设置于第一臂的端部，从而可枢转定位并形成字母T的形状；气缸，其设置于第二臂各端上的对称位置处，从而能够通过液压枢轴装置被推回，每个气缸在其外端具有夹持器；以及气缸活塞杆，每个气缸活塞杆连接至夹持器开合件。

将机器人结合到机床内部带来很大的挑战，因为机器人应当是紧凑的。为解决这一挑战，公开为JP2019-98479A的经普通转让的在先申请公开了一种三自由度SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)机器人，通过将该机器人配置为在其基部可旋转并将连杆定位在其不会干扰刀架的高度而使该机器人紧凑。

但是，当结合到机床内部的机器人执行各种任务时，不同的末端执行器用于各自的目的。根据任务类型更换末端执行器会耗费时间，导致花费非生产时间在加工以外的过程上。对于典型的机器人，使用具有多种功能的大型末端执行器；但是，这种大型末端执行器通常无法用于结合到机床内部的机器人。JP2019-98479A中公开的结构还具有末端执行器不能自由地处于任意位置的限制。因此，人们期待一种能够更容易地将不同的末端执行器用于各自目的的结构。

发明内容

本发明提供一种机床，其包括能够容易地将不同的末端执行器用于各自目的的机器人。

根据本发明的一个方面，提供一种机床，其包括：刀架，其构造为保持一个或多个工具，所述刀架在平行于第一轴线的方向上和平行于第二轴线的方向上可线性移动，所述第二轴线垂直于所述第一轴线；工件主轴装置，其构造为绕平行于所述第二轴线的轴线可旋转地保持工件；以及内部机器人，其设置于加工室内，所述内部机器人具有多个接头和连接所述多个接头的多个连杆，其中，所述内部机器人的所述多个接头包括：基部接头，其绕平行于所述第二轴线的轴线可旋转；以及多个平行接头，其绕垂直于所述基部接头的旋转轴线的轴线可旋转，所述多个平行接头布置得比所述基部接头更靠近所述内部机器人的远端，其中，所述基部接头的所述旋转轴线从所述工件主轴装置的旋转轴线偏移，其中，所述内部机器人构造成根据所述基部接头的旋转而在第一工具跟随位置与第二工具跟随位置之间改变，在所述第一工具跟随位置，所述多个平行接头的旋转轴线平行于与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的第三轴线，在所述第二工具跟随位置，所述基部接头相对于所述第一工具跟随位置旋转180度，除了远端连杆之外的所述多个连杆附接在使得不论所述内部机器人处于所述第一工具跟随位置还是处于所述第二工具跟随位置，所述多个连杆都不受所述刀架和由所述刀架保持的所述一个或多个工具干扰的位置。

根据本发明，由于内部机器人根据内部机器人的基部接头绕平行于第二轴线的轴线(即与可旋转地保持工件的工件主轴装置的旋转轴线平行的轴线)旋转而在第一工具跟随位置和第二工具跟随位置之间改变，因此在第一工具跟随位置下使用第一末端执行器，在第二工具跟随位置下使用第二末端执行器。这种结构能够将不同的末端执行器用于各自的目的，而无需根据任务的类型更换末端执行器。由于内部机器人除了远端连杆之外的多个连杆附接在使得不论内部机器人处于第一工具跟随位置还是处于第二工具跟随位置，多个连杆都不受刀架和由刀架保持的一个或多个工具干扰的位置，因此末端执行器的工具跟随运动确保了加工操作的辅助或监视任务的执行。

在本发明的一个实施例中，所述内部机器人的所述远端分为两个或更多个分支，末端执行器可拆卸地附接到每个所述分支。

在本发明的另一实施例中，所述内部机器人的所述远端分为两个分支，第一末端执行器和第二末端执行器可拆卸地附接到所述两个分支，并且所述第一末端执行器和所述第二末端执行器在所述第一工具跟随位置和所述第二工具跟随位置下被用于各自的目的。

在本发明的又一实施例中，所述第一末端执行器和所述第二末端执行器中的至少一者的尺寸小于两个相邻的所述连杆之间的间距。

在本发明的又一实施例中，所述第一末端执行器和所述第二末端执行器中的至少一者选自手、辊和流体喷嘴。

在本发明的又一实施例中，所述内部机器人的所述远端分为两个或更多个分支，单个末端执行器可拆卸地附接到所述两个或更多个分支。

在本发明的又一实施例中，所述末端执行器具有多种功能，并且所述多种功能在所述第一工具跟随位置和所述第二工具跟随位置下被用于各自的目的。

由于本发明能够将不同的末端执行器用于各自的目的，因此，末端执行器的更换频率的降低能够缩短机床的停机时间。

附图说明

下面将基于以下附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据一实施例的机床的结构；

图2是根据本实施例的内部机器人的透视图；

图3是处于第一工具跟随位置的根据本实施例的内部机器人的透视图；

图4是处于第二工具跟随位置的根据本实施例的内部机器人的透视图；

图5示出了处于第一工具跟随位置的根据本实施例的内部机器人的刀架与连杆之间的位置关系；

图6示出了处于第二工具跟随位置的根据本实施例的内部机器人的刀架与连杆之间的位置关系；

图7是根据第二实施例的内部机器人的透视图；

图8是处于第一工具跟随位置的根据第二实施例的内部机器人的透视图；

图9是处于第二工具跟随位置的根据第二实施例的内部机器人的透视图；

图10是根据变形例的内部机器人的透视图；

图11是处于第一工具跟随位置的根据第二变形例的内部机器人的透视图；

图12是处于第二工具跟随位置的根据第二变形例的内部机器人的透视图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的实施例。

图1示出了机床10的结构。在下面的描述中，将平行于工件主轴32的工件旋转轴线Rw的方向称为Z轴线，将平行于与Z轴线垂直的刀架18的移动方向的方向称为X轴线，将与X轴线和Z轴线均垂直的方向称为Y轴线。在Z轴线上，将由工件主轴32指向尾架16的方向定义为正向；在X轴线上，将由工件主轴32指向刀架18的方向定义为正向；在Y轴线上，将由工件主轴32向上的方向定义为正向。在以下描述中，末端执行器“接近”物体这一表述，是指附接到内部机器人20的末端执行器移动到末端执行器离物体足够近以执行其指定任务的位置。

机床10是用于加工工件110的车床，其中通过使由刀架18保持的工具100与工件110接触来加工旋转的工件110。更具体地，机床10为NC(numerically-controlled，数控)车削中心，其具有保持多个工具100的转塔19。机床10的加工室12被盖子(部分未图示)所包围。加工室12在其前部具有较大的开口，通过门(未图示)关闭或打开该开口。机床10的操作者通过该开口接近加工室12内的部件。在加工过程中，出于安全、环保和其他考虑，设置于开口处的门是关闭的。

机床10包括可旋转地保持工件110的一端的工件主轴装置、保持一个或多个工具100的刀架18、以及支撑工件110的另一端的尾架16。工件主轴装置包括结合有驱动电动机和其他部件的头架、以及附接至该头架的工件主轴32。工件主轴32包括可拆卸地保持工件110的卡盘33和夹头，并且可以根据需要将保持在工件主轴32上的工件110更换为另一个。工件主轴32和卡盘33可绕沿水平方向(图1中的Z轴线方向)延伸的工件旋转轴线Rw旋转。

尾架16在Z轴线方向上与工件主轴32相对地配置；当通过工件主轴32保持工件110时，尾架16支撑工件110的另一端。尾架16安装在使尾架16的中心轴线与工件旋转轴线Rw对准的位置。具有尖端的圆锥形中部附接至尾架16，在加工过程中，使该中心的尖端与工件110的中心点接触。尾架16可在Z轴线方向上移动，以便能够与工件110接触或分离。

刀架18保持一个或多个工具100，例如被称为刀头的工具。刀架18可沿Z轴线，或者换句话说，在平行于工件110的轴线的方向上移动。当刀架18设置在沿平行于X轴线的方向(或者换句话说，沿工件110的径向方向)延伸的导轨上时，刀架18也可在平行于X轴线的方向上来回移动。

如图1所示，X轴线相对于水平方向倾斜，使得从加工室12的开口看去，X轴线随着往内而往上。可保持多个工具100的转塔19设置在刀架18的末端。转塔19可绕平行于Z轴线的轴线旋转。当转塔19旋转时，根据需要更换要用于加工工件110的工具100。当刀架18在平行于Z轴线的方向上移动时，由转塔19保持的工具100在平行于Z轴线的方向上移动。当刀架18在平行于X轴线的方向上移动时，由转塔19保持的工具100在平行于X轴线的方向上移动。当刀架18在平行于X轴线的方向上移动时，其中一个工具100切割进工件110的深度或切割的任何其他特征被改变。附接至刀架18的工具100可在平行于XZ平面的平面中移动。在下面的描述中，将工具100在其中移动的这一平面称为工具的“移动平面”。

加工室12容纳内部机器人20。在图1的所示的例子中，内部机器人20的基部附接至加工室12的其中一个壁，工件主轴32从该壁伸出。内部机器人20的基部位于工件主轴32上方，并且比工件主轴32更靠近门。内部机器人20用于例如辅助加工操作、感测各种参数、以及执行辅助操作。

控制器36根据来自机床10的操作者的指令控制机床10中的部件的致动。控制器36由例如用于执行各种计算操作的CPU和用于存储各种控制程序和控制参数的存储器组成。控制器36具有通信功能，并且能够与其他装置交换各种类型的数据，例如NC程序数据。控制器36可以包括例如数控装置，该数控装置根据需要计算工具100和工件110的位置。控制器36可以由单个装置实现，或者可以由多个处理器的组合构成。

图2示出了内部机器人20的结构。内部机器人20为关节型机器人，其具有多个连杆和多个接头J1至J5，该多个连杆通过该多个接头J1至J5连接。致动器(例如电动机)附接到接头J1至J5中的每一个，并且致动器的致动由来自控制器36的控制信号控制。

接头J1至J5沿图中箭头所示的方向可旋转。将最靠近基部的接头J1称为基部接头，将彼此相邻且比接头J1更靠近远端的接头J2至J5称为平行接头。作为基部接头的接头J1具有绕平行于工件主轴32的Z轴线的旋转轴线。但是，接头J1的旋转轴线相对于工件主轴32的旋转轴线向上且朝前(更靠近门)偏移。作为平行接头的接头J2至J5是构造为绕彼此平行的轴线旋转的旋转接头，并且接头J2至J5的旋转轴线垂直于接头J1的旋转轴线。

内部机器人20在其远端具有经由远端连杆和接头J4附接的工具更换器22，以及经由远端连杆和接头J5附接的工具更换器24。末端执行器可拆卸地附接到每个工具更换器22和24。这样，两个末端执行器可以同时附接到内部机器人20的远端。

末端执行器是接近物体并对该物体执行某种动作的构件。尽管末端执行器可以不可拆卸地附接到内部机器人20，但在优选实施例中，末端执行器可拆卸地附接到内部机器人20，以便提高内部机器人20的多功能性。

可以使用构造为执行某种动作的任何末端执行器，而没有任何特定限制。因此，例如，可以将用于保持物体的保持装置用作末端执行器。保持装置可以以任何方式保持物体，例如以一对构件在其间夹住物体的手的形式、以吸力保持物体的形式、或使用磁力或其他力保持物体的形式。

在另一实施例中，可以将用于感测例如与物体和物体的周围环境相关的信息的传感器用作末端执行器。该传感器可以是例如用于检测是否与物体发生接触的接触传感器、用于检测到物体的距离的距离传感器、用于检测物体的振动的振动传感器、用于检测由物体施加的压力的压力传感器、或用于检测物体温度的温度传感器。来自这样的传感器的检测结果与根据接头的致动量计算出的末端执行器的位置信息相关联地存储，然后对检测结果进行分析。例如，在接触传感器作为末端执行器的实施例中，控制器36基于检测到与物体接触的时间以及在该时间获得的位置信息，分析例如物体的位置、形状和运动。

在又一实施例中，可以将用于按压物体的按压机构用作末端执行器。具体地，末端执行器可以是例如按压在工件110上以减轻工件110的振动的辊。在另一实施例中，末端执行器可以是用于喷射用来辅助加工操作的流体的装置。具体地，末端执行器可以是用于喷射例如用来吹走切屑的空气或用来冷却工具100或工件110的冷却流体(例如切削油或切削液)的装置。在又一实施例中，末端执行器可以是用于发射能量或者发射用于工件成形的材料的装置。因此，末端执行器可以是用于发射能量(例如激光或电弧)的装置，或者可以是用于发射用于层压成形的材料的装置。在又一实施例中，末端执行器可以是用于捕捉物体图像的摄像机。在该实施例中，可以将由摄像机捕捉到的图像显示在例如操作面板上。

在所示实施例中，内部机器人20具有两个工具更换器22和24，并且可以将不同类型的末端执行器附接到这些工具更换器22和24。将内部机器人20的基部，即接头J1致动使其旋转，以使车床工具的移动平面与附接到内部机器人20的工具更换器22的末端执行器的移动平面能够彼此对准。在该位置处，作为平行接头的接头J2至J5的旋转轴线平行于Y轴线。结果，附接到内部机器人20的工具更换器22的末端执行器能够在其跟随工具100的移动而移动时辅助或监视切割或加工操作。将这一位置称为第一工具跟随位置。

当接口J1转过180度，内部机器人20的工具更换器22和工具更换器24的位置对调，于是，附接到工具更换器22的末端执行器和附接到工具更换器24的末端执行器的位置也对调，从而车床工具的移动平面与附接到内部机器人20的工具更换器24的末端执行器的移动平面能够彼此对准。在该位置处，作为平行接头的接头J2至J5的旋转轴线同样平行于Y轴线。结果，附接到内部机器人20的工具更换器24上的末端执行器能够在其跟随工具100的移动而移动时辅助或监视切割或加工操作。将这一位置称为第二工具跟随位置。

从第一工具跟随位置切换到第二工具跟随位置或者从第二工具跟随位置切换到第一工具跟随位置能够使两个不同的末端执行器用于各自的目的。控制器36基于设置在接口J1至J5处的致动器的致动量计算内部机器人20的远端的位置，即末端执行器的位置。

图3示出了一种结构，其中，作为末端执行器的手26a附接到工具更换器22，作为末端执行器的辊26b附接到工具更换器24。控制器36驱动接口J1至J5的致动器，以将位置转为第一工具跟随位置，从而使车床工具的移动平面与手26a的移动平面彼此对准，在此执行各种任务；例如，通过手26a保持工件110，通过由手26a保持的温度传感器检测切割点的温度，或者通过由手26a保持的摄像机捕捉切割点的图像。

另一方面，图4示出了将接头J1从图3所示的状态旋转180度以将位置转为第二工具跟随位置的状态；即，手26a和辊26b的位置被对调。在车床工具的移动平面与辊26b的移动平面彼此对准的情况下，可以通过使用辊26b支撑处于加工过程中的工件110来减小工件110的位移，例如偏心或振动。

由于如上所述地在内部机器人20的远端设置有多个(例如两个)工具更换器22和24以能够附接多个末端执行器，从而可以通过致动接头J1至J5将多个不同的末端执行器用于各自的目的，因此，末端执行器的更换频率的降低能够缩短机床的停机时间。

在所示实施例中，由于内部机器人20具有相对于刀架18向上偏移定位的机械臂连杆，因此，机械臂不会干扰刀架18。

图5和图6示出了在Z轴线方向上看去时内部机器人20与刀架18之间的位置关系。

图5示出了第一工具跟随位置，其中手26a位于下部位置，图6示出了第二工具跟随位置，其中辊26b位于下部位置。

如上所述，刀架18可在平行于X轴线的方向上来回移动，并且X轴线相对于水平方向倾斜，使得从加工室12的开口看去时，X轴线随着往内而往上。图5和图6中的虚线分别表示平行于X轴线并且经过位于内部机器人20的连杆(除了远端连杆之外的连杆，或者具体来说，连接在基部与接头J1之间的连杆、连接在接头J1与接头J2之间的连杆、连接在接头J2与接头J3之间的连杆、连接在接头J3与接头J4、J5之间的连杆)上并且最接近刀架的点的线。从该虚线与刀架18之间的位置关系可以清楚地看出，内部机器人20的机械臂连杆相对于刀架18向上偏移，并且内部机器人20不会干扰刀架18或者干扰例如转塔19或工具100。换句话说，在通过工具100加工工件110时，手26a(处于图5中示出的位置)和辊26b(处于图6中示出的位置)能够可靠地执行其指定任务。

此外，在加工过程中不使用的末端执行器(例如图5中的辊26b或图6中的手26a)也不会干扰刀架18或者干扰例如转塔19、工具100或工件110，因为其位于内部机器人20的上部位置，并且比正在使用的末端执行器相对于刀架18向上偏移得更远。

尽管在图3至图6所示的实施例中，两个工具更换器22和24分别附接有作为末端执行器的手26a和辊26b，但末端执行器不限于这些示例，例如，其中一个末端执行器可以是流体喷嘴。

图7示出一实施例，其中没有安装工具更换器24，而是直接附接作为末端执行器的流体喷嘴26c。例如，切削液或空气可从流体喷嘴26c喷出，从而例如在加工过程中供应切削液或者清洁工件110。

图8示出一种结构，其中将作为末端执行器的手26a附接到工具更换器22。控制器36驱动接头J1至J5的致动器以将位置转为第一工具跟随位置，从而使车床工具的移动平面与手26a的移动平面彼此对准，在此执行各种不同的任务；例如，通过手26a保持工件110，通过由手26a保持的温度传感器检测切割点的温度，或者通过由手26a保持的摄像机捕捉切割点的图像。

另一方面，图9示出了接头J1从图8所示的状态旋转180度从而将位置转为第二工具跟随位置的状态；即，手26a和流体喷嘴26c的位置被对调。例如，在车床工具的移动平面与流体喷嘴26c的移动平面彼此对准的情况下，从流体喷嘴26c供给切削液或空气(在图9中为“诸如切削液的流体”)。

可以减小末端执行器(例如流体喷嘴26c)本身的尺寸。如图8和图9所示，将流体喷嘴26c构造成具有使其能够在内部机器人20的两个连杆之间通过的高度可防止末端执行器与内部机器人20之间的干扰，并扩大内部机器人20的移动范围。

尽管上文已经描述了本发明的实施例，但本发明不限于上述实施例，可以进行各种修改。

例如，尽管在所示实施例中，不同类型的末端执行器分别附接到两个工具更换器22和24并且用于各自的目的，但是可以将单个末端执行器附接到两个工具更换器22和24。

图10示出一实施例，其中，将作为单个末端执行器的手26a附接到工具更换器22和24。由于将单个手26a附接到两个工具更换器22和24，因此，该手26a能够承载重载荷。更具体地，即使是由如图3所示的附接到工具更换器22的手26a所无法承载的重载荷，也能够由如图10所示的附接到两个工具更换器22和24的手26a来承载。

单个末端执行器可以具有多种功能。

图11示出一实施例，其中，单个末端执行器附接到工具更换器22，手26a附接到该单个末端执行器的一端，流体喷嘴26d附接到该单个末端执行器的另一端。在图11中，例如，通过手26a保持工件110，通过由手26a保持的温度传感器检测切割点的温度，或者通过由手26a保持的摄像机捕捉切割点的图像，其中，手26a处于第一工具跟随位置，在该第一工具跟随位置，手26a处于下部位置，并且车床工具的移动平面与手26a的移动平面彼此对准。

另一方面，图12示出了接头J1从图11所示的状态旋转180度，从而将位置转为第二工具跟随位置的状态；即，手26a和流体喷嘴26d的位置被对调。例如，从流体喷嘴26d供应切削液或空气。

在图11和图12所示的结构中，由于可通过致动单个末端执行器旋转而将多种功能用于各自的目的，因此能够进一步降低成本。

Claims (7)

1.机床，包括：

刀架，其构造为保持一个或多个工具，所述刀架在平行于第一轴线的方向上和平行于第二轴线的方向上可线性移动，所述第二轴线垂直于所述第一轴线；

工件主轴装置，其构造为绕平行于所述第二轴线的轴线可旋转地保持工件；以及

内部机器人，其设置于加工室内，所述内部机器人具有多个接头和连接所述多个接头的多个连杆，

其中，所述内部机器人的所述多个接头包括：

基部接头，其绕平行于所述第二轴线的轴线可旋转；以及

多个平行接头，其绕垂直于所述基部接头的旋转轴线的轴线可旋转，所述多个平行接头布置得比所述基部接头更靠近所述内部机器人的远端，

其中，所述基部接头的所述旋转轴线从所述工件主轴装置的旋转轴线偏移，

其中，所述内部机器人构造成根据所述基部接头的旋转而在第一工具跟随位置与第二工具跟随位置之间改变，在所述第一工具跟随位置，所述多个平行接头的旋转轴线平行于与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的第三轴线，在所述第二工具跟随位置，所述基部接头相对于所述第一工具跟随位置旋转180度，除了远端连杆之外的所述多个连杆附接在使得不论所述内部机器人处于所述第一工具跟随位置还是处于所述第二工具跟随位置，所述多个连杆都不受所述刀架和由所述刀架保持的所述一个或多个工具干扰的位置。

2.根据权利要求1所述的机床，其中，所述内部机器人的所述远端分为两个或更多个分支，末端执行器可拆卸地附接到每个所述分支。

3.根据权利要求2所述的机床，

其中，所述内部机器人的所述远端分为两个分支，第一末端执行器和第二末端执行器可拆卸地附接到所述两个分支，并且

其中，所述第一末端执行器和所述第二末端执行器在所述第一工具跟随位置和所述第二工具跟随位置下被用于各自的目的。

4.根据权利要求3所述的机床，其中，所述第一末端执行器和所述第二末端执行器中的至少一者的尺寸小于两个相邻的所述连杆之间的间距。

5.根据权利要求3所述的机床，其中，所述第一末端执行器和所述第二末端执行器中的至少一者选自手、辊和流体喷嘴。

6.根据权利要求1所述的机床，其中，所述内部机器人的所述远端分为两个或更多个分支，单个末端执行器可拆卸地附接到所述两个或更多个分支。

7.根据权利要求6所述的机床，

其中，所述末端执行器具有多种功能，并且

其中，所述多种功能在所述第一工具跟随位置和所述第二工具跟随位置下被用于各自的目的。

Images