机床 |
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| 申请号 | CN202110084298.9 | 申请日 | 2021-01-21 | 公开(公告)号 | CN113146326B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 大隈株式会社; | 发明人 | 森村章一; | ||||
| 摘要 | 机床包括：保持 工件 (100)的头座(20)、能够在与工件旋 转轴 线平行的第一轴线(A1)方向上和与第一轴线(A1) 正交 的第二轴线(A2)方向上运动并且保持刀具的刀架(30)、机内 机器人 (40)、用于连通 工作腔 室的内部和外部的开口(16)，以及打开和关闭开口(16)的 门 (18)。机器人(40)包括固定在工作腔室中的根关节(42)以及 定位 在根关节(42)的远端侧的 连杆 单元(58)。根关节(42)是能够在与工件 旋转轴 线正交的方向上延伸的线性运动关节，并且是能够在用于使整个连杆单元(58)定位在工作腔室内部的长度与用于使整个连杆单元(58)定位在工作腔室外部的长度之间延伸的线性运动关节。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机床，包括： |
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| 说明书全文 | 机床[0001] 相关申请的交叉引用 技术领域背景技术[0004] 近年来，对于机床的自动化的需求正在增加。为了满足该需求，常规地已经提出了机器人的使用。例如，专利文件1(JP 2010‑064158 A)公开了在机床的一侧设置作为用于供应和排出工件的位置的托盘的加工装置。进一步地，专利文件1公开了布置在机床和托盘的上方的龙门导轨和沿着该龙门导轨运行的多关节型机器人。多关节型机器人可以用于在托盘与机床的内部之间传送工件。进一步地，专利文件2(JP 2019‑098479 A)公开了一种机床；具体地，公开了机器人布置在卧式车床的工作腔室中，并且该机器人被用于执行加工辅助工作、工件传送工作等的技术。在专利文件2中，机器人具有可围绕与头座的工件旋转轴线平行的轴线旋转的基本关节和可围绕与基本关节的旋转轴线正交的轴线旋转的三个平行关节。 [0005] 然而，根据专利文件1的技术，由于必需设置以跨过机床和托盘的方式延伸的龙门导轨，因此加工装置的整体尺寸较大，进而成本较高。进一步地，在专利文件1中，机器人仅用于传送工件，没有设想机器人在其工作腔室中用于加工辅助工作、加工信息获取工作等。 [0006] 进一步地，与专利文件1的技术相比，专利文件2的技术优点在于，包括机器人的整个机床能够构造为相对紧凑。然而，专利文件2的技术具有进一步改进的空间，以在设置在工作腔室外部的工件存放器和头座之间传送工件。即，在专利文件2中公开的机器人的情况下，由机器人保持的工件的轴向方向恒定地与水平方向平行。因此，工件以横向姿势(即，工件的轴向方向与水平方向平行的水平姿势)装载在工件存放器上。在横向姿势的情况下，与纵向姿势(即，工件的轴向方向为竖直方向的竖直姿势)相比，可装载在工件存放器上的工件的数量受到限制。因此，在专利文件2中，为了能够自动更换若干个工件，必需在工件存放器的周边设置能够驱动工件的某种驱动单元。结果，即使在专利文件2中，仍然存在成本增加的问题。 [0007] 鉴于上述情况，本说明书公开了具有能够在抑制成本的同时在工作腔室的内部和外部执行各种类型的工作的机器人的机床。发明内容 [0008] 本说明书中公开的机床包括：头座，布置在工作腔室中并且保持工件以使得工件能够围绕与水平方向平行的工件旋转轴线旋转；刀架，以能够在与工件旋转轴线平行的第一轴线方向和与第一轴线正交的第二轴线方向上移动的方式布置在工作腔室中，并保持刀具；机器人，布置在工作腔室中；罩，包围工作腔室；罩的开口，用于连通工作腔室的内部和外部；以及门，打开和关闭开口。机器人包括固定在工作腔室中的根关节、以及定位在根关节的远端侧并且具有彼此铰接的多个连杆的连杆单元。根关节是能够在与工件旋转轴线正交的方向上延伸的线性运动关节，并且是能够在用于使整个连杆单元定位在工作腔室内部的长度与用于使整个连杆单元定位在工作腔室外部的长度之间延伸的线性运动关节。 [0009] 在这种情况中，多个连杆中的每个连杆可以能够围绕与根关节的延伸/收缩方向平行的轴线旋转。 [0010] 进一步地，连杆单元包括：第一连杆，连接至根关节；第二连杆，经由第二关节连接至第一连杆；第三连杆，经由第三关节连接至第二连杆；以及末端执行器，经由第四关节连接至第三连杆。第二关节、第三关节和第四关节中的每一者均可以是绕与根关节的延伸/收缩方向平行的轴线旋转的旋转关节。 [0011] 进一步地，第二轴线可以相对于水平面以角θ倾斜，以使得在其接近旋转轴线时向下前进，并且根关节的延伸/收缩方向与第二轴线之间形成的角可以小于θ/2。在这种情况下，根关节的延伸/收缩方向可以是与第二轴线平行的方向。 [0012] 进一步地，机床可以是卧式车床，或者可以是外圆磨床。 [0013] 根据本说明书中公开的机床，机器人的根关节的延伸和收缩能够使连杆单元移动至工作腔室的内部和外部。这在抑制成本的同时使得机器人能够在工作腔室的内部和外部执行各种类型的工作。 附图说明[0014] 将基于以下附图描述本公开的实施例，其中： [0015] 图1是示出机床的透视图； [0016] 图2是示出在移除了罩的一部分的状态下的机床的透视图； [0017] 图3是示出由机内机器人执行的工件交换操作的透视图； [0018] 图4是示出由机内机器人执行的工件交换操作的示意图； [0019] 图5是示出由机内机器人执行的工件交换操作的示意图； [0020] 图6是示出由机内机器人执行的工件交换操作的示意图； [0021] 图7是示出由机内机器人执行的工件交换操作的示意图； [0022] 图8是示出由机内机器人执行的工件交换操作的透视图； [0023] 图9是示出由机内机器人执行的工件交换操作的透视图； [0024] 图10是示出由机内机器人执行的工件交换操作的透视图； [0025] 图11是示出末端执行器的周边的放大透视图； [0026] 图12是示出第三轴线是水平的机内机器人的运动的一个示例的图； [0027] 图13是示出第三轴线是水平的机内机器人的运动的一个示例的图； [0028] 图14是示出第三轴线是倾斜的机内机器人的运动的一个示例的图；以及 [0029] 图15是示出第三轴线是倾斜的机内机器人的运动的一个示例的图。 [0030] 附图标记说明 [0031] 10：机床；12：工作腔室；14：罩；16：开口；18：门；20：头座；21：主轴端；26：卡盘；30：刀架；32：转台；36：尾座；40：机内机器人；42：根关节；44：第二关节；46：第三关节；48：第四关节；50：第一连杆；52：第二连杆；54：第三连杆；56：末端执行器；57：臂；58：连杆单元；59： 控制器；60：工件存放器；62：柱；70：附加的末端执行器；100：工件；110：刀具；A1：第一轴线； A2：第二轴线；A3：第三轴线；Rw：工件旋转轴线 具体实施方式[0032] 以下，将参照附图对机床10进行描述。图1是示出机床10的透视图。图2是示出其中罩14的一部分未示出的机床10的透视图。在以下描述中，Z轴线代表与头座20的旋转轴线平行的方向，X轴线代表平行于与刀架30的Z轴线正交的运动方向的方向，Y轴代表与X轴线和Z轴线两者正交的方向。进一步地，在Z轴线上，从头座20到尾座36的方向是正方向。在X轴上，从工件旋转轴线Rw到刀架30的方向是正方向。在Y轴上，从头座20向上的方向是正方向。 [0033] 机床10是具有头座20的卧式车床，该头座保持工件100以使得工件可围绕水平轴线旋转。更具体地，本示例的机床10是具有保持多种刀具110的转台32的车削中心。 [0034] 机床10的工作腔室12的周围被罩14覆盖。大的开口16形成在工作腔室12的前表面上，并且开口16可由门18打开和关闭。在该示例中，门18是在左右方向上可滑动而打开和关闭开口16的滑动门。毫无疑问，门18可以是滑动门以外的其他形式的门，诸如铰链门、折叠式门。操作者经由开口16接近工作腔室12中的每个部分。在加工期间，设置在开口16处的门18是关闭的。这是为了确保安全性和环境友好性。 [0035] 机床10包括保持工件100的一端以使得工件100可旋转的头座20、保持刀具的刀架30、以及支撑工件100的另一端的尾座36。头座20具有用作驱动源的马达(未图示)。用于可拆卸地保持工件100的卡盘26设置在头座20的端面(主轴端21)上。当马达被驱动时，工件 100与卡盘26一起绕与水平方向平行的工件旋转轴线Rw旋转。 [0036] 尾座36布置为在Z轴方向上面向头座20，并且支撑由头座20保持的工件100的另一端。尾座36在Z轴方向上是可移动的，从而与工件100接触或分离。 [0037] 刀架30保持刀具。刀架30在Z轴上是可移动的；即在作为与由头座20保持的工件100的轴线平行的轴线的第一轴线A1的方向上是可移动的。进一步地，刀架30配置为能够沿着与X轴线平行的第二轴线A2前进和后退；换言之，在与工件100的径向方向平行的第二轴线A2的方向上前进和后退。从附图中可以明显地看出，当从工作腔室12的前表面观察时，第二轴线A2(X轴线)相对于水平方向倾斜，使得第二轴线A2随着其向后侧行进而向上前进。 [0038] 能够保持多个刀具的转台32设置在刀架30在Z方向的端面上。当从Z轴方向观察时，转台32具有多边形形状，并且可围绕与Z轴线平行的轴线旋转。能够安装有多个刀具的多个刀具安装部(未图示)设置在转台32的周面上。该布置使得操作者能够通过旋转转台32来选择要用于加工的刀具。 [0039] 进一步地，机内机器人40设置在工作腔室12中。机内机器人40在机内机器人40的内部和外部执行各种类型的工作。机内机器人40是具有由关节连接的多个连杆的多关节型机器人。更具体地，机内机器人40具有固定在工作腔室12中的根关节42，连接至根关节42的第一连杆50、经由第二关节44连接至第一连杆50的第二连杆52，经由第三关节46连接至第二连杆52的第三连杆54，以及经由第四关节48连接至第三连杆54的末端执行器56。在以下的描述中，将从定位在根关节42的远端侧的第二连杆52延伸至末端执行器56的部分称为连杆单元58。 [0040] 根关节42固定至工作腔室12的壁表面中的面向开口16的表面。根关节42是在特定方向上可延伸的线性运动关节。在该示例中，根关节42在与水平方向平行且与工件旋转轴线Rw正交的方向上延伸和收缩。在以下描述中，根关节42在延伸/收缩方向上的轴线被称为第三轴线A3。在根关节42被最大限度收缩的状态下，根关节42的末端定位在工作腔室12中，而且整个连杆单元58也定位在工作腔室12中。另一方面，在根关节42被最大限度延伸的状态下，根关节42的末端定位在工作腔室12的外部，而且整个连杆单元58也定位在工作腔室12的外部。图3是示出根关节42被延伸且连杆单元58定位在工作腔室12的外部的示例性状态的透视图。 [0041] 第二关节至第四关节44、46和48中的每个关节是可围绕与第三轴线A3平行的轴线旋转的旋转关节。将第二关节至第四关节44、46和48配置为可围绕彼此平行的轴线旋转的旋转关节能够简化末端执行器56的位置计算。即，在这种配置中，末端执行器56仅在与第三轴线A3正交的平面中运动。正交平面在第三轴线A3方向上的位置能够容易地从根关节42的延伸量计算。进一步地，由于末端执行器56在正交平面中的位置计算是二维位置计算，因此与三维位置计算的情况相比，能够减少计算量。 [0042] 末端执行器56不特别地限于特定形式，只要其能够接近物体并发挥某种作用即可。末端执行器56能够安装在机内机器人40的任何位置上，只要其可根据关节的驱动移位即可。然而，为了避免当接近物体时与其他构件相互干扰，末端执行器56可以附接至机内机器人40的尖端(第三连杆54的尖端)。 [0043] 进一步地，末端执行器56可以不可拆卸地附接至机内机器人40。替代性地，为了提高机内机器人40的多功能性，末端执行器56可以可拆卸地附接至机内机器人40。因此，能够可拆卸地保持末端执行器56的工具更换器可以设置在机内机器人40的一部分处(在所示示例中，在第三连杆54的尖端处)。进一步地，要附接至机内机器人40的末端执行器的数量不限于只有一个，而可以是两个或更多个。 [0044] 进一步地，如上所述，末端执行器56不特别地限于特定形式，只要其发挥某种作用即可。因此，例如，末端执行器56可以是用于保持物体的保持装置。通过保持装置的保持形式可以是利用一对构件来夹持物体的手式操作类型，或者吸引并保持物体的另一类型，或者可以是使用磁力以进行保持的不同类型。在图1和图2所示的示例中，末端执行器56是能够利用一对臂来夹住工件100的夹持器。 [0045] 进一步地，作为另一形式，例如，末端执行器56可以是能够感测关于物体或物体周围的环境的信息的传感器。传感器的示例包括能够检测与物体的任何接触的存在的触觉传感器、能够检测到物体的距离的距离传感器、能够检测物体的振动的振动传感器、能够检测从物体施加的压力的压力传感器，以及能够检测物体的温度的温度传感器。可从这些传感器获得的检测结果与末端执行器56的位置信息相关联地存储并分析，其中末端执行器56的位置信息可以从关节的驱动量计算。例如，当末端执行器56是触觉传感器时，控制器59基于检测到与物体的接触的时刻和在那个时刻的位置信息来分析物体的位置、形状和运动。 [0046] 进一步地，作为另一形式，例如，末端执行器56可以是用于按压物体的按压机构。具体地，例如，末端执行器56可以是压在工件100上以抑制工件100的振动的辊等。进一步地，作为另一形式，末端执行器56可以是能够输出用于辅助加工的流体的装置。具体地，末端执行器56可以是排出用于吹走切削屑的空气或用于冷却刀具或工件100的冷却流体(切削油、切削水等)的装置。进一步地，末端执行器56可以是释放用于工件的成形的能量或材料的装置。因此，末端执行器56可以是例如发射激光或电弧的装置，或释放用于层压成形的材料的装置。进一步，作为另一形式，末端执行器56可以是捕获物体的图像的摄像机。在这种情况下，由摄像机获得的图像可以显示在操作面板等上。 [0047] 这里，末端执行器56经由作为旋转关节的第四关节48连接至第三连杆54。因此，能够适当地改变末端执行器56的姿势。因此，例如，当末端执行器56是用于保持工件100的夹持器时，由末端执行器56保持的工件100的姿势能够在工件100的轴向方向为水平的横向姿势与工件100的轴向方向为竖直的纵向姿势之间改变。 [0048] 机床10配备有控制器59。控制器59响应于来自操作者的指令对机床10的每个部分的驱动进行控制。例如，控制器59由执行各种操作的处理器和存储各种控制程序和控制参数的存储器配置。进一步地，控制器59具有用于从其他装置接收诸如NC程序数据的各种数据和发送诸如NC程序数据的各种数据到其他装置的通信功能。控制器59可以包括例如不定期计算刀具或工件100的位置的数控装置。进一步地，控制器59可以是单个装置，或者可以配置为多个运算单元的组合。 [0049] 接着，将描述机床10的机内机器人40的示例性运动。如上所述，机内机器人40包括根关节42，该根关节42是可在其末端定位在工作腔室12的内部的状态与其末端在工作腔室12的外部的状态之间延伸的线性运动关节。这种配置使得机内机器人40能够在工作腔室12的内部和外部执行各种类型的工作。例如，当末端执行器56是能够保持工件的夹持器时，机内机器人40能够执行用于更换工件的工作。 [0050] 如图3所示，当机内机器人40用于更换工件时，工件存放器60位于机床10的外部并靠近开口16。工件存放器60对其配置没有特别地限制，只要能够容纳多个柱状的工件100即可。因此，工件存放器60是能够将柱状的工件100以横向姿势放置的普通桌台。然而，在横向姿势的情况下，柱状的工件100不稳定，并且装载的工件100容易滚动。进一步地，在横向姿势的情况下，由于由每个工件100占用的平面空间趋于更大，因此可装载在预定区域中的工件100的数量更小。因此，如图3所示，工件存放器60可以具有柱状的工件100以纵向姿势装载的配置。具体地，图3所示的工件存放器60具有以台阶形状形成的多个装载面。在每个装载面上，形成有多个支撑孔，相应的柱状的工件100的下端部可插入这些支撑孔。工件存放器60适于装载难以以纵向姿势自行立起的直径更小而轴线更长的各个工件100。 [0051] 图4至图7是示出当将由头座20保持的经加工的工件100装载在工件存放器60上时的机内机器人40的示例性运动的示意图。当将由头座20保持的经加工的工件100装载在工件存放器60上时，控制器59驱动根关节42以及第二关节44和第三关节46，使得末端执行器56在第三轴线A3方向上定位在工件100的开口16侧上，如图4所示。进一步地，控制器59驱动第四关节48，使得构成夹持器的成对的两个臂57在竖直方向上排列。 [0052] 接着，当进入图5所示的状态时，控制器59随后使根关节42收缩，直到臂57定位在工件100的上侧和下侧为止，并使末端执行器56在第三轴线A3方向上运动至背侧。随后，如图5所示，控制器59缩窄臂57之间的间隙，以利用一对臂57夹住工件100。进一步地，控制器59释放卡盘26。当进入此状态时，控制器59驱动机内机器人40以将工件100传送至工件100不与卡盘26和头座20相互干扰的位置。 [0053] 接着，如图6所示，控制器59使第四关节48旋转90度。结果，由末端执行器56保持的工件100的姿势从横向姿势改变为纵向姿势。随后，如图7所示，控制器59使根关节42延伸直到整个连杆单元58定位在工作腔室12的外部。随后，控制器59驱动第二关节44和第三关节46，使得工件100插入工件存放器60的支撑孔。通过以上操作，完成了用于传送经加工的工件100的工作。在将要加工的另一工件100从在工件存放器60上的位置传送到头座20的情况下，颠倒上述过程。 [0054] 如上所述，在该示例中，由于连杆单元58可从工作腔室12的内部移动到外部，或反之亦然，因此工件100可以容易地按照预期在工作腔室12的内部和外部传送。进一步地，在该示例中，由末端执行器56保持的每个工件的姿势可以从横向姿势改变为纵向姿势。因此，这意味着在以纵向姿势装载工件100中，不需要在工件存放器60侧上安装复杂的机构。 [0055] 工件存放器60的形式可以根据要处理的工件100的形状、末端执行器56的朝向等适当改变。例如，可能存在由于直径更大且轴线更短而即使在纵向姿势中也能够自行立起的一些工件100。在该情况中，如图8所示，多个工件100可以在其轴向方向上堆叠。进一步地，为了防止堆叠的工件100倒下，工件存放器60可以设置有围绕堆叠的工件100的周围的多个柱62。 [0056] 进一步地，根据以上的描述，末端执行器56的臂57以臂57与第三轴线A3平行的姿势附接至第三连杆54，并且工件存放器60的台阶面在与第三轴线A3平行的方向上对齐。然而，可以适当地改变末端执行器56的安装方位。例如，如图9所示，末端执行器56可以以其臂的方位与第三轴线A3正交的姿势附接至第三连杆54。在该情况中，工件存放器60的台阶面可以在与第三轴线A3正交的方向上对齐；即，在与臂轴向方向平行的方向上对齐。进一步地，如图10所示，工件存放器60可以不具有台阶面。进一步地，根据以上描述，各个工件以纵向姿势装载，但是它们也可以以横向姿势或倾斜姿势装载。 [0057] 进一步地，机内机器人40不仅能够用于要在跨过工作腔室12的内部和外部的区域中执行的工作，而且能够用于要在工作腔室12内部完成的工作。例如，如图11所示，可以想到在夹持器旁边设置切割水喷嘴作为附加的末端执行器70。在这种情况下，通过适当地改变机内机器人40的姿势，切割水可以被喷射到工作腔室12内部的各个位置。 [0058] 这里，从前面的描述中可以明显地看出，整个机内机器人40根据根关节42的延伸/收缩量适配在工作腔室12内部。因此，即使在对工件100进行加工的时段中，即，当门18关闭时，机内机器人40也可以停留在工作腔室12内部。因此，机内机器人40可以用于要由头座20和刀架30执行的加工辅助工作，或者加工相关信息获取工作等。例如，在车床车削期间，可能生成长串的流式切削屑并且该切削屑可能围绕工件等缠绕。在这种情况下，附接至机内机器人40的切割水喷嘴可以用于喷射瞄准加工点(即，刀具的尖端)的切割水。采用这样的配置能够抑制切削屑的运动并防止扭转。尽管加工点的位置根据加工的进度而逐渐改变，但是驱动四个关节42至48能够使得附接至机内机器人40的末端执行器56和70能够在三维空间移位以跟随加工点的运动。 [0059] 进一步地，代替于夹持器或除了夹持器之外，辊等可以设置为末端执行器56，使得辊等在车床车削期间与工件100接触。这样的配置能够抑制工件100的颤振。进一步地，代替于夹持器或除了夹持器之外，温度传感器可以设置为末端执行器56，以在车床车削期间测量工件100的温度。 [0060] 在以上描述中，作为第三轴线A3的根关节42的延伸/收缩方向与作为刀架30的移动方向的第二轴线A2不平行。然而，第三轴线A3可以被设定为与第二轴线A2平行。这种配置能够减小机内机器人40的尺寸并且能够使末端执行器56容易地跟随刀具。这将参照图12至图15更详细地描述。图12至图15是示出刀架30和机内机器人40的示意性侧视图。如上所述，第二轴线A2和第三轴线A3中的每个轴线均是与工件旋转轴线Rw正交的方向。这里，如图12和图13所示，现在假设第二轴线A2倾斜成随着第二轴线A2接近开口16而向下前进，并且第三轴线A3与水平方向平行。在该情况下，当连杆单元58的姿势恒定时，随着刀架30朝向Z轴线的负侧前进，末端执行器56和刀具之间的距离增加。因此，为了将末端执行器56保持在刀具的附近，必需与根关节42的延伸平行地改变连杆单元58的姿势，以使末端执行器56向下移动。上述控制是复杂的并且导致计算量的增加。 [0061] 进一步地，即使当刀架30到达X方向上的负侧的端部时，为了将末端执行器56定位在刀具的附近，各个连杆50、52和54需要足够长，并且整个机内机器人40倾向于较大。 [0062] 另一方面，如图14和图15所示，当第三轴线A3倾斜以与第二轴线A2平行时，使根关节42结合刀架30沿着第二轴线A2的运动地延伸能够将末端执行器56保持在刀具的附近。结果，能够使末端执行器56容易地跟随刀具。进一步地，即使当刀架30到达X方向上的负侧的端部时，机内机器人40与刀架30之间的距离也能够保持为短的。因此，能够使各个连杆50、52和54相对短，并且能够减小整个机内机器人40的尺寸。作为第三轴线A3的根关节42的延伸/收缩方向不需要与第二轴线A2完全平行。例如，如图15所示，现在假设θ代表第二轴线A2与水平面之间形成的角。在这种情况中，与第三轴线A3是水平的情况相比，将第三轴线A3与第二轴线A2之间形成的角设定为小于θ/2能够减小整个机内机器人40的尺寸。 [0063] 进一步地，上述配置仅是示例，并且可以适当地修改，只要它们包括至少：用于保持工件100以使工件100可围绕水平轴旋转的头座20、用于保持刀具的刀架30，以及设置在工作腔室12中的机内机器人40，并且进一步地，机内机器人40具有连杆单元58和线性运动关节(即，根关节42)，该线性运动关节使连杆单元58移动至工作腔室12的内部和外部。因此，连杆单元58不限于上述配置，并且可以适当地修改。进一步地，本说明书中公开的技术可以应用于其他形式的机床，只要它们包括用于旋转地保持工件100的头座20和用于保持刀具(未图示)的刀架30。例如，本说明书中公开的技术可以应用于车床和铣床相结合的多任务机器，或者可以应用于外圆磨床。 |
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